Седалищев В.Н. Методы и средства измерений неэлектрических величин

Подождите немного. Документ загружается.

= nl0. В этом случае лазер генерирует 2 встречные волны, частоты которых

одинаковы и равны:

n0 = c/l0 = cn/P, с — скорость света.

Если же весь прибор вращается с угловой скоростью W вокруг

направления, составляющего угол J с перпендикуляром к его плоскости (рис.

2), то за время обхода волной контура последний успеет повернуться на

некоторый угол. В зависимости от направления

распространения волны путь,

проходимый ею до совмещения фазы, будет больше или меньше Р. В

результате этого частоты встречных волн становятся неодинаковыми. Можно

показать, что эти частоты n– и n+ не зависят от формы контура и связаны с

частотой W вращения прибора соотношением:

Здесь S — площадь, охватываемая контуром резонатора. Фотодетектор,

чувствительный к интенсивности света, в этом случае зарегистрирует биения

с разностной частотой:

где F = W/2p, а k =

Например, для квадратного гелий-неонового квантовые гироскопы со

стороной 25 см l0 = 6×10–5 см, откуда k = 2,5×106. При этом суточное

вращение Земли, происходящее с угловой скоростью W = 15 град/ч, на

широте J = 60° должно приводить к частоте биений Dn = 15 гц. Если ось

квантовые гироскопы направить на Солнце, то, измеряя частоту биений и

считая угловую скорость W вращения Земли известной, можно

с точностью

до долей град определить широту J места, на которой расположен квантовые

гироскопы.

Интегрирование угловой скорости вращающегося тела по времени

(которое может выполняться автоматически) позволяет определить угол

поворота, как функцию времени. Предел чувствительности оптических

квантовые гироскопы теоретически определяется спонтанным излучением

атомов активной среды лазера. Если частоте биений Dn = 1 гц соответствует

угол поворота в 1 град/ч, то предел точности К. г. равен 10–3 град/ч. В

существующих оптических К. г. этот предел ещё далеко не достигнут.

Ядерные и электронные гироскопы

Рис. 3. Схематическое изображение ядерного позиционного гироскопа: М —

суммарный магнитный момент вещества; СПЭ — сверхпроводящий

магнитный экран; L1, L2 — катушки индуктивности.

В ядерных квантовые гироскопы используются вещества с ядерным

парамагнетизмом (вода, органические жидкости, газообразный гелий, пары

ртути). Атомы или молекулы таких веществ в основном (невозбуждённом)

состоянии обладают моментами количества движения, обусловленными

только спинами

ядер (электронные же спиновые моменты у них

скомпенсированы, т. е. все электроны спарены). Со спинами ядер связаны их

магнитные моменты. Если ориентировать магнитные моменты ядер,

например, при помощи внешнего магнитного поля, а затем ориентирующее

поле выключить, то в отсутствие др. магнитных полей (например, земного)

возникший суммарный магнитный момент М будет некоторое

время

сохранять своё направление в пространстве, независимо от изменения

ориентации датчика. Такой статический квантовые гироскопы позволяет

определить изменение положения тела, связанного с датчиком гироскопа.

Т. к. величина момента М будет постепенно убывать благодаря релаксации,

то для квантовые гироскопы выбирают вещества с большими временами

релаксации, например некоторые органические жидкости, для которых

время

релаксации t составляет несколько мин, жидкий 3He (около 1 ч) или раствор

жидкого 3He (10—3%) в 4He (около года).

В квантовые гироскопы, работающем по методу ядерной индукции,

вращение с угловой скоростью W датчика квантовые гироскопы, который

содержит ядра с ориентированными магнитными моментами, эквивалентно

действию на ядра магнитного поля с напряжённостью Н = W/gя, где gя —

гиромагнитное отношение

для ядер. Прецессия магнитных моментов ядер

вокруг направления поля Н приводит к появлению переменной эдс в катушке

L, охватывающей рабочее вещество квантовые гироскопы (рис. 3).

Определение частоты W вращения тела, связанного с датчиком квантовые

гироскопы, сводится к измерению частоты электрического сигнала, которая

пропорциональна W.

В динамическом ядерном гироскопе суммарный ядерный магнитный

момент М датчика прецессирует вокруг постоянного магнитного поля Н,

жестко связанного с устройством. Вращение датчика вместе с полем Н с

угловой скоростью W приводит к изменению частоты

прецессии магнитного

момента М, приблизительно равному проекции вектора W на Н. Это

изменение регистрируется в виде электрического сигнала. Для получения

высокой чувствительности и точности в этих приборах требуется высокая

стабильность и однородность магнитного поля Н. Например, для

обнаружения изменения частоты прецессии, вызванного суточным

вращением Земли, необходимо, чтобы DН/Н £ 10–9. Для экранировки

прибора

от действия внешних магнитных полей применяются

сверхпроводники. Например, если поворот датчика обусловлен суточным

вращением Земли, то остаточное поле в экране не должно превышать 3×10–

9э.

Электронные квантовые гироскопы аналогичны ядерным, но в них

применяются вещества, атомы или молекулы которых содержат неспаренные

электроны (например, устойчивые свободные радикалы, атомы щелочных

металлов). Хотя

времена релаксации электронных спинов малы, электронные

квантовые гироскопы перспективны, так как гиромагнитное отношение gэл

для электронов в сотни раз больше, чем для ядер, и, следовательно, выше

частота прецессии, что важно для многих применений.

Несмотря на то, что квантовые гироскопы, особенно оптические,

непрерывно совершенствуются, их точность и чувствительность ещё

уступают лучшим

образцам механических гироскопов.

Квантовые гироскопы обладают рядом существенных преимуществ перед

механическими гироскопами:

• они не содержат движущихся частей (безынерционны);

• не требуют арретирования;

• обладают высокой надёжностью и стабильностью;

• приводятся в действие в течение короткого промежутка времени;

• могут выдержать значительные ускорения и работать при низких

температурах.

Некоторые типы

квантовые гироскопы уже применяются не только как

высокочувствительные индикаторы вращения, ориентаторы и гирометры, но

и как гирокомпасы, гиробуссоли и секстанты.

Несмотря на то, что само понятие вращения Вселенной как единого целого - вроде бы

непроверяемая на опыте бессмыслица, в соответствии с общей теорией относительности

вращение материи приводит к "закручиванию" вместе с ней и всего эксперимента по

измерению вращения всей Вселенной прежде и речи не было. Теперь же группа ученых

под руководством Вольфганга

Шляйха из Университета Ульма (Германия) предложила

использовать для решения этой задачи принципы, заложенные в конструкции кольцевых

лазерных гироскопов, которые используются в системах управления движением

самолетов и спутников. В таких гироскопах лазерный пучок направляется в

противоположных направлениях по кольцу из оптического волокна. При его повороте

вместе с аппаратом, на котором гироскоп установлен, пучку, движущемуся по кольцу в

направлении вращения, придется пройти большую часть пути до места встречи с

противоположным пучком, следовательно, он придет позже и интерференционная картина

изменится. По ее изменению можно установить направление и скорость вращения. Г-н

Шляйх полагает, что подобное справедливо и в отношении пучков холодных атомов.

Поскольку движутся они со скоростью, намного меньшей скорости света, гироскоп на их

основе будет иметь более высокую чувствительность. Европейское космическое агентство

уже запланировало запуск в космос гироскопа на холодных атомах под названием

HYPER. Он призван выяснить, существует ли вращение, связанное с гравитационным

полем Земли. Это дало бы возможность впервые подтвердить экспериментально вывод

теории Эйнштейна, гласящий, что околоземное пространство должно вовлекаться во

вращение Земли. Г-н Шлейх же показал, что чувствительность HYPER можно повысить в

10 миллиардов раз. Этого уже достаточно, чтобы измерить вращение всей Вселенной.

Техническая сложность, с которой предстоит столкнуться разработчикам эксперимента -

необходимость сохранять одно и то же квантовое состояние пучка атомов, в противном

случае слабый сигнал утонет в шумах.

8. Методы и средства измерения расхода

Для контроля потоков жидкостей и газов в различных отраслях

промышленности применяются датчики потока и расходомеры. Само

понятие потока может быть определено по-разному, например массовый

поток или объемный, ламинарный или турбулентный. Расход массовый (

объемный (

) – это количество вещества, проходящее через известное

сечение в единицу времени:

ϑρ

. (8.1)

Обычно хотят выяснить количество вещества в потоке и, если жидкость

имеет постоянную плотность, то обычно измеряется объемный поток,

поскольку его легче измерить. Многие технологии измерения успешно

справляются с измерением потоков газов и жидкостей, однако другие

специфичны к тому, что измеряют.

Расход обычно вычисляют, измеряя скорость течения жидкости в

трубе

и умножая ее на известную площадь сечения трубы в точке измерения.

Общая характеристика наиболее распространенных методов измерения

скорости потоков жидких и газообразных сред

Калориметрические датчики потока

Калориметрические датчики потока работают по принципу измерения

переноса тепла потоком жидкости от нагревателя к температурному датчику.

Перенесенное тепло пропорционально скорости потока. Такие датчики

обычно имеют второй температурный датчик для компенсации изменений

температуры жидкости. Калориметрические датчики потока лучше работают

при малых скоростях потока жидкости или газа порядка 30 – 3000 см/сек (для

газов

), заменяя датчики, работающие на принципе перепада давления.

Достоинством калориметрических датчиков измерения давления является

компактное исполнение, позволяющее проводить измерение в самых малых

диаметрах трубопроводах, отсутствие подвижных частей и большой

динамический диапазон. К основным недостаткам можно отнести

зависимость показаний от резких скачков температуры измеряемой жидкости

и в случае резких изменений свойств жидкости –

например изменению

плотности или теплопроводности.

Расходомеры дифференциального давления

Расходомеры, работающие на принципе измерения дифференциального

давления наиболее применимы для измерения расхода жидкостей. Принцип

из работы основан на том, что падение давления в потоке жидкости на

измеряемом участке пропорционально квадрату скорости потока жидкости.

Тем самым, измеряя дифференциальное давление в потоке жидкости и

вычисляя квадратный корень, получаем значение расхода. Эти устройства

как и многие расходомеры, состоят из двух частей. Первая часть изменяет

кинетическую энергию жидкости, создавая дифференциальное давление в

трубе. Эта деталь, как правило, вставляется в трубопровод, в котором

измеряется поток жидкости, так же она должна обеспечивать необходимую

точность во всем диапазоне измерений. Вторая часть расходомера измеряет

дифференциальное давление и конвертирует

полученный сигнал в значение

расхода жидкости.

Для измерения потока воздуха или газа методом дифференциального

давления используются трубки Пито, а так же другие трубки, сетки и

решетки. Чувствительные элементы объединены с датчиков

дифференциального давления и выдают сигнал, пропорциональный квадрату

скорости потока газа или воздуха. Трубка Пито состоит из двух трубок,

которые

измеряют давление в разных частях трубопровода. Одна трубка,

измеряющее статическое давление располагается обычно в стенке

трубопровода. Другая трубка измеряет набегающее давление (статическое

давление, плюс давление набегающего потока воздуха). Чем больше скорость

потока воздуха, тем больше набегающее давление.

Для измерения потока жидкостей в расходомерах дифференциального

давления используются различные сетки, сужения отверстий, вставки.

Вставка, сужающая отверстие трубопровода, наиболее простое и

дешевое

устройство для измерения дифференциального давления. Такое сужающее

отверстие создает препятствие потоку жидкости и в результате получается

разность давлений до и после сужающего отверстия. Трубка Вентури имеет

большие размеры и более высокую стоимость, среди других устройств

создания дифференциального давления. Трубка Вентури постепенно сужает

диаметр трубопровода и давление измеряется в разных точках

– обычно в

начале сужения и в самой узкой части. Далее диаметр трубки Вентури

расширяется до исходного, тем самым восстанавливая исходное давление в

трубопроводе. Трубки Вентури обычно используются в трубопроводах

больших диаметров, благодаря низкому падению давления и более высокой

точности показаний.

Основным недостатком расходомеров дифференциального давления является

сравнительно узкий динамический диапазон

измерений.

Вихревые расходомеры

Вихревые расходомеры работают на принципе, открытым фон

Карманом: когда поток жидкости обтекает препятствие – тело обтекания, то в

отходящем потоке по краям этого тела возникают завихрения жидкости.

Частота этих завихрений пропорциональна скорости жидкости. Вихревые

расходомеры наиболее проявляют себя на скоростях потока 2 – 40 м/сек.,

однако измерять расход вязких жидкостей ими не рекомендуется

Ультразвуковые расходомеры

Ультразвуковые расходомеры работают принципу времени прохождения

сигнала. Принцип измерения основан на том, что звуковой импульс, идущий

в том, же направлении, что и поток жидкости, имеет общую скорость

распространения равную скорости звука плюс скорость течения жидкости. А

звуковой импульс, идущий в направлении, противоположном скорости

течения, будет иметь скорость, меньшую на значение скорости потока

жидкости. При помощи ультразвуковых датчиков измеряется время

прохождения акустических сигналов, которые движутся в направлении и

против потока. Разница во времени прохождения пропорциональна средней

скорости потока и преобразуется в выходной сигнал и показания

волюметрического и суммарного расхода. Измерительные лучи расходомера

образуют трехмерный профиль распределения скоростей движения среды

или профиль потока среды, которая проходит по измерительной трубе. Эти

линии измерения располагаются таким образом, чтобы максимально снизить

воздействие

профиля потока (ламинарного или турбулентного). В

комбинации с использованием новейших технологий цифровой обработки

сигнала это дает стабильные и надежные измерения расхода.

5. Массовые расходомеры

Многие химические реакции требуют более точного измерения расхода

вещества. Это привело к разработке массовых расходомеров. Существует

большое количество моделей, но наиболее распространены Кориолисовые

расходомеры Принцип которых

основан на существовании Кориолисовой

силы. Кориолисовые расходомеры измеряют непосредственно массовый

расход, в то время как другие расходомеры измеряют в основном объемный

расход вещества. Так как масса вещества неизменна, то в таких расходомерах

нет необходимости его подстройки в зависимости от изменения свойств

измеряемого вещества. Более того, кориолисовый расходомер не требует

подстройки

при изменении температуры или давления. Эти расходомеры

применяются для измерения расхода жидкостей, вязкость которых меняется

в зависимости от температуры и давления.

Силы Кориолиса проявляются в колебательных системах, когда жидкость

или газ перемещается в направлении оси колебаний. Измерительная система

Кориолиса имеет симметричную форму и состоит из одной или двух

измерительных трубок

прямой или искривленной формы. С помощью

электромагнита измерительная труба приводится в колебание на резонансной

частоте. Когда скорость потока равна нулю, сила Кориолиса также равняется

нулю. При наличии в измерительной трубке потока, частицы жидкости в

продукте ускоряются на одном отрезке трубы и замедляются на другом. Сила

Кориолиса создается ускоряемыми и замедляемыми частицами

жидкости.

Эта сила вызывает очень незначительную деформацию измерительной

трубки, которая накладывается на основную составляющую и прямо

пропорциональна массовому расходу. Эта деформация улавливается при

помощи специальных датчиков. Так как характеристики колебаний

измерительной трубы зависят от температуры, температура измеряется

постоянно, соответственно измеряемая величина подвергается коррекции.

Такие расходомеры имеют очень широкий спектр применений, начиная от

измерения агрессивных жидкостей и жидкого азота.

Электромагнитные расходомеры

Принцип действия электромагнитных расходомеров основан на

использовании закона электромагнитной индукции Фарадея, который гласит,

что в движущемся в магнитном поле проводнике возникает электрическое

напряжение. Жидкость является проводником, а магнитное поле создается

катушками расположенными вокруг трубы. Возникающее напряжение

пропорционально скорости потока. Электроды, вмонтированные в стенки

трубопровода, измеряют получившееся напряжение. Электромагнитные

расходомеры могут

измерять расход только проводящих электрический ток

жидкостей и применяются там, где необходимы точные измерения и

минимальное обслуживание.

8.1 Объемные методы и средства измерения расхода

Объемные средства измерения расхода:

• объемные счетчики непосредственного действия (последовательно

отмеривается определенный объем вещества);

• бескамерные счетчики (косвенный метод по измерению перемещения,

скорости потока с

интегрированием во времени).

Например, это турбинные счетчики с аксиальной, шнековой (ось турбинки

совпадает с направлением потока) и вертикальной, тангенциальной

турбинками (ось перпендикулярна потоку). Во всех случаях перед турбинкой

должен быть прямой участок трубопровода.

Конструкции некоторых счетчиков представлены на следующих рисунках.

Рис. 8.1 Принцип действия счетчика с овальными шестернями

Рис. 8.2 Роторные счетчики.

Рис. 8.3 Турбинные счетчики с лопастями.

Рис. 8.4 Тангенциальные счетчики (одно - и многоструйные).

В настоящее время для измерения объемного расхода жидких и

газообразных сред наибольшее распространение получили

электромеханические устройства. При малых расходах происходят

сравнительно большие потери энергии потока на механическую передачу,

поэтому используют преобразование скорости потока в электрический

сигнал. Для снижения влияния взвесей используется расширение потока.

8.2 Расходомеры с подвижным элементом

В качестве рабочих и эталонных средств измерения расхода широко

применяют поплавковые расходомеры (ротаметры).

Рис. 8.5 Поплавковый расходомер (ротаметр).

Выходным сигналом таких устройств может являться высота подъема

подвижного элемента при постоянном весе поплавка или сила сопротивления

потоку при фиксированном положении поплавка.

В первом случае на показание прибора влияет его пространственное

расположение. Устройства такого типа характеризуются высокой точностью

измерения расхода.

Во втором случае противодействующее усилие

может создаваться,

например, с использованием пружин, электромагнитов и т.п. Устройства

данного типа применяют, например, в системах управления

технологическими процессами.

8.4 Измерение расхода по перепаду давления

Наибольшее распространение получил метод измерения расхода по

перепаду давления на сужающем устройстве. Согласно уравнению Бернулли,

в стационарных без трения потоках сумма кинетической, потенциальной

энергии и давления вдоль потока постоянна.