Седалищев В.Н. Методы и средства измерений неэлектрических величин

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 8.8 Измерение скорости потока по перепаду давления с использованием

сужающего устройства (А) и пористого элемента (Б).

Для стационарного потока невязкой и несжимаемой среды можно

использовать уравнение Бернулли:

constPgh =++

ρϑ

. (8.5)

Соотношения между перепадом давления на сужающем устройстве и

скоростью потока имеет следующий вид:

P∆

. (8.6)

Таким образом, по перепаду давления на сужающем устройстве можно

производить измерение скорости потока и, соответственно, расход.

Данная упрощенная формула не учитывает множество факторов,

например, сужение потока, потери энергии на внутреннее трение и на

завихрения в потоке, поэтому реальная зависимость имеет более сложный

вид.

Отбор давления производится в области

сужающего устройства. Место

расположения точек отбора влияет на показания расходомера.

Конструктивно сужающие устройства могут быть в виде сопла с

плавным сужением сечения трубы, что позволяет формировать струю во

избежание потерь на турбуленцию в потоке.

Рис. 8.9 Сужающие устройства (диафрагма и сопло Вентури).

Широко применяются сужающие устройства в виде диафрагмы с

калиброванным отверстием. Диаметр отверстия выбирают с учетом

возможности его засорения. Отверстие в диафрагме должно иметь острые

кромки, что обеспечивает отрыв струи от стенки и ее формирование. Струя

сужается за кромкой, что определяет перепад давления

по потоку.

Диафрагмы имеют низкую стоимость, но создают большую потерю

давления, со временем происходит закругление кромок, что обуславливает

изменение коэффициента сжатия струи.

Используют также сегментные диафрагмы для измерения загрязненных

сред и влагосодержащих газов.

Также применяют специальную схему включения сужающего

устройства, так называемый «гидравлический мост» для снижения влияния

на

результат измерений вязкости среды.

Для измерения скорости открытых потоков и в трубах большого

диаметра используют устройства, в которых реализуется метод

динамического напора, трубка Прандтля, имеющая две системы каналов.

Рис. 8.10 Разновидности трубок Пито.

Падение давления на прямом участке трубопровода пропорционально

перепаду давления по длине трубопровода.

8.9 Магнитоиндукционные методы измерения расхода

Согласно закону электромагнитной индукции в электропроводящем теле,

перемещающемся в магнитном поле, возникает ЭДС, величина которой

пропорциональна скорости потока. Величину генерируемого напряжения

можно определить по формуле:

BDU

Рис. 8.17 Принцип работы электромагнитного расходомера:

А – положение электродов; Б – взаимосвязь между направлением потока и

векторами электрического и магнитного полей.

При измерениях расхода сильнозагрязненных сред, агрессивных

жидкостей, многокомпонентных на поверхности электродов могут

образовываться осадки, коррозия. Поэтому используют различные методы

очистки электродов (механические, химические), заменяют электроды.

Использование емкостного устройства для снятия сигнала

. Измерительные

электроды такого датчика помещены внутри изоляционного покрытия в

трубопроводе с использованием экранирующих электродов. Так как

напряжение с электродов очень мало, то применяют усилители,

непосредственно на месте измерения.

Разработаны магнитоиндукционные методы с использованием

магнитного поля, индуцируемого периодически с частотой в пределах одного

герца линейно возрастающим и убывающим током. В

отличие от метода,

основанного на использовании магнитного поля, возбуждаемого

синусоидальным током, данный метод позволяет избавиться от

высокочастотных помех, за счет использования ФНЧ, а также от влияния

постоянных и медленно изменяющихся напряжений поляризации.

Метод с периодическим включением постоянного магнитного поля

позволяет избавиться от напряжения помех, обусловленных возникновением

вихревых токов в среде,

в стенках трубопровода, исключается смещение нуля

из-за неоднородности среды, возникновения на электродах постоянного

напряжения электрохимических помех.

Рис. 8.18 Электромагнитный расходомер с синхронным

(фазочувствительным) демодулятором.

Используют также устройства с трапецеидально изменяющимся полем

(комбинации методов с линейно и ступенчато изменяющимися магнитными

полями), с вращающимися магнитными полями (для открытых лотков).

Требования к измерительной схеме:

• необходимо усиление входного сигнала;

• высокоомный вход;

• независимость от потенциала земли;

• помехоустойчивость;

• стабилизация магнитного поля;

• использование дифференциальных усилителей с компенсацией.

Достоинства магнитоиндукционных методов:

• линейность выходной характеристики;

• отсутствие механических подвижных элементов;

• малая потеря давления;

• установка преобразователя не изменяет профиль потока;

• применимы для химически агрессивных сред;

• независимость от направления потока и ориентации в пространстве;

• применимы для

турбулентных и ламинарных потоков;

• не влияет наличие инородных частиц в потоке.

Данные методы не могут быть применены для измерения расхода газовых

сред, так как слишком слабый сигнал.

Применяют:

• в химической промышленности для особых условий (для пульп, для

смесей уголь-вода, песок-вода и т.п.);

• в металлургической промышленности (расплавы);

• в энергетике (в системах охлаждения реакторов);

• для измерений в открытых лотках.

Источники погрешностей для таких устройств:

• появление поляризации электродов;

• электрохимические процессы на электроде;

•

емкостные помехи.

Для борьбы с помехами используют переменное магнитное поле.

Примеры промышленных образцов расходомеров

Рис. Вихревой расходомер.

Рис. Электромагнитный расходомер.

Рис. Электромагнитный расходомер емкостного типа.

8.5 Тепловые методы определения расхода

В большинстве случаев введение посторонних веществ в исследуемую

среду оказывается невозможным. При этом альтернативным методом может

являться изменение физических свойств движущейся среды и

детектирование перемещения маркированного таким образом участка потока.

Наиболее подходящим для этих целей физическим свойством является

температура.

Тепловые расходомеры основаны на измерении зависящих от расхода

тепловых параметров контролируемого

потока и контактирующих с ним тел.

Для определения скорости потока данным методом необходимо измерить

градиент температуры между датчиком и подвижной средой и количество

выделяемого тепла.

Тепловые расходомеры по сравнению с остальными типами

аналогичных измерителей обладают высокой чувствительностью и

широким динамическим диапазоном. Они могут использоваться для

измерения широкого диапазона расхода

сред. Основными достоинствами

таких датчиков являются отсутствие подвижных компонентов и возможность

измерения малых расходов. Расходомеры на основе вращающихся лопастей,

поршней и дифференциальных датчиков давления при низких скоростях

потока выдают очень маленький выходной сигнал и, следовательно, имеют в

этом диапазоне низкую точность.

Тепловые расходомеры незаменимы в случаях, когда требуется

применение микродатчиков

, где невозможно использовать устройства с

подвижными компонентами, например, в автомобилях, в медицине, биологии

и др.

Рис. 8.11 Тепловой метод измерения скорости потока.

Рис. 8.14 Монолитный газовый микрорасходомер на основе

термоэлектрических преобразователей.

Рис. 8.15 Двухступенчатый датчик массового расхода:

1 — трубка, 2 — обмотка нагревателя;

3, 4 — датчики температуры.

8.6 Термоанемометрический метод измерения скорости потока

В термоанемометрическом методе поток среды, обтекающий

электрически обогреваемый чувствительный элемент (ЧЭ), охлаждает его.

Температура ЧЭ служит мерой скорости потока.

В качестве ЧЭ используют тонкую проволоку, ленту, обладающие малой

тепловой инерцией (платиновая проволока диаметром в несколько

микрометров и длиной в пределах 1 мм).

Например, располагают два последовательно расположенных ЧЭ, один

нагревают

и сравнивают со вторым.

Используют также процесс образования коронного разряда в газе и др.

Принцип измерения основан на изменении температуры нагреваемого

проводника, помещенного в поток газа. Охлаждение проводника зависит от

скорости потока, теплопроводности среды, плотности, состава…

При этом, используют два метода:

• метод постоянного тока нагревания проводника для малых скоростей

потока,

• метод постоянной температуры путем регулирования напряжения

питания.

Достоинства:

• высокая чувствительность для малых и средних скоростей потоков,

• малые размеры,

• высокое быстродействие,

• простая измерительная схема.

Недостатки:

• при повышении скорости снижается чувствительность,

• необходимость в индивидуальной калибровке,

• нестабильность характеристик,

• старение нагревателя,

• влияние температуры среды,

• возникновение собственных конвективных потоков при малых

скоростях.

Для повышения чувствительности используют полупроводниковые

термозонды (на базе позисторов).

Рис. 8.12 Разновидности термоанемометрических чувствительных

элементов.

1 – нагреватель (платиновая проволока или фольга),

2 – токоподводы.

Рис. 8.13 Передаточная (А) и градуировочные (Б) характеристики

термоанемометра, основанного на использовании саморазогревающихся

термисторов.

8.7 Микрорасходомеры

В системах управления производством прецизионных

полупроводниковых устройств, химическими и фармацевтическими

технологическими процессами, а также при проведении биомедицинских

исследований требуются миниатюрные расходомеры.

Большинство таких микродатчиков основаны на принципе переноса тепла

и изготавливаются на кремниевых подложках методами микротехнологий.

Почти во всех монолитных расходомерах в качестве детекторов температуры

используются термопары, но их термоэлектрические коэффициенты в

10…100 раз меньше коэффициентов традиционных термопар. Поэтому

результирующие выходные сигналы таких преобразователей малы, что

требует интеграции дополнительных усилителей непосредственно на

подложке преобразователя.

8.8 Акустические методы измерения скорости потока

Основная идея ультразвуковых уровнемеров заключается в

детектировании изменения частоты или сдвига фаз, вызываемых подвижной

средой. Основаны либо на эффекте Доплера, либо на основе определения

изменения эффективной скорости звука в среде.

Наиболее распространение получил метод «двух синхроколец»,

основанный на измерении разности частоты следования сигналов

или

разности фаз звуковых волн, распространяющихся в среде по направлению и

против потока. При этом эффективная скорость звука в подвижной среде

равна скорости звука в этой среде плюс скорость среды относительно

источника звука. Таким образом, распространение звуковой волны против

потока среды приведет к уменьшению эффективной скорости звука, а по

направлению потока

– к увеличению. Разность этих скоростей равна

удвоенной скорости потока.

Рис. 8.16 Ультразвуковой расходомер.

А – расположение излучателя и приемника ультразвука,

Б – форма звуковых волн.

Разность хода во времени для звуковых импульсов по направлению и

против потока определяется следующими математическими соотношениями:

. (8.7)

8.10 Кориолисовые расходомеры

Расходомеры этого типа определяют массовый расход напрямую, а не

через измерение скорости или объема.

Кориолисовые расходомеры не зависят ни от давления жидкости, ни от

ее температуры, ни от ее вязкости и плотности. Поэтому такие датчики

не требуют проведения повторных калибровок и подстройки под каждый

конкретный тип измеряемой среды.

Типовой

кориолисовый измеритель состоит из одной или двух

вибрирующих трубок, обычно изготовленных из нержавеющей стали. Для

повышения точности измерений нужно защитить трубки и места их

креплений от механических и химических воздействий контролируемой

среды.

Чаще всего трубки имеют U – образную форму, хотя в принципе они

могут быть и другого вида. Для газообразных сред

применяют более тонкие

трубки, чем для жидкостей. Трубки начинают вибрировать от воздействий на

них внешнего электромеханического устройства. Расход массы определяется

по действию жидкости на вибрирующие трубки. При движении жидкости на

нее действует вибрационное ускорение, все время меняющее свое

направление. Так как потоки жидкости в двух ветвях трубки имеют

противоположные направления, то

и возникающие там силы Кориолиса

также будут направлены в разные стороны. В результате этого под действием