Седалищев В.Н. Методы и средства измерений неэлектрических величин
Подождите немного. Документ загружается.
результирующей силы две части трубки смещаются друг относительно друга
в соответствии с циклом вибраций.
Величина силы Кориолиса, индуцированная потоком, определяется
выражением:
ωϑ
mF 2
=
, (8.9)
где m – масса,
ω
- круговая частота вибраций,
ϑ
- вектор средней скорости измеряемой среды.
Следовательно, величина изгиба трубки прямо пропорциональна
массовому расходу через трубку.
Рис. 8.19 Кориолисовская трубка при отсутствии в ней потока (А), изгиб
трубки при протекании через нее потока (Б), сдвиг фазы колебаний,
вызванный силами Кориолиса (В).
При отсутствии в трубке контролируемой среды ее вибрации на входе и
выходе совпадают, то есть, между ними нет сдвига фаз. При появлении
потока – трубка изгибается пропорционально
величине массового расхода,
поэтому между вибрациями ее входной и выходной ветвей появляется
фазовый сдвиг.
Приборы данного типа должны быть виброизолированы. Свойства
протекающей через прибор среды (температура, плотность, вязкость) не
влияют на его показания. Поэтому гироскопические расходомеры
применимы для измерения двухфазных потоков (например, воды и водяного
пара), для измерения весового расхода
угольной пыли.
После тщательной калибровки ошибка измерения не превышает 0,2%.
Измерительная трубка может быть изготовлена из различных материалов,
что позволяет измерять расход агрессивных, вызывающих коррозию сред.
Основным недостатком кориолисовых измерительных устройств
является их сравнительно высокая стоимость. Однако их универсальность
при работе с разными типами сред позволяет применять их на предприятиях,
где требуется измерять расходы самых разнообразных жидкостей и газов.
8.11 Методы и средства измерения местной скорости потока
Существует большое разнообразие датчиков, способных измерять
скорость перемещения
массы или объема. Однако независимо от типа
используемого датчика определение расхода вещества всегда является
сложной задачей, так как при этом требуется учитывать многие факторы:
форму канала, свойства материала, температуру среды, давление и т.п.
При выборе датчика всегда необходимо внимательно изучать его
параметры, указанные в документации производителя, и учитывать все
известные практические рекомендации, относящиеся к детекторам данного
типа.
Принцип измерения в таких устройствах основан на измерении усилия,
развиваемого контролируемым потоком, обтекающим помещенное в него
тело (поплавок).
8.11.1 Расходомеры с мишенями
Расходомеры данного типа используются при работе с турбулентными
потоками. Их область применения: мониторинг окружающей среды,
метеорология, гидрология, где требуется определение скорости потоков
воздуха или воды, а также их турбулентности в зоне, расположенной рядом с
поверхностью.
В структуру таких расходомеров входит элемент конструкции (мишень),
который находится
непосредственно в потоке и является частью
чувствительного элемента датчика. Принцип работы расходомеров данного
типа основан на измерении силы, действующей на мишень. Полученное
значение преобразуется в величину скорости потока.
Рис. 8.20 Расходомер с использованием мишени в качестве чувствительного
элемента.
Важным достоинством таких датчиков является возможность проведения
многомерных измерений, например, направлений и скоростей потока по трем
направлениям. Для этого необходимо обеспечить симметричность мишени во
всех направлениях измерений.
Идеальной мишенью является плоский диск, так как скорость потока не
влияет на коэффициент уноса. Для сферической мишени коэффициент уноса
зависит от скорости
потока, поэтому при использовании такой мишени
датчик необходимо калибровать и оптимизировать для каждого конкретного
случая применения. Измерение механических напряжений выполняется с
помощью тензодатчиков.
Такие расходомеры уже давно используются в промышленности, в
коммунальной сфере, в аэрокосмических и других исследованиях.
Сила, действующая на мишень в потоке несжимаемой жидкости,
определяется выражением:
2
ϑρ
⋅⋅⋅= ScF
, (8.10)
где с – коэффициент уноса, величина которого зависит от формы тела и его
ориентации относительно направления потока.
8.11.2 Лазерные и меточные методы измерения скорости потока
Лазерные методы основаны на измерении времени пробега частиц в
потоке определенного расстояния, ограниченного двумя лазерными лучами.
Достоинство метода заключается в том, что нет подвижных частей и нет
воздействия на поток.
Широкое применение нашли методы, основанные на использовании
эффекта Доплера.
Принцип работы устройств данного типа основан на том, что при
перемещении частиц относительно неподвижной точки частота
рассеиваемого ими света изменяется пропорционально скорости частиц. При
малых скоростях потоков изменение цветности рассеиваемого света
настолько мало, что не воспринимается спектрометром. Однако малые
сдвиги частот рассеиваемого света могут точно измеряться при
использовании в качестве излучателя когерентного источника света (лазера).
Рис. 8.7 Лазерный метод измерения скорости потока, основанный на
использовании эффекта Доплера.
1 – лазер, 2 – зеркало, 3 – фотоэлемент.
Например, в типовом устройстве доплеровский эффект для красного
излучения гелий-неонового лазера составляет ~ 1 МГц при скорости потока
1 м/с.
Данный метод позволяет бесконтактно контролировать скорости
потоков жидкостей и газов в диапазоне от 0,01мм/с
до 1000м/с. Метод
применим при достаточной прозрачности среды и незначительном
содержании в ней частиц, отражающих излучение. Так как эффект Доплера
зависит от направления измерения, то тремя, осуществляемыми в различных
направлениях измерениями могут быть определены три составляющие
вектора скорости. Точечная фокусировка лазерного излучения обеспечивает
высокое пространственное разрешение метода.
Меточные методы
измерения расхода с использованием химических и
радиоизотопных меток. Предусматривает введение в поток контрольного
вещества и определения времени прохождения определенного участка пути
или изменение его концентрации в среде.
Метод солевых растворов основан на импульсном введении в среду
порций солевого раствора малой концентрации. Две пары электродов,
находящихся на различных расстояниях по потоку
измеряют проводимость
раствора и время прохождения.
Меточные методы используются для измерения скоростей движения сред
в пределах от 0, 01 до 1000м/с. Для этого вводят в поток среды инородные
тела, безинерционно перемещающиеся с потоком, с применением лазерного
анемометра. При этом излучение, рассеиваемое содержащимися в потоке
частицами, обрабатывается доплеровским радарным методом.
8.11.3 Корреляционные методы измерения расхода
Основаны на использовании вызываемых турбулентностью потока
или особыми течениями многофазных смесей случайных возмущений,
например, местных нерегулярных колебаний давления, температуры,
электропроводности, оптической проницаемости потока.
Учет этих факторов позволяет улучшить характеристики приборов и
расширить область применения других методов измерения расходов.
Производится регистрация и обработка статистических сигналов
двух
последовательно установленных в потоке датчиков. В идеальном случае
сигналы имеют одинаковую форму, но смещены во времени. Если задержать
сигнал от первого датчика и сравнить с сигналом второго, то они совпадут.
Задача ЭВМ заключается в минимизации СКО сигналов. При заданном
времени опроса обоих датчиков значения сигналов заносятся в память, и
вычисляется коэффициент корреляции. Затем находят интервал времени
задержки сигнала, при котором коэффициент корреляции достигает
максимального значения. Быстродействие устройств данного типа
определяется вычислительными возможностями ЭВМ.
8.11.4 Другие методы измерения местной скорости потока
Принцип работы чашечных анемометров основан на том, что
сопротивление помещенной в поток чашечки в форме полусферы зависит от
его направления. Если поток направлен на вогнутую поверхность чаши, то ее
сопротивление в 3 раза больше чем при обдуве с выпуклой стороны.
Сопротивление потока зависит от
значения числа Рейнольдса, поэтому
при измерении высоких скоростей требуется дополнительная калибровка
устройства. Устройство может содержать, например, фотоэлектрический
преобразователь скорости.
Электронные анемометры
Анемометр — измерительный прибор, предназначенный для определения
скорости потока газовой среды.
Электронные анемометры предназначены для измерения основных
параметров систем вентиляции и кондиционирования воздуха при
проектировании и наладке.
Анемометры позволяют одновременно измерять скорость воздуха и
температуру воздушного потока и могут быть рекомендованы для
укомплектования лабораторий по охране труда
предприятий и служб
Госсанэпиднадзора.
Анемометры имеют международный сертификат ISO. В России данные
приборы проходят ежегодную метрологическую поверку и аттестацию.
Техническая спецификация
Скорость воздушного потока:
• Диапазон измерения: 0,4 … 30 м/с
• Разрешение: 0,01 м/с
• Погрешность: ± 2%
Температура воздушного потока:
• Диапазон измерения: -10 °C … 60 °C
• Разрешение: 0,1 °C
• Погрешность: ± 0,6 °C
Электропитание анемометра:
• Тип элемента питания: батарея Крона (9 В)
• Время непрерывной работы анемометра без замены батареи: 100 ч
Дисплей анемометра:
• Тип дисплея: жидкокристаллический
• Размер дисплея: 37 × 42 мм
• Максимальное значение: 9999
• Габаритные размеры анемометра:
• Измерительный блок: 181 × 71 × 38 мм
• Крыльчатка: 70 мм
Дополнительные характеристики анемометра:
• Подключение к компьютеру: интерфейс RS232 (кабель и ПО в
комплекте)
• Автоматическое отключение электропитания: через 20 мин.
Режимы измерений
• Непрерывное измерение скорости потока
в одной точке с
возможностью фиксации показаний в любой момент.
• Измерение среднего, максимального и минимального значений
скорости в одной точке за определенный период (до 2-х часов).
• Непрерывное измерение расхода воздуха в одной точке (в память
анемометра необходимо вводить площадь поперечного сечения
воздуховода).
• Измерение среднего, максимального и минимального
значений расхода
в одной точке за определенный период.
• Измерение средней по сечению скорости потока путем осреднения по
нескольким точкам (до 8).
Модельный ряд анемометров CFM: анемометр CFM 8901, анемометр
CFM 8903. Анемометр CFM 8901 отличается тем, что в нем крыльчатка и
измерительный блок размещены отдельно и соединены между собой гибким
кабелем длиной 1м. В анемометре CFM 8903 крыльчатка и измерительный
блок выполнены в одном корпусе.
Анемометры CFM позволяет измерять скорость воздушного потока и
объемный расход в жилых и промышленных системах вентиляции.
Анемометры CFM также показывают температуру в °C, что существенно
облегчает анализ работы оборудования. Анемометры обеспечивают вывод на
дисплей показаний среднего значения скорости воздуха за
период времени
продолжительностью до 120 мин. Для подключения к персональному
компьютеру анемометры CFM оснащены портом RS232. Кабель и
программное обеспечение входят в комплект поставки.
Многофункциональные анемометры CFM, надежные, компактные и
легкие, обеспечивают высокую точность измерений, просты в эксплуатации
и обслуживании.
Анемометры CFM предназначены для решения широкого круга
практических задач, связанных с измерением скорости, объемного расхода
и
температуры воздушного потока.
Метод измерения расхода по разности уровней основан на
преобразовании потенциальной энергии положения уровня контролируемой
среды в кинетическую энергию потока.
Вихревой метод измерения скорости потока основан на использовании
зависимости между скоростью потока и частотой следования вихрей. При
помещении твердого тела в поток жидкости возникают
завихрения,
известные под названием вихревой дорожки Кармана.
Рис. 8.2 Образование в потоке газа «дорожки Кармана».
В устройстве, показанном на рисунке, в поток помещен цилиндр, за
которым образуется периодически срывающиеся вихри. При числах
Рейнольдса, превышающих 70, для бесконечно длинного цилиндра
диаметром d связь между частотой вихрей f и скоростью потока v
определяется числом Струхаля:
vdfÑ /
⋅
=
.
Число Струхаля (С) остается неизменным в широком диапазоне чисел
Рейнольдса (Re), поэтому скорость потока может быть определена
измерением частоты следования вихрей.
В общем случае число Струхаля (С) является функцией числа
Рейнольдса (Re). Изменяя форму обтекаемого потоком тела и соотношение
между его размерами и размерами канала, по которому протекает поток,
можно обеспечить
постоянство числа Струхаля и его независимость от числа
Рейнольдса в достаточно широком диапазоне. Регулярный отрыв вихрей
позади помещенного в поток тела вызывает колебания скорости и давления,
что и используется для регистрации частоты следования вихрей.
Вихревые расходомеры (YEWFLO)
В основе принципа действия любого вихревого расходомера лежит
широко известное природное явление - образование вихрей за препятствием,
стоящим на пути потока. При скоростях среды выше определенного предела
вихри образуют регулярную дорожку, называемую «дорожкой Кармана».
Частота образования вихрей при этом прямо пропорциональна скорости
потока.
В широком диапазоне чисел Рейнольдса коэффициент
пропорциональности между
частотой образования вихрей и скоростью
потока практически не зависит от значения числа Рейнольдса. Это позволяет
вихревым расходомерам с хорошей точностью измерять скорость потока
независимо от типа среды.
Основные преимущества вихревых расходомеров
• линейный выходной сигнал
• широкий динамический диапазон измерений
• малая потеря давления
• простота и надежность в эксплуатации
Рабочий диапазон вихревых расходомеров
Нормальный рабочий диапазон вихревых расходомеров соответствует до
скоростей 10 м/с в случае жидкости и 80 м/с в случае газа или пара.
Рабочие среды (среда должна быть однофазной) - газ, пар, вода, чистые
жидкости с низкой вязкостью или умеренно вязкие (до 7 мПа·с), умеренно
коррозионные химикаты, легкие суспензии
.
Основным отличием расходомеров серии «YEWFLO» от других вихревых
расходомеров является принцип измерения частоты образования вихрей. В
вихревых расходомерах YEWFLO вихреобразователь служит одновременно
и чувствительным элементом: При образовании вихря на него действует
изгибающая сила, которая с помощью встроенных пьезодатчиков
преобразуется в электрическийсигнал. Переменное усилие, возникающее при
регулярном образовании вихрей, таким образом, приводит к
переменному
электрическому сигналу на выходе, частота которого соответствует частоте
образования вихрей.
Такая конструкция дает целый ряд преимуществ:
• расходомеры обладают большой надежностью, поскольку
пьезодатчики не контактируют со средой,
• обеспечивается повышенная устойчивость к турбулентности потока,
что снимает необходимость точного соответствия внутренних
диаметров труб и расходомера,
• снижает требования к протяженности
линейных участков до и после
расходомера.
Кроме того, вихревые расходомеры отличает еще и повышенная
устойчивость к вибрации: исполнение пьезодатчиков (их сегментация и
полярность), с одной стороны, позволяет еще на аппаратном уровне отсекать
основную часть посторонних шумов, не относящихся к полезному сигналу, с
другой стороны – дает расходомеру мощный инструмент для анализа
состояния потока внутри него.