Манометрический способ измерения температуры.

⇐ ПредыдущаяСтр 6 из 18Следующая ⇒

Приняты следующие обозначения:

1 – баллон, находящийся в месте измерения;

2 – рабочая легкокипящая жидкость (фреон);

3 – капилляр;

4 – сильфонная камера;

5 – шток;

6 – стрелочный указатель;

7 – преобразователь перемещения в электрический сигнал (потенциометр).

Рис. 2.16.

8 – показывающее устройство

В качестве рабочей жидкости применяется фреон, который легко воспламеняется и имеет хороший коэффициент расширения.

Принцип действия:

При повышении температуры баллона внутри него повышается давление. Сильфон изменяет свои размеры, и механическое перемещение через шток 5 передается на стрелочный указатель и преобразователь 7.

Измерение расхода

Измерение расхода (flow rate) играет жизненно важную роль в промышленности. Несмотря на большую потребность в качественных датчиках расхода, точность этих устройств до сих пор оставляет желать лучшего. Однако постоянно повышающиеся требования к качеству продукции во многих областях производства обусловливает необходимость прямых и точных методов измерения расхода. Иногда оправдано применение даже очень дорогих датчиков. а*1

Измерение расхода базируется на физических свойствах движущейся жидкости связанных либо с массой, либо с объемом. В случае однородной несжимаемой жидкости эти два показателя связаны через плотность р:

Однако многие жидкости, применяемые в промышленности, не имеют постоянной плотности, или ее трудно определить. Примером является сырая нефть, представляющая собой на выходе из скважины смесь собственно нефти (которая сама по себе - сложная смесь жидких и твердых углеводородов), воды, песка, других сопутствующих веществ, растворенного воздуха и пузырьков попутного газа. Большинство методов измерения расхода основано на объемных показателях. Ниже кратко рассмотрены некоторые из них, а также методы, связанные с измерением массового расхода. Во многих случаях интерес представляет не только мгновенное значение расхода, но и общее количество жидкости, прошедшее через точку измерения (например, для расчета платежей). Измерительный прибор в этом случае называется расходомером (flowmeter).

Измерение объемного расхода

Объемный расход можно определить на основе скорости истечения потока. Связь между этими величинами однозначно определяется геометрией сечения трубы, где производится измерение, поэтому их взаимный пересчет легко выполняется с помощью калибровочной таблицы, поставляемой производителем датчика. Для измерения объемного расхода можно использовать следующие физические принципы:

o разность давлений;

o скорость вращения турбины;

o распространение ультразвука в жидкости;

o магнитную индукцию;

o интенсивность образования вихрей.

Датчики расхода, основанные на измерении разности давлений, работают в соответствии с законом Бернулли. Движущаяся в трубопроводе жидкость имеет постоянный объемный расход во всех сечениях. Даже если трубопровод имеет сужение, то массовый и объемный расход должны оставаться одинаковыми. Чтобы удовлетворить законы сохранения энергии и количества движения, в месте сужения скорость и статическое давление жидкости должны отличаться от остальных сечений трубопровода. В соответствии с законом Бернулли в месте сужения скорость движения жидкости увеличивается, а давление падает. По величине перепада давления ∆ р = р1-р2 можно рассчитать скорость жидкости. Расход пропорционален sqrt(∆ р); коэффициент пропорциональности зависит от геометрии сужения.

Измерение при помощи шайбы

На пути потока ставится шайба (диск с отверстием в центре, края отверстия специально обработаны для получения высокой точности). Создается разность давлений, которая связана зависимостью с расходом. В отличие от трубы Вентури искусственное сопротивление на пути потока здесь создается шайбой. Это наиболее распространенный способ измерения расхода.

Рис. 2.17.

Преимущества – простота конструкции.

Недостатки – большие потери давления, малый диапазон измеряемых расходов, относительно небольшой срок службы. При наличии в потоке твердых включений кромки «шайбы» притупляются; для точного измерения расхода необходимо создать большой перепад давления, что приводит к энергетическим потерям.

В месте сужения всегда присутствуют потери на трение, которые можно уменьшить за счет выбора гидродинамически обтекаемой формы. Примером такого устройства является труба Вентури(рис. 2.18), которая состоит из сужающегося и расширяющегося сопел. Такая конструкция приводит к уменьшению вихреобразования при прохождении потока через наименьшее сечение и позволяет пренебречь потерями на трение. Трубки Вентури обычно используются для измерений больших расходов в открытых каналах; однако их стоимость, как правило, выше, чем стоимость обычных дифференциальных расходомеров.

Труба Вентури.

Здесь v1> v2. Разность давлений измеряем с помощью дифференциального манометра, к которым подводятся трубки.

Преимущества – создает меньше потери давления.

Недостатки – сложная конструкция.

Рис. 2.18.

Турбинные расходомеры. Расход можно измерить турбиной со счетчиком частоты вращения, поскольку он пропорционален скорости вращения. Обычно этот принцип применяется в расходомерах, которые выдают импульс при прохождении через турбину определенного количества жидкости. Такой измеритель можно использовать только для чистых жидкостей, так как любые твердые частицы будут мешать вращению турбины.

Варианты конструкций:

Турбина в виде пропеллера или мельничного колеса. На выходе электрический сигнал (синусоидальный, прямоугольный и др. в зависимости от применяемых первичных преобразователей), изменяющийся пропорционально скорости потока.

Рис. 2.19.

На выходе может быть и неэлектрический сигнал. В пример этому случаю можно поставить квартирные счетчики воды, газа и др.

Ультразвуковые расходомеры. Простой способ измерения объемного расхода основан на свойствах распространения ультразвука в жидкости. В результате ультразвукового измерения можно получить среднюю скорость жидкости, которая определяется по скорости распространения ультразвуковых волн. В предположении, что эта скорость равна средней скорости движения жидкости (скорость считается средней потому, что в действительности она неравномерно распределена по сечению и меняется от точки к точке), объемный расход получается простым умножением полученной скорости на площадь сечения трубопровода.

Ультразвуковое измерение выполняется с помощью двух пьезоэлектрических преобразователей, помещенных по разные стороны трубы на расстоянии (вдоль оси трубы) по крайней мере 100 мм друг от друга; они могут работать как в режиме излучения (прямом), так и в режиме отражения (рис. 2.20).

Существуют два основных способа ультразвуковых измерений: один основан на определении времени прохождения волны через жидкость, другой — на изменении частоты.

Первый способ связан с измерением разницы по времени распространения последовательности импульсов в жидкости (скорость звука зависит от вида жидкости; она

составляет 344 м/с в воздухе при комнатной температуре и 1483 м/с в воде). Сначала первый пьезопреобразователь генерирует группу импульсов, а второй принимает, затем они меняются ролями: второй преобразователь становится излучателем, а первый - приемником. В одном случае составляющая скорости жидкости v*cosα увеличивает время пробега волны, в другом - уменьшает. Исходя их двух измерений, можно определить среднюю скорость жидкости v.

Рис. 2.20. Принцип ультразвукового измерения расхода:

а — прямой метод; б — метод отражения

Второй способ основан на разности частот излученных и принятых импульсов Составляющая v*cosα скорости жидкости влияет на длину волны ультразвуковых импульсов (эффект Доплера), что означает, что их частота увеличивается в одном направлении и уменьшается в другом. Из разности частот можно найти среднюю скорость жидкости. Достоинство этих способов состоит в том, что результат не зависит от скорости распространения звука в конкретной жидкости и поэтому не требуется специальной градуировки устройства, поскольку измерения в разных направлениях компенсируют друг друга. В обоих случаях, однако, на результат измерении влияют неоднородность жидкости, пузырьки или твердые частицы.

Другое преимущество ультразвуковых измерений состоит в том, что датчики легко монтируются на трубе (существуют даже переносные приборы), не требуют изменения ее конструкции, не влияют на характеристики потока (нет потерь давления в месте установки датчика). Точность измерений такая же, как и для датчиков других типов, - в пределах 0.5-1 % от измеряемой величины.

Магнитные датчики расхода работают на основе закона Фарадея, который утверждает, что в проводнике, движущемся в магнитном поле, возникает ЭДС, величина которой прямо пропорциональна индукции магнитного поля и скорости движения проводника; ЭДС ориентирована в пространстве перпендикулярно направлению поля и движению проводника. При магнитном измерении расхода проводник образуется движущимися ионами электропроводящей жидкости; проводимость жидкости должна составлять по крайней мере 0.1 мкСм/см. Магнитное поле создается двумя обмотками, расположенными по разные стороны трубы, питающимися переменным или пульсирующим постоянным током. ЭДС, индуцируемая в жидкости, измеряется двумя изолированными электродами; она пропорциональна расходу. Можно показать, что ЭДС между противоположными точками трубы мало зависит от распределения скоростей по сечению трубы (профиля скорости). Поскольку принято, что сечения трубы постоянно, то выходное напряжение пропорционально расходу.

Вихревые расходомеры. Следующий способ измерения расхода жидкости в трубе основан на эффекте фон Кармана (von Kdrmin). Если тело определенной формы помещено в поток жидкости, то в кильватерной струе возникает турбулентность, порождающая области с переменным давлением, которые можно обнаружить датчиками. Частота вихрей, попеременно срывающихся с граней плохообтекаемого тела, прямо пропорциональна скорости жидкости, а, следовательно, и объемному расходу.

Один из способов съема сигнала – механически соединить лопатку с пьезокристаллом, и снимать с его обкладок напряжение с частотой пропорциональной частоте срыва вихрей. Другие способы съема сигнала:

Замыкание-размыкание

Рис. 2.22.

Фиксирование частоты вихреобразования с помощью датчиков давления:

Рис. 2.24.

Рис. 2.23.

Фиксирование частоты вихреобразования с помощью ультразвука.

Возмущенный поток искажает сигнал, в результате УЗ-сигнал будет модулированным (fнес> fинф.сигнал) fвихр.=1Гц…1.5÷ 2кГц.

Измерение массового расхода

Во многих случаях вместо объемного расхода или скорости жидкости необходимо знать массовый расход. Если известна плотность несжимаемой жидкости, то массовый расход рассчитывается непосредственно по объемному расходу с учетом, если необходимо, температуры, давления и вязкости. На практике, однако, плотность часто неизвестна.

Многие попытки определить массовый расход на основе измерения сил и ускорений потерпели неудачу. Один принцип, однако, получил промышленное применение - это измерение массового расхода на основе гиростатического метода и влияния силы Кориолиса.

Во вращающейся системе на массу, движущуюся вдоль радиуса, действует сила, называемая силой Кориолиса. Направление этой силы перпендикулярно оси вращения и направлению движения массы, а ее величина пропорциональна скорости вращения и радиальной скорости массы. Массовые расходомеры, основанные на измерении силы Кориолиса, дают хорошие результаты, не требуя компенсации давления и температуры.

В прямолинейном участке трубопровода с помощью электромагнита возбуждаются колебания, резонансные собственной частоте трубы или частоте какой-либо ее гармоники. На входе и выходе трубопровода симметрично по отношению к электромагниту размещены приемники для определения фазы колебаний трубы. Когда трубопровод пуст, фазы колебаний совпадают. На любой элемент жидкости, текущей по трубе будет действовать боковое ускорение. Из-за инерции этого элемента колебания на входе будут затухать. По мере прохождения элемента жидкости по трубе, он передает ей накопленную энергию, и ее колебания на выходном конце усиливаются. Фазы сигналов, измеренных на входе и выходе участка трубопровода, будут различаться; разность фаз прямо пропорциональна массовому расходу. Датчики расхода, построенные в соответствии с принципом Кориолиса, очень мало влияют на потери давления в трубопроводах.

Расходомер Кориолиса можно также использовать для измерения плотности жидкости. Для этого определяется собственная частота колебаний заполненного участка трубопровода, которая обратно пропорциональна плотности жидкости.

Расходомеры Кориолиса — непростые устройства и требуют сложных согласующих и обрабатывающих схем. Одно и то же устройство может применяться для измерения и расхода, и плотности. Кроме того, массовые расходомеры Кориолиса не требуют сглаживающих участков труб и обладают высокой точностью (0.5 % от измеряемой величины). Однако эти расходомеры чувствительны к вибрациям и имеют ограничения по способам их установки. Кроме того, они довольно дороги.

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 567 8 9 10 Следующая ⇒