§ 10. Воспринимающие элементы расхода и уровня

Объемные расходомеры. К ним относят: тахометрические, уль­тразвуковые, индукционные, тепловые, оптические и др. (рис. 19, а, д).

Тахометрические расходомеры с устройствами реги­страции частоты вращения ротора получили распространение в раз­личных областях техники. Эти устройства пригодны для измере­ния расходов веществ вне зависимости от их физических свойств. У тахометрических датчиков (рис. 19, а) в потоке устанавливается легкая сбалансированная крыльчатка 3 с малым трением при вра­щении в подшипниках 2. Частота вращения однозначно связана с расходом при стационарном режиме и несжимаемых жидкостях. В катушке 4 индуктируется ЭДС, измеряемая прибором 1. В дру­гих случаях необходимо учитывать плотность среды. Крыльчатка может быть тангенциальной или аксиальной. Число оборотов из­меряют с помощью счетчика: электромагнитного, электрического, фотоэлектрического, радиоактивного или другого преобразова­теля.

Существуют объемные датчики, основанные на пропуске по­стоянного объема вещества за один оборот воспринимающего эле­мента. Число оборотов овальных шестерен передается счетному механизму.

Индукционные воспринимающие элементы являются основой электромагнитных (индукционных) расходемеров. Прин­цип действия основан на измерении ЭДС, индуцируемой в потоке электропроводящей жидкости под действием внешнего магнитного поля (рис. 19, д). Е = — BdV, где В — магнитная индукция в за­зоре между полюсами магнита; d — внутренний диаметр трубо­провода (длина проводника); V — средняя скорость потока жидко­сти. Выразив через объемный расход Q скорость V, получим Е = = — (4B/ d) Q.

Расходомеры с постоянными магнитами применяют для изме­рения расхода пульсирующих потоков. В основном используют электромагнитные расходомеры с переменным магнитным полем.

Если магнитное поле изменяется во времени t с частотой f, то величина ЭДС определится

Рис. 19. Расходомеры: тахометрические (а) переменного перепада давления

нормального сопла (б), сопла Вентури (в), постоянного перепада давления

(ротаметры) (г), индукционные (д)

Эти расходомеры применяют для жидкостей с проводимостью не ниже 10^-5 См/м. Устройства безынерционны, их показания не зависят от свойств измеряемой жидкости (вязкость, плотность) и от характера потока (ламинарный, турбулентный).

Массовые расходомеры. К ним относят расходомеры перемен­ного и постоянного перепада. Воспринимающие элементы расхода переменного перепада давления измеряют рас­ход по перепаду давления Р = Р₁—Р₂ до и после диафрагмы, нормального сопла (рис. 19, б) или сопла Вентури (рис. 19, в), который уменьшается в зависимости от количества пропускаемого вещества

где Q_o — объемный расход; Р— перепад давления; — коэффи-

циент расхода; — коэффициент расширения струи; F_о — пло­щадь отверстия сужающего элемента, м²; S — плотность среды, кг/м³. Массовый расход [кг/с]. Наи-

более распространенным и изученным методом измерения расхода жидкости, пара и газа является метод переменного перепада.

Воспринимающие элементы постоянного перепада давления (рис. 19, г) представляют собой устройство, состоящее из поплавка и конусной трубки. Поток жидкости или газа поднимает поплавок до тех пор, пока расширяющаяся кольцевая щель не достигнет

Рис. 20. Воспринимающие элементы уровня:

а, б, в, г — гидростатический, емкостный, индуктивный, резистивный; д — радиоизотоп­ный; е — пьезометрический; ж — релейный

величины, при которой действующие на поплавок силы F_B и F_TP уравновешиваются, и он устанавливается на определенной высоте h в зависимости от расхода. Такие приборы, называемые рота­метрами, наиболее распространены. Ротаметры выполняются со стеклянной или металлической трубкой. Шкала линейная. Мо­гут применяться с электрической или пневматической дистанцион­ной передачей. Передаточная функция W_u (р) = h/ Q = К_и.

Измерительные устройства уровня. Целью измерения уровня жидкости может быть определение количества жидкости в емкости или контроль за положением уровня в производственном аппарате.

Используемые в технике измерители уровня (или методы изме­рения уровня) можно классифицировать на следующие группы: гидростатические, весовые, емкостные, индуктивные, резистор-ные, акустические, радиоизотопные. Каждой из указанных групп соответствует свой воспринимающий элемент.

Гидростатический метод (рис. 20, а) основан на за­висимости гидростатического давления от уровня жидкости. Со­ответственно используются воспринимающие элементы давления.

Весовой метод заключается в непосредственном взвешива- нии емкости со средой при помощи тензодатчиков или других эле­ментов, воспринимающих усилия.

Емкостный, индуктивный и резистивный методы основаны на зависимости электрической емкости 1 конден­сатора, индуктивности катушки или активного сопротивления ре­зистора 2, расположенных в емкости от уровня h среды в нем (рис. 20, б—г).

Акустический метод основан на свойстве ультразвуко­вых колебаний отражаться от границы раздела двух сред. Излуча­тель может быть установлен над поверхностью среды или на дне емкости.

Радиоизотопный метод (рис. 20, д) основан на изме­рении интенсивности излучения радиоизотопов 3 при его прохож­дении через слой среды 4, уровень которой измеряется. Этот метод широко применяют в деревообработке при контроле уровня стружки в бункерах. Можно использовать пьезометрический датчик (рис. 20, e) для жидкостей, состоящий из трубки 5, через которую поступает сжатый воздух, или релейный (рис. 20, ж) для сыпучих материалов, который включает мембрану 6 и контактную группу 7.

§ И. ВОСПРИНИМАЮЩИЕ ЭЛЕМЕНТЫ ВЛАЖНОСТИ

Влажностью материала называют процентное содержание в нем воды по отношению к весу абсолютно сухого материала (абсолют­ная влажность) или по отношению к весу влажного материала (от­носительная влажность).

Для автоматического определения влажности газов чаще всего используют психрометрический метод и метод точки росы.

Для определения влажности твердых тел обычно применяют косвенные методы, позволяющие определить влажность путем из­мерения функционально связанной с ней физической величины. Для автоматического непрерывного измерения используют следующие косвенные методы: кондуктометрический, диэлькоме-трический, радиоизотогшый, нейтронный и др.

Психрометрический метод основан на примене­нии психрометров (рис. 21, а), состоящих из двух термометров. Один термометр мокрый, его тепловоспринимающая часть все время остается влажной, соприкасаясь с гигроскопическим телом, вса­сывающим воду из сосуда. При испарении влаги с увлажненной поверхности мокрого термометра температура его понижается. Поэ­тому появляется психрометрическая разность температур сухого (R_tс) и мокрого (R_tм) термометров t_c—t_M.

где Р_м Р_с — соответственно упругость паров, насыщающих ис­пытуемую среду при t_M и t_c; A — психрометрический коэффициент, зависящий от конструкции психрометра.

Относительная влажность выразится уравнением

Измерительная схема психрометра представляет собой два моста, куда подключены сухой термометр R_tc и мокрый R_tм. Падение на­пряжения между точками b и с диагонали с двойного моста про­порционально разности температур сухого и мокрого термометров. Равновесие моста устанавливается автоматически изменением по­ложения движка реостата R_p с помощью двигателя RD.

Кондуктометрический метод. Твердые тела в порах капилляров содержат влагу. Их электрические свойства зависят от влагосодержания. При увлажнении капиллярно-пори­стые тела становятся проводниками, электрическое сопротивление резко снижается до R_x = 10^-2 Ом и определяется уравнением

Рис. 21. Схемы датчиков влажности: психрометра (а), кондуктометрического

влагомера (б)

где R_x — сопротивление; А — постоянная, зависящая от разме­ров и физико-химических свойств; п — показатель степени, зави­сящий от структуры и природы тела; W — влажность материала по массе сухого вещества.

Измерительная схема кондуктометрического влагомера (рис. 21, б) представляет собой уравновешенный мост, в одно плечо которого включается тело 1 с помощью щупов 2. Напряжение, снимаемое с диагонали моста, характеризует влажность. Показа­ния измерения влажности лежат в пределах W = 10—30 %. Ме­тод чувствителен. Показания зависят от размеров тела и темпера­туры.

Диэлькометрический метод основан на зави­симости диэлектрической проницаемости материала от влажности. Большинство капиллярно-пористых тел имеют диэлектрическую проницаемость = 1 6 (у воды = 81, для древесины = = 2,5 + 7).

Для измерения измельченной древесины УкрНИИМОД [19] разработал влагомер ЭВС-У4. Влагомер состоит из высокочастот­ного датчика, измерительного блока и блока питания с показываю­щим устройством. Во влагомере ЭВС-У4 использована зависимость диэлектрической проницаемости древесных частиц от их влажности.