Mir_elektroniki_Datchiki_-_Sharapov_2012

Глава 21. Электрохимические и биохимические датчики

Литература

1.Агейкин Д.И. и др. Датчики контроля и регулирования. — М.: Машиностроение, 1965.

2.Байбаков Ф.Б., Шарапов В.М. Контроль примесей в сжатых газах. — М.: Химия, 1989.

3.Биосенсоры: Основы и приложения / Под ред. Тернера Э., Карубе И., Уилсона Дж. — М.: Мир, 1992.

4.Зимина Г., Лучинин В., Корляков А. Микроаналитическая лаборатория на чипе. — М.: Техносфера, 2006.

5.Иммуноферментный анализ / Под ред. Т.Т. Нго, Г. Ленхофф. — М.: Мир, 1992.

6.Лучинин В.В. Микросистемная техника: Направления и тенденции развития // Научное приборостроение. — 1999. Т. 9. — № 1.

7.Патент РФ RU 2222847. Наносенсорная система/В.А. Карасев, В.В. Лучинин.

8.Патент РФ RU 2229699. Аналитический капиллярный микрочип / Т.М.Зимина, М.Н. Полянский, В.В. Лучинин.

9.Полищук Е.С. Дорожовец М.М., Стадник Б.И., Ивахив О.В., Бойко Т.Г., Ковальчик А. Средства и методы измерений неэлектрических величин: Учебник / Под ред. проф. Е.С. Полищука — Львов: Бескид Бит, 2008. — 618 с. (на укр. яз.).

10.Фрайден Дж. Современные датчики. — М.: Техносфера, 2006.

11.Шведене Н.В. Селективные электроды на органические ионы // Соросовский образовательный журнал. — 2004, № 2.

12.Эггинс Б. Электрохимические и биологические сенсоры.— М.: Техносфера, 2005.— 336 с.

13.Zakrzewski Jan. Czujniki i przetworniki pomiarowe. Podrкcznik problemowe. Gliwice. 2004.

14.Schaumburg H. Sensoren. Band 3. B.G. Teubner Stuttgart: 1992.

15.Schaumburg H. (Hrsg.) Sensoranwendungen. Band 8. B.G. Teubner Stuttgart: 1995.

16.Hoffman Jorg. Tashenbuch der Messtechnic. Leipzig: Fachbuchverlag: 2000.

Глава 22. Расходомеры и счетчики

Рис. 22.1. Классификация расходомеров и счетчиков

В данное главе рассмотрена лишь часть существующих типов расходомеров. С другими типами расходомеров (корреляционных, ионизационных и др.; двухфазных, трехфазных, многокомпонентных сред), а также с более подробным описанием и излагаемых ниже сведений о расходомерах можно ознакомиться по монографиям [1—15], указываемым в списке литературы в конце данной главы.

22.2.Расходомеры переменного перепада давления

22.2.Расходомеры переменного перепада давления

Расходомеры переменного перепада давления основаны на зависимости от расхода перепада давления, создаваемого устройством, которое установлено в трубопроводе, или же самим элементом последнего [2, 13, 15].

Всостав расходомера входят: преобразователь расхода, создающий перепад давления; дифференциальный манометр, измеряющий этот перепад и соединительные трубки между преобразователем и дифманометром. При необходимости передать показания расходомера на значительное расстояние к указанным трем элементам добавляются еще вторичный преобразователь, преобразующий перемещение подвижного элемента дифманометра в электрический, и пневматический сигнал, который по линии связи (проводам или трубкам) передается к вторичному измерительному прибору. Если первичный дифманометр (или вторичный измерительный прибор) имеет интегратор, то такой прибор измеряет не только расход, но и количество прошедшего вещества.

Взависимости от принципа действия преобразователя расхода данные расходомеры подразделяются на шесть самостоятельных групп, внутри которых имеются конструктивные разновидности преобразователей.

Расходомеры с сужающими устройствами — важнейшие среди расходомеров переменного перепада давления. Они уже давно нашли применение в качестве основных промышленных приборов для измерения расхода жидкости, газа и пара. Они основаны на зависимости от расхода перепада давления, создаваемого сужающим устройством, в результате которого происходит преобразование части потенциальной энергии потока в кинетическую. Имеется много разновидностей сужающих устройств. Так, на рис. 22.2, а и б показаны стандартные диафрагмы, на рис. 22.2, в — стандартное сопло, на рис. 22.2, г, д, е — диафрагмы для измерения загрязненных веществ — сегментная, эксцентричная и кольцевая. На следующих семи позициях рис. 22 показаны сужающие устройства, применяемые при малых числах Рейнольдса (для веществ с большой вязкостью); так, на рис. 22.2, ж, з, и изображены диафрагмы — двойная,

свходным конусом, с двойным конусом, а на рис. 22.2, к, л, м, н — сопла: полкруга, четверть круга, комбинированное и цилиндрическое. На рис. 22.2, о изображена диафрагма с переменной площадью отверстия, автоматически компенсирующая влияние изменения давления и температуры вещества. На рис. 22.2, п, р, с, т приведены расходомерные трубы — труба Вентури, сопло Вентури, труба Далла и сопло Вентури с двойным сужением. Для них характерна очень малая потеря давления.

Расходомеры с гидравлическим сопротивлением основаны на зависимости от расхода перепада давления, создаваемого гидравлическим сопротивлением. Режим потока в таком сопротивлении стремятся создать ламинарным с той целью, чтобы перепад давления был бы пропорционален расходу. Применяются подобные расходомеры преимущественно для измерения малых расходов, когда сопротивлением является одна или несколько капиллярных трубок (рис. 22.2, у). Для больших расходов применяют иногда сопротивления с шариковой (рис. 22.2, ф) или другой набивкой.

Глава 22. Расходомеры и счетчики

Рис. 22.2. Первичные преобразователи расходомеров переменного перепада давления

Центробежные расходомеры созданы на основе зависимости от расхода перепада давления, образующегося в закруглении трубопровода в результате действия центробежной силы в потоке. В качестве преобразователей применяется колено (рис. 22.2, х) или (значительно реже) кольцевой участок трубы (рис. 22.2, ц). Чаще всего они служат для измерения расхода воды и реже — газа.

Расходомеры с напорным устройством, в котором создается перепад давления в зависимости от расхода в результате местного перехода кинетической энергии струи в потенциальную. На рис. 22.2, ч показан преобразователь, состоящий из трубки Пито и трубки для отбора статического давления, а на рис. 22.2, ш — преобразователь с дифференциальной трубкой Пито, в которой имеются отверстия для отбора полного и статического давлений. Кроме этих преобразователей, служащих для измерения местной скорости, встречаются преобразователи с осредняющими (или интегрирующими) напорными трубками. Обычно усред-

22.2. Расходомеры переменного перепада давления

нение полного давления ведется по диаметру (рис. 22.2, щ) или по радиусу, а при сильно деформированных потоках — по двум перпендикулярным диаметрам. В соответствующих трубках имеется ряд отверстий для приема полного давления. Использование осредняющих напорных трубок особенно целесообразно для измерения расхода воды и газа в трубопроводах большого диаметра. Кроме того, предложены кольцевая вставка (рис. 22.2, э) для усреднения давления по кольцевой площади и напорное поворотное крыло с двумя отверстиями (рис. 22.2, ю), ориентированными различным образом к потоку.

Расходомеры с напорным усилителем имеют преобразователь расхода, в котором сочетаются напорное и сужающее устройство. Перепад давления в них создается как в результате местного перехода кинетической энергии струи в потенциальную, так и частичного перехода потенциальной энергии в кинетическую. Соответствующие преобразователи показаны на рис. 22.2, я (сочетание диафрагмы и трубки Пито), на рис. 22.2, б (комбинация трубок Пито и Вентури) и на рис. 22.2, в (сдвоенная трубка Вентури).

Напорные усилители применяются в основном при небольших скоростях газовых потоков, когда перепад давления, создаваемый напорными трубками, не достаточен.

Расходомеры ударно струйные основаны на зависимости от расхода перепада давления, возникающего при ударе струи. Струя, вытекающая из суженного отверстия входной трубки, создает давление во внутренней полости сильфона, снаружи которого действует меньшее давление, равное давлению уходящей жидкости в выходной трубке. Ударно-струйные расходомеры применяются лишь для измерения малых расходов жидкости и газа.

Зависимость между расходом и перепадом давления у сужающего устройства

На рис. 22.3 схематически изображено движение потока жидкости или газа через отверстие диафрагмы — наиболее распространенной разновидности сужающего устройства. Диафрагма — тонкий диск с круглым отверстием диаметром d, ось диска должна как можно точнее совпадать с осью трубопровода. Через А-А обозначено сечение, от которого начинается сужение струи и, следовательно, постепенное возрастание средней скорости хa потока. Максимального значения хb эта скорость достигает в месте наибольшего сжатия струи в сечении В-В, которое расположено после диафрагмы на расстоянии, зависящем от отношения d/D и приблизительно равном 0,5D, где D — диаметр трубы. Возрастание средней скорости от хa до хb, а, следовательно, и соответствующей кинетической энергии происходит за счет уменьшения начального давления ра до давления рb в горле (наименьшем сечении) струи. Это падение давления показано на рис. 22.3 штрихпунктирной кривой. После сечения В-В струя постепенно расширяется и в сечении С-С вновь достигает стенок трубы. При этом скорость потока будет уменьшаться, а давление возрастать.

Если измеряемое вещество — жидкость, плотность которой с практически не зависит от давления, то в сечении С-С скорость хc станет равной начальной скорости хa, но давление р0 будет меньше начального ра вследствие потери энергии при прохождении жидкости через сужающее устройство. Основная часть этой потери давления происходит в мертвых зонах за диафрагмой. Струя, текущая с большой скоростью, увлекает с собой прилегающие частицы из этих зон и создает некоторое падение давления в них, что вызывает частич-

Глава 22. Расходомеры и счетчики

Рис. 22.3. Изменение давления р и средней скорости х потока при прохождении через диафрагму

ное движение жидкости вдоль стенок от сечения С-С к сечению В-В. В результате в мертвых зонах возникает сильное вихреобразование и происходит потеря потенциальной энергии. Остаточная потеря давления (ра — рс) у диафрагм составляет от 40 до 90% от перепада давления (ра — рb), возрастая с уменьшением относительного диаметра диафрагмы Р = d/D. Потеря же давления от трения и ударов в самой диафрагме составляет не более 2% от (ра — рb).

Совместное решение уравнения, выражающего закон сохранения энергии,

и уравнение неразрывности струи

дает возможность получить зависимость между массовым Qм или объемным Q0 расходом и перепадом давления (ра — рb) между сечениями А-А и В-В или перепадом давления (р1 — р2) между какими-либо другими сечениями, находящимися с разных сторон от диафрагмы.

Величина б называется коэффициентом расхода сужающего устройства.

22.2. Расходомеры переменного перепада давления

Формулы расхода (22.3) и (22.4) справедливы для жидкостей. При измерении расхода газа или пара эти формулы умножают на поправочный множитель е, который учитывает уменьшение плотности вещества при прохождении его через сужающее устройство.

Тогда (в общем случае) уравнения массового расхода Qм (кг/с) и объемного расхода Q0 (м3/с) принимают вид:

При е = 1 из этих уравнений (как частный случай) получаются уравнения (22.3) и (22.4).

Таким образом, между расходом (Qм или Q0) и перепадом давления Др имеется квадратичная зависимость. Это существенный недостаток, потому что его следствие — очень малый диапазон измерения расходомера (Qmax/Qmin = 1/3 Χ Χ 1/4). Так, при расходе Q = 0,25 Qmax измеряемый перепад составляет лишь 6,25 % от Дpmax. В связи с этим точность расходомерного дифманометра обычно гарантируется только в пределах от 30 до 100 % от Qmax. Это вызывает осложнения при измерении расходов, изменяющихся в широких пределах.

Различные конструкции стандартных диафрагм и сопел описаны в ИСО 5167, а также в Правилах РД50-213-80.

Сужающие устройства для малых чисел Рейнольдса

Стандартные диафрагмы и сопла не применяются для небольших чисел Re, потому что в области этих чисел их коэффициент расхода а сильно зависит от числа Re. Для диафрагм эта область в зависимости от т простирается вплоть до Re = 104 Χ 2,6·105, а у сопел — до 6·104 Χ 2·105. Однако вязкие вещества (в том числе и нефтепродукты) имеют числа Re порядка 102 Χ 104.

На рис. 22.4 показано, что в области 2 при малых числах Re коэффициент истечения С и коэффициент расхода а у диафрагм увеличиваются с уменьшением Re, а у сопел, наоборот, уменьшаются. В связи с этим сужающие устройства, которые могли бы сохранять постоянство а в этой области чисел, дол-