книги из ГПНТБ / Кулаков М.В. Технологические измерения и приборы для химических производств учебник

где k — коэффициент пропорциональности, определяемый из условия

Ь .__ Qmax

К---- гг

птах

Подставляя значение Q из уравнения (150) в уравнение (149), получим

Форма отверстия истечения, построенная по уравнению (152), показана на рис. 158.

Как следует из уравнения (152), при у —>0 ширина отверстия

начальная часть отверстия истечения выполняется прямоуголь­ ной формы с шириной x t (рис. 158). Этот начальный участок

220

с неравномерной шкалой составляет небольшую величину, по­ рядка 5— 10% Qmax.

Коэффициент расхода щелевого расходомера зависит от гео­ метрической формы щели и особенно от остроты входной кромки

тельного элемента с измеряемой средой и обусловленная этим безвозвратная потеря давления потока измеряемой среды. Суще­ ствующие приборы для измерения расхода часто также недоста­ точно точны, не удовлетворяют все повышающимся требованиям к стабильности показаний, надежности работы и простоте обслу­ живания.

Специфические особенности процессов химической техноло­ гии вызывают необходимость применять вспомогательную аппа­ ратуру для защиты приборов от корррозии, отделять их от взрыво­ опасных и токсичных сред.

Применение разделительных сосудов, продувка нейтральным газом, изготовление сужающих устройств из специальных мате­ риалов и применение других специальных защитных устройств — все это в значительной степени уменьшает точность и снижает надежность работы приборов.

221

В последнее время был создан ряд принципиально новых, в том числе и бесконтактных методов и приборов для измерения расхода. Ниже рассматриваются некоторые из этих методов и при­

звуковые расходомеры, калориметрические расходомеры.

§ 57. Электромагнитные (индукционные) расходомеры

Принцип действия электромагнитных расходомеров основан на измерении э. д. с., индуктируемой в потоке электропроводной жидкости (кислоты, щелочи, соли) под действием внешнего магнит­ ного поля.

Принципиальная схема электромагнитного расходомера пока­ зана на рис. 159. Трубопровод из немагнитного материала (фто­ ропласта, эбонита и др.) с перемещающейся

где В — магнитная индукция в зазоре между полюсами магнита; d — внутренний диаметр трубопровода (длина проводника);

следует, что при однородном магнитном поле величина э. д. с. прямо пропорциональна объемному расходу. В настоящее время электромагнитные расходомеры применяются лишь для жидкостей с электропроводностью не ниже 10" 3— 10-5 См/м.

Существенные и основные недостатки электромагнитных рас­ ходомеров с постоянным магнитным полем — возникновение на

222

электродах гальванической э. д. с. и э. д. с. поляризации — за­ трудняют или делают совсем невозможным правильное измерение э. д. с., индуктируемой магнитным полем в движущейся жидкости (о гальванической э. д. с. и э. д. с. поляризации см. подробнее стр. 258—261). Поэтому расходомеры с постоянным магнитным полем применяются лишь при измерении расхода жидких металлов, пульсирующих потоков жидкости и при кратковременных изме­ рениях, когда поляризация еще не успевает оказать заметное влияние.

В настоящее время в подавляющем большинстве электромагнит­ ных расходомеров применяется переменное магнитное поле. Если магнитное поле изменяется во времени т с частотой /, то величина э. д. с. (для тру­ бопровода круглого сечения)

Е — Втах dvcр sin 2л/'т,

или

учитывает процесс поляризации электродов, который все же проявляется на промышленной частоте, используемой в расходо­ мерах.

В современных электромагнитных расходомерах (Э. М. Р.) усиление сигнала, снимаемого с преобразователя, осуществляется с помощью электронного усилителя с большим входным сопроти­ влением. При этом условии в большинстве случаев изменение

223

сопротивления преобразователя вследствие изменения параметров измеряемой среды не сказывается на показаниях. Это— важное преимущество электромагнитных расходомеров.

В расходомерах с переменным магнитным полем возникают помехи как в преобразователе, так и вне его. В основном на погрешность измерения влияют следующие помехи:

1)паразитные наводки от внешних цепей;

2)емкостные от переменного тока, питающего электромагнит;

3)индукционные («трансформаторные») от магнитного поля

преобразователя.

Первые две помехи удается устранить экранированием при­ бора.

В преобразователе Э. М. Р. столб жидкости между электро­ дами и выводы электродов, замкнутые через измерительный прибор, образуют контур, в котором, как в обмотке трансформа­ тора, переменное магнитное поле наводит трансформаторную э. д. с., не зависящую от скорости движения жидкости (расхода).

Эта э. д. с.

Ет— 52л/Вгаах cos 2я/т,

где S — площадь контура, перпендикулярная магнитному полю. Из последнего выражения видно, что трансформаторная э. д. с.

пропорциональна частоте тока и сдвинута по фазе 'относительно полезного сигнала на угол 90°. При снижении частоты до 10 Гц трансформаторную э. д. с. удается свести к минимуму. Однако снижение частоты значительно усложняет прибор. Получили распространение Э. М. Р., использующие промышленную частоту

(50 Гц).

С трансформаторной э. д. с. борются различными способами. Один из способов (рис. 161, а) заключается в применении двух индукционных преобразователей (с самостоятельными маг­ нитами), включенных таким образом, что магнитные поля в них направлены в противоположные стороны. Дополнительные э. д. с. взаимоиндукции при' этом (как равные по величине и по фазе,

На рис. 161, б показан способ компенсации транформаторной э. д. с. с использованием фазовращателя и делителя напряжения. Изменяя величину сопротивления Rn, включенного в одно из плеч фазовращателя, добиваются совпадения фазы трансформа­ торной э. д. с. и напряжения, подаваемого на делитель Ra. С дели­ теля снимается напряжение, равное по величине и фазе, но про­ тивоположное по направлению трансформаторной э. д. с.

Комплект общепромышленного Э. М. Р. состоит из преобра­ зователя расхода и измерительного блока. Конструктивно пре­ образователь включает два узла — трубу и электромагнит. Пре­ образователь содержит также контур для подавления трансфор­ маторной э. д. с.

224

Первый метод основывается на измерении разности фазовых сдвигов двух ультразвуковых колебаний, направленных по потоку и против него. Приборы для измерения этим методом называются фазовыми расходомерами. Второй метод основывается на изме­ рении разности частот повторения коротких импульсов или паке­ тов ультразвуковых колебаний, направленных по потоку и про­ тив него. Эти приборы называются частотными расходомерами.

Фазовые расходомеры* Если ультразвуковые колебания рас­ пространяются по направлению скорости потока, то они проходят расстояние L за время

пластины титаната бария, обладающие наиболее высоким пьезо­ модулем по сравнению с другими пьезоэлектриками.

Пьезоэлемент 1 механическим переключателем 7 подключен к генератору 3 высокочастотных синусоидальных электрических колебаний. Пьезоэлемент преобразует электрические колебания в ультразвуковые, которые направляются в контролируемую среду через стенки трубопровода.

Пьезоэлемент 2 воспринимает ультразвуковые колебания, про­ шедшие в жидкости расстояние L, и преобразует их в выходные электрические колебания. Электрические колебания поступают

226

затем на усилитель 4, преобразующий синусоидальные колеба­ ния в прямоугольные. Прямоугольные колебания подаются на одну из сеток лампы 6 фазометра. Генератор 3 подключен ко вто­ рому усилителю 5, от которого прямоугольные колебания посту­ пают на вторую сетку лампы 6.

Сдвиг между прямоугольными колебаниями, поступающими от усилителей 4 и 5 на сетки лампы 6, равен разности фаз между ультразвуковыми колебаниями, создаваемыми пьезоэлементом 1\

Очевидно, сдвиг фаз при распространении колебаний по по-

т. е. подключить пьезоэлемент 2, последний становится преобра­ зующим, а пьезозлемент 1 — воспринимающим (частота переста­ новки переключателя 10 Гц).

Сдвиг фаз при распространении колебаний против потока

Анодный ток через лампу 6 проходит лишь тогда, когда на обеих сетках будет положительное напряжение. Между конден­ саторами Сх и С2 включен высокоомный вольтметр 8, который

f = - у — частота ультразвуковых колебаний.

Из уравнения (157) следует, что чувствительность прибора возрастает с увеличением частоты ультразвуковых колебаний. Обычно для схем, подобных показанной на рис. 162, берут f = = 100-т-500 кГц. Наличие в схеме механического переключателя ограничивает возможность измерения быстроменяющихся рас-

Рис. 163. Блок-схема частотно-пакетного расходомера

ходов вследствие небольшой частоты переключений (порядка 10Гц). Кроме того, механический переключатель является источником емкости паразитной связи между пьезоэлементами, что может привести к возникновению дополнительных погрешностей.

Эти недостатки можно исключить, если в трубопроводе уста­ новить две пары пьезоэлементов так, чтобы в одной паре излу­ чатель непрерывно создавал колебания, направленные по потоку, а в другой — против потока. В таком расходомере на фазометр будут непрерывно поступать два синусоидальных колебания, фазовый сдвиг между которыми пропорционален скорости потока.

Ультразвуковые частотные расходомеры. Принцип действия этих расходомеров основан на измерении разности частот повто­ рения коротких импульсов или пакетов ультразвуковых коле­ баний, направленных одновременно по потоку жидкости и против него. Используемые в этом методе приборы называются частот­ ными (частотно-пакетными) расходомерами.

Блок-схема частотно-пакетного расходомера показана на рис. 163.

Генераторы Г, создающие синусоидальные колебания высо­ кой частоты (10 МГц), подают последние через модуляторы М

228

на излучающие пьезоэлементы П х и Я 3. Пьезоэлемент П х создает направленные ультразвуковые излучения (с частотой 10 МГц), которые воспринимаются пьезоэлементом Я 2. В случае неподвиж­ ной жидкости время распространения излучений при расстоянии L между пьезоэлементами

Если жидкость перемещается по трубе со скоростью v, то составляющая скорости в направлении движения ультразвуко­ вых колебаний будет v cos 0. Следовательно, время перемещения колебаний между пьезоэлементами Я х и Я 2 по потоку жидкости

Соответственно время перемещения колебаний между пьезо­

а — v cos 0 '

Модулятор совместно с двумя пьезоэлементами и усилителемпреобразователем УП включены в схему периодического модули­ рования. Как только первые колебания, поступающие на при­ емные пьезоэлементы Я 2 и Я4, достигнут модуляторов, работаю­ щих в триггерном режиме, они запирают генератор от пьезоэле­ ментов Я j и Я 3 и излучение ультразвуковых колебаний прекра­ щается. Оно возобновляется в те моменты, когда последние ультра­ звуковые колебания первых пакетов достигнут приемных пьезо­ преобразователей и генерация последними электрических коле­ баний прекратится. В эти моменты модуляторы вновь открывают проход электрических колебаний от генератора к приемным пьезоэлементам и процесс повторится. Частота модулирования сигналов будет зависеть от скорости потока и от того, направлены ультразвуковые колебания по потоку или против него.

Разность частот, определяемая пересчетной схемой ПС, будет пропорциональна величине скорости движения жидкости:

поэтому

А/ = /i — / а = kv.

Разность А/ регистрируется прибором РП.

Разность частот прямо пропорциональна скорости о и не зави­ сит от скорости распространения звука в среде. Это является преимуществом частотного метода, так как исключается воздей­

2 2 9