4 Курс / ЭФУСА / ЭФУСА. Авдеев

отсутствие подвижных элементов;

значительное быстродействие – незаменимы для систем регулирования, где не допускается запаздывание;

чистка узла без демонтажа;

физико–химические свойства (температура, плотность, вязкость) не влияют на точность измерения (если они не изменяют электропроводность);

возможность измерения расхода агрессивных и абразивных сред;

применяются для измерения чрезвычайно малых расходов вплоть до 3∙10–9 м3/с и для больших – 3 м3/с;

широчайший диапазон для однотипного устройства 500:1.

Недостатки:

чувствительность измерений к отражающим и поглощающим ультразвук осадкам;

чувствительность к вибрациям; чувствительность к перекосам потока для однолучевых

расходомеров.

2.10.8 Тепловые расходомеры

Тепловые расходомеры могут применяться при измерении небольших расходов практически любых сред при различных их параметрах. Кроме того, они весьма перспективны для измерения расхода очень вязких материалов. Принцип действия их основан на использовании зависимости эффекта теплового воздействия на поток вещества от массового расхода этого вещества.

Тепловые расходомеры могут выполняться по трем основным принципиальным схемам: калориметрические, основанные на нагреве или охлаждении потока посторонним источником энергии, создающим в потоке разность температур; теплового слоя, основанные на создании разности температур с двух сторон пограничного слоя; термоанемометрические, в которых используется зависимость между количеством теплоты, теряемой непрерывно нагреваемым телом, помещенным в поток, и массовым расходом вещества.

Выбор принципиальной схемы измерения зависит от измеряемой среды, необходимой точности, типа используемых термочувствительных элементов и режима нагрева. Для упруго-вязких пластичных веществ, предпочтительным является измерение по схеме термоанемометра с постоянной температурой подогрева потока.

Чувствительными элементами термоанемометрического расходомера (рисунок 2.60) являются резисторы R1 и R2, помещаемые (наматываемые) на стенке трубопровода на некотором расстоянии друг от друга. Манганиновые резисторы R3 и R4 служат для создания мостовой схемы, питаемой от источника напряжения. Сигнал разбаланса, пропорциональный изменению расхода, подается на электронный усилитель ЭУ, где усиливается и после этого управляет вращением реверсивного электродвигателя РД, который, производя перестановку движка компенсирующего переменного резистора Rp, изменяет напряжение питания до тех пор, пока разбаланс в измерительной диагонали

111

моста не станет равным заданному. Мерой расхода могут служить показания амперметра, ваттметра или положение движка Rp.

РД ИП

Рисунок 2.60 – Термоанемометрический тепловой расходомер

С помощью тепловых расходомеров может быть обеспечена точность измерения расхода вязких продуктов ±2 2,5 %.

Для измерения расхода газов используют калориметрические расходомеры, представленные на рисунке 2.61. В состав расходомера входят: 1,2

– термометры сопротивления, 3 – электрический нагреватель. Если пренебречь теплотой, отдаваемой потоком в окружающую среду, то уравнение теплового баланса имеет вид:

qt k QM cp t ,

где qt 0,24 I 2 R количество теплоты, отдаваемое нагревателем жидкости или газу, k поправочный коэффициент на неравномерность распределения температур по сечению трубы, QM массовый расход вещества, cp удельная

112

Рисунок 2.61 – Калориметрический расходомер

Существует два способа измерений расхода: измерение по мощности, потребляемой нагревателем и обеспечивающей постоянную разность температур t ; измерение по разности температур t при постоянной мощности нагревателя (разность температур измеряется термометрами сопротивления, выполненных в виде сетки, что позволяет измерять среднюю температуру по сечению трубопровода). Второй способ является более экономичным, т.к. контролируемая среда нагревается на 1–3 ºС, поэтому даже при больших расходах потребляемая мощность невелика.

Достоинства:

высокая точность измерений ( 0,5 1% );

большой диапазон измерений (10:1);

измерение пульсирующих и малых расходов.

Недостатки:

сложность устройства для автоматического поддержания заданной разности температур и постоянного расхода электроэнергии на нагрев потока.

2.11 Датчики скорости

2.11.1 Оптические датчики

В промышленной измерительной технике требуются очень точные методы определения расхода и скорости потока. При этом допустимые погрешности не должны превышать одного процента, а иногда и одной десятой процента. Оптоэлектронные измерители расхода и скорости работают па оптическом эффекте Доплера (рисунок 2.62), которые используют особый вид рассеяния света.

Луч лазера разделяется светоделительной пластинкой на два отдельных световых пучка, которые фокусируются затем с помощью линзы в протекающей среде. Рассеянный потоком свет попадает затем на фотодетектор

113

(фотоумножитель), где он преобразуется в электрический ток. Усиленный допплеровский сигнал электронным путём преобразуется затем в измерительное напряжение, пропорциональное расходу.

Поток

жидкости

He-Ne-лазер

Рисунок 2.62 – Устройство лазерного допплеровского анемометра для измерения скоростей потоков в трубопроводе

Такой способ измерения расхода довольно дорог, но его достоинство состоит в том, что поток не искажается процедурой измерения и профиль потока может быть измерен с очень хорошим разрешением, так как регистрируется только скорость в точке фокуса.

2.11.2 Крыльчатые датчики потока

Скорость воздушного потока определяется по измерениям частоты вращения крыльчатки (рисунок 2.63 а). Данные приборы являются чувствительными датчиками с точно подогнанными алмазными подшипниками, что обеспечивает высокую точность измерений.

Рисунок 2.63 – а) крыльчатый датчик потока; б) датчик с изменяющимся активным сопротивлением

114

Чувствительность рассматриваемого датчика по отношению к изменению скорости потока газа и жидкости равна:

S R .

v

Следует отметить, что чувствительность изменяется при отклонении потока от перпендикуляра к оси нити. При этом дополнительное приращение сопротивления проволоки, равно:

k1 и k2 – коэффициенты.

Для чистой платины 10 5 ом см , a = (3,8 – 4)×103 ºС и макс=300 ºС; для никеля 0,9 10 5 ом см, 6,2 10 3 ºС и макс 350 ºС.

Зная предельную температуру из уравнения теплового баланса, можно найти необходимый ток накала нити

Входной величиной датчиков данного типа может быть как скорость движения потока газа или жидкости относительно неподвижного твердого тела, так и скорость твердого тела относительно газа или жидкости.

Включение датчика осуществляется по мостовой или дифференциальной схеме. В частности, дифференциальный датчик скорости используется для контроля утечки газа при разрыве или повреждении трубопровода.

В последнее время с большим успехом в датчиках скорости применяются вместо металлических нитей (проволок) термисторы цилиндрической шаровой формы; схемы включения их остаются те же, что и в вышерассмотренных случаях.

Преимущества:

возможны измерения при самых малых скоростях воздушных потоков (т.е. измерение тяги);

возможность измерять скорость потока в разных направлениях.

Недостатки:

чувствительны к механическим повреждениям и загрязнениям окружающей среды;

чувствительны к турбулентным потокам;

высокое потребление тока; ограничения по температуре окружающей среды.

116

2.12Датчики частоты вращения

2.12.1Общие положения

Датчики частоты вращения служат для определения числа оборотов вала двигателя за единицу времени и применяются в регулируемых приводных системах. По принципу действия датчики подразделяются на механические, гидравлические и электрические (тахогенераторы). Первые два типа сегодня применяются крайне редко и в основном используются на старых судах.

Отношение выходного напряжения к частоте вращения ротора называют «чувствительностью тахогенератора» или «коэффициентом преобразования» или «крутизной тахогенератора» и обычно указывается в технической спецификации тахогенератора в милливольтах на оборот в минуту. По этому параметру и выходному напряжению можно определить частоту вращения ротора по формуле:

ω=UВых/k,

где ω – частота вращения ротора в оборотах в минуту, UВых – выходное напряжение тахогенератора, k – коэффициент преобразования.

Требования, предъявляемые к тахогенераторам:

1.Линейность выходной характеристики.

2.Большая крутизна выходной характеристики (чувствительность, при небольшом напряжении частоты вращения выходное напряжение изменяется очень сильно).

3.Малая амплитудная погрешность.

4.Малая фазовая погрешность (для тахогенераторов переменного тока).

5.Минимальная пульсация выходного напряжения (для тахогенераторов постоянного тока).

6.Малый момент инерции ротора.

7.Минимальная масса и габариты.

8.Выходное напряжение должно принимать одинаковые абсолютные значения при вращении вала тахогенератора в разных направлениях (по или против часовой стрелке) на одинаковых частотах, т.е. быть симметричными.

9.Напряжение на выходе тахогенератора при ω=0 должно принимать минимальное значение. Это напряжение принято называть остаточным.

10.Пульсации выходного напряжения должны быть минимальными и не создавать помех, вызываемых электромагнитными процессами во время его работы.

11.Выходная мощность должна соответствовать подключаемой к нему нагрузке (прибора, устройства, схемы и т. п.), или быть достаточной для нормальной работы.

2.12.2 Механические датчики частоты вращения

Механический датчик центробежного типа (рисунок 2.64) состоит из вращающихся грузов 4, укрепленных на траверсе 6, приводимой во вращение от вала машины. На вращающиеся грузы действует центробежная сила Fцб, которая через рычаги 5 и муфту 3 сжимает пружину 2. Выходным сигналом датчика

117

является величина перемещения муфты. Винтом 1 регулируется степень предварительного сжатия пружины 2 и зависимость закона перемещения муфты от частоты вращения.

Рисунок 2.64 – Механический датчик вращения

В точке касания рычага 5 и муфты 3 действуют поддерживающая P и восстанавливающая V силы. Поддерживающая сила Р прямо пропорциональна центробежной Fцб и зависит от величины z перемещения муфты

P=mГrω2,

где mГ – масса грузов датчика; r – радиус вращения грузов, зависящий от z. Зависимость r(z) определяется конструкцией датчика.

В установившемся режиме восстанавливающая сила V создаётся пружиной 2

V=F0+cz=cψ+cz,

где F0=cψ – сила предварительного сжатия пружины пропорциональная перемещению ω регулировочного винта 1; с – жесткость пружины 2.

Графики сил V и Р приведены на рисунке 2.65.

Преимущества:

простота конструкции.

Недостатки:

невысокая точность из-за трения между элементами;

необходимость дополнительного преобразователя перемещения для подачи сигнала в систему управления;

чувствительность к вибрациям и крену судна; нелинейная выходная характеристика.

118

Рисунок 2.65 – Графики сил V и P

2.12.3 Гидравлические датчики частоты вращения

Гидравлический датчик частоты вращения приведён на рисунке 2.66. Масляный насос 1 приводится во вращение машиной с частотой ω. В напорной магистрали, содержащей цилиндр 3 и дроссель 2, создаётся давление, которое перемещает поршень цилиндра. Это перемещение является выходным сигналом датчика.

Уровень давления р в цилиндре пропорционален частоте вращения насоса. Коэффициент пропорциональности между ω и p регулируется степенью открытия дросселя 3, через который в ванну 4 возвращается масло.

2.12.4 Тахогенераторы постоянного тока

Принцип действие тахогенераторы постоянного тока аналогично работе генератора. Тахогенератор на рисунке 2.67 а представляет собой маломощный генератор постоянного тока, на обмотку возбуждения ОВ которого подаётся постоянное напряжение Uов, а с обмотки якоря, приводимой во вращение машиной, снимается напряжение UВых величиной

UВых=С В ω,

где С – постоянный коэффициент; В – индукция магнитного поля ОВ, пропорциональная Uов.

119

Rн2>Rн1

UВых

ω

Rн

Рисунок 2.67 – Тахогенератор постоянного тока (а)

иего статические характеристики (б)

Врежиме холостого хода:

За счет перехода коллектор-щетка появляется зона нечувствительности, также существует понятие скорость нечувствительности. Для уменьшения сопротивления щеток (зоны нечувствительности) применяют меднографитовые и серебряно-графитовые щетки.

Если входной величиной для тахогенератора является , то тахогенератор представляет собой апериодическое звено 1-го порядка, если же входной величиной является угол поворота, то тахогенератор представляет собой реальное дифференцирующее звено. Крутизна выходной характеристики лежит в пределах (для типовых тахогенератор) 3 – 100 мВ/об, их применяют в системах автоматического управления.

Достоинства:

меньшие габаритные размеры и масса (в 2-3 раза) при большей выходной мощности, чем у асинхронных;

отсутствие фазовой погрешности;

возможно возбуждение постоянными магнитами, что позволяет обойтись без источника питания для цепи возбуждения.

Недостатки:

сложность конструкции;

высокая стоимость;

120