Измерение параметров сред учеб. пособие. Ч.1. Методы измерения параметров движущихся жидких и газообразных сред

21

M óï ð .

При равенстве моментов угол закручивания (рис. 20) равен

2Q Ld .

Рис. 20. Результирующие крутильные колебания

Таким образом, массовый расход определяется по выражению

Q 2 Ld .

Угловая скорость и соответственно угол закручивания и деформация материала рукавов преобразователя изменяются по синусоидальному закону. Между колебаниями рукавов U-образной трубки существует фазовый сдвиг (рис. 21).

Рис. 21. Изменение угла закручивания трубок

Измерение расхода можно производить датчиками перемещения, деформации или фазочастотными преобразователями.

Расходомеры на основе кориолисовых сил не критичны к виду среды: суспензии, эмульсии, ньютоновские и неньютоновские (у которых вязкость зависит от скорости) жидкости.

Диапазон измеряемого расхода частотомером от 3 кг/ч до 70 т/ч с погрешностью не более 0,4 % от диапазона.

3.КИНЕМАТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА

Кэтой группе методов относятся методы, основанные на измерении вектора скорости потока или его составляющих. Наибольшее распространение нашли следующие методы измерения скорости потока: метод меток, ультразвуковой, тепловые методы, индукционный, методы, основанные на эффекте Доплера и др. [1, 2, 4, 11, 15, 16].

На практике объёмный расход определяют по произведению средней скорости потока Vñð на площадь поперечного сечения. При размерах дат-

чика меньше размера сечения потока средняя скорость будет отличаться от

22

мгновенного значения по сечению S .

Средняя скорость потока в сечении S равна

S U

Vñð 0 S dS .

Тогда уравнение объёмного расхода имеет вид

S

QU SVCP VdS .

0

3.1. Электромагнитные расходомеры токопроводящей жидкости

Принцип действия электромагнитных расходомеров токопроводящей жидкости основан на способности контролируемой среды возбуждать электрический ток при её движении в магнитном поле, то есть на законе электромагнитной индукции [9].

При перемещении отрезка проводника длиной l со скоростью V в магнитном поле и при векторе скорости, ортогональном вектору индукции B , индуцированная ЭДС равна BlV . Эта формула распространяется на случай течения жидкости в трубопроводе диаметром D со скоростью V . В электромагнитных расходомерах этим движущимся проводником является токопроводящая среда, проходящая в области искусственно созданного магнитного поля.

Индуцированная на электродах (Э1, Э2) ЭДС, расположенных диаметрально в поперечном сечении трубопровода, связана со средней скоростью V и объёмным расходом Q соотношением

BVD B 4Q

D

при условии, что вектор магнитной индукции B внешнего поля, вектор скорости потока V перпендикулярны оси установки электродов Э1—Э2.

Обычно индукционный расходомер содержит источник постоянного или переменного магнитного поля с помещённым в него немагнитным участком трубопровода, в котором установлены электроды для снятия индуцируемой ЭДС.

В качестве примера на рис. 22 показан один из вариантов электромагнитного преобразователя расхода. Удельная электропроводность среды должна быть от 10-3 до 10 См/м, а температура – до 150 0С при скорости течения от 1 до 10 м/с.

Источником магнитного поля может быть как постоянный магнит (рис. 22, а), так и обмотка возбуждения постоянного или переменного тока

(рис. 22, б).

Так как измеряемая ЭДС невелика, то дополнительная погрешность возникает из-за наведённой ЭДС в цепи электродов под действием внешних магнитных полей, качества электрических соединений, наличия при-

23

месей в потоке. Уменьшение погрешности от дополнительной ЭДС производится методом компенсации напряжения электромагнитных наводок на-

Рис. 22. Схема электромагнитного расходомера

Снижение чувствительности происходит при поляризации электродов, помещённых в проводящую среду и находящихся под напряжением. Для исключения ЭДС поляризации магнитное поле создаётся переменным током.

Конструктивно преобразователь может быть выполнен в виде магнитопровода с намагничивающими обмотками, охватывающего немагнитный участок трубопровода, в котором установлены электроды (рис. 23).

UK

UQ −

У

+

Полюса электромагнита

Рис. 23. Схема электромагнитного расходомера с подмагничиванием переменным током

Выходным сигналом преобразователя служит модулированное по амплитуде напряжение с частотой питания электромагнита. Амплитуда сигнала пропорциональна скорости потока.

Достоинства индукционных расходомеров следующие: независимость результатов измерения от физических свойств жидкости (плотность,

24

вязкость), нет потерь напора жидкости, отсутствие подвижных частей, высокая коррозионная устойчивость, малая инерционность.

3.2. Ультразвуковые расходомеры

Принцип действия ультразвуковых расходомеров основан на законе распространения акустической волны в среде и зависимости скорости распространения колебаний от состояния, свойств и параметров среды [7, 11, 15].

В большинстве случаев оси излучающих и приемных пьезоэлементов расположены под некоторым углом к оси трубы (рис. 24). Тогда акустические колебания проходят в измеряемом веществе путь длиной L.

Обозначим через VL скорость потока, усредненную по длине L , –

угол между вектором скорости среды V и осью фронта акустической волны. Тогда проекция вектора скорости потока на ось потока будет равна

VL cos .

Если излучение звуковой волны направлено в сторону движения потока, то время 1 прохождения им расстояния L определится из уравнения

1 C VLcos ,

L

где C – скорость распространения акустических колебаний в неподвижной измеряемой среде.

Излучатель

L

Рис. 24. Структура ультразвукового расходомера

При обратном направлении излучения время 2 прохождения излучением того же расстояния L будет равно

2 C VLcos .

L

Представив эти уравнения в виде

1 (L / Ñ) 1 (VL cos ) / Ñ 1 и 2 (L / Ñ) 1 (VL cos ) / Ñ 1

и вычитая одно из другого, получаем:

25

Учитывая, что скорость потока значительно меньше скорости распространения ультразвуковых колебаний, т.е. VL VC , имеем

VL cos 10 3 ,

C

тогда значение определяется выражением

2LVL cos C2 .

Если акустические колебания направлены вдоль оси трубы, то cos 1, а разность времени прохождения звуковой волны 2LVC / C2 , где VC – осевая скорость потока. Таким образом, временная разность

прохождения звуковой волны по и против потока прямо пропорциональна осевой скорости потока VC .

Существуют следующие разновидности ультразвукового метода: времяимпульсный; частотно-импульсный; фазовый; доплеровский и метод на основе изменения интенсивности колебаний при сносе их потоком.

Профиль скоростей оказывает существенное влияние на показания ультразвуковых расходомеров и их погрешность. Для расходомеров с угловым вводом акустических колебаний в одной точке ультразвуковой луч будет реагировать на скорость VD , усредненную по диаметру, которая все-

гда будет больше средней скорости VS , усредненной по площади сечения трубопровода, в соответствии с уравнениями

где Vr – скорость по оси потока на расстоянии r от центра, R – радиус трубопровода.

Если акустические колебания направлены не в диаметральной плоскости, а в плоскости, проходящей через какую-либо из хорд трубопровода, то при определенном местоположении хорды k 1. Можно считать, что при размере хорды, равном 0,5 0,54 D2 , скорость Vx в турбулентной

зоне станет равной VC .

Зондирование по хорде способствует повышению точности измерения расхода, особенно если оно производится по нескольким хордам. В простейшем случае зондируют по двум хордам, расположенным на расстоянии h 0,5D2 с обеих сторон диаметра трубы (рис. 25). При таком

способе измерения и переходе от ламинарного режима к турбулентному погрешность возрастает лишь на 0,6 %.

26

0.50.5

R R

Рис. 25. Схемы расположения хорд для акустического зондирования

Преобразователи ультразвуковых расходомеров

Преобразователь ультразвукового расходомера состоит из отрезка трубы, на котором установлены дисковые пьезоэлементы, дающие направленное излучение. Пъезоэлементы могут устанавливаться снаружи и внутри трубы.

Обычно частота излучения находится в диапазоне от 50 кГц до 2 МГц для жидкостей и до сотен и десятков килогерц - в газовых средах.

На рис. 26 показаны варианты схем установки преобразователей.

в

Рис. 26. Варианты схем расположения преобразователей ультразвуковых расходомеров

Варианты а, б и в - с угловым расположением преобразователей. При этом схема рис. 26,а - одноканальная, в которой каждый из двух пьезоэлементов по очереди излучает и принимает акустические колебания. Вторая (б) и третья (в) схемы – двухканальные: два пьезоэлемента излучающие и два — приемные.

Для увеличения длины прохождения излучения L и соответственно

27

времени излучение направляют вдоль оси потока (рис. 27,а) или применяют многократное отражение волны от стенки трубы (рис. 27,б).

Рис. 27. Варианты схем расположения преобразователей ультразвуковых расходомеров

Значительно чаще применяются схемы с угловым вводом направленных акустических колебаний. Пьезоэлементы помещаются в углубления (карманы), полости карманов могут быть свободными или же заполнены.

Методы измерения времени распространения ультразвука

По числу акустических каналов ультразвуковые расходомеры подразделяются на однолучевые или одноканальные, двухлучевые или двухканальные и многолучевые или многоканальные. Первые из них имеют два пьезоэлемента, каждый из которых по очереди выполняет функции излучения и приема. Их существенное достоинство - отсутствие пространственной асимметрии акустических каналов, зависящих от различия их геометрических размеров.

Вторые имеют два излучателя и два приемника, образующих два независимых акустических канала, которые располагаются параллельно или перекрещиваются друг с другом. Многоканальные применяются при необходимости измерения расхода деформированных потоков или же для достижения повышенной точности [11, 15].

Имеется несколько методов измерения очень малого значения : фазовый, при котором измеряется разность фазовых сдвигов акустических колебаний, направляемых по потоку и против него (фазовые расходомеры); времяимпульсный метод, основанный на непосредственном измерении разности времени прохождения коротких импульсов по потоку и про-

тив него (времяимпульсные расходомеры); частотный метод, при кото-

ром измеряется разность частот повторения коротких импульсов или пакетов акустических колебаний, направляемых по потоку и против него

(частотные расходомеры); доплеровский метод и метод на основе изменения интенсивности колебаний при сносе их потоком.

28

3.2.1. Времяимпульсные ультразвуковые расходомеры

Времяимпульсными называются ультразвуковые расходомеры, в которых измеряется разность времени перемещения коротких импульсов по направлению потока и против него на длине пути L . Эта разность связана со средней скоростью VL уравнением

2LVL cos / C2 .

При L Dsin

2DVDctg / C2 ,

для осевых преобразователей = 0 и

2LV / C2 .

Особенность метода заключается в том, что значение находится в пределах 10-6 10-7 с, а погрешность измерения должна быть не более 10-8 10-10 с, что предъявляет повышенные требования к схемной реализации метода измерения.

Времяимпульсные расходомеры в большинстве случаев одноканальные и работают на очень коротких импульсах длительностью 0,1—0,2 мкс, посылаемых навстречу друг другу поочередно с частотой, например, 0,5 кГц.

На рис. 28 приведена упрощенная функциональная схема времяимпульсного расходомера. Генератор ВЧ вырабатывает напряжение, которое с помощью коммутатора и ключей К1 и К2 подаётся поочередно к преобразователям П1 и П2, определяя тем самым режимы их работы (передача или приём УЗВ излучения). В режиме излучения преобразователь посылает в жидкость быстро затухающие ультразвуковые импульсы (рис. 29), а в режиме приёма излучения преобразует упругое воздействие излучения в электрические импульсы.

В тот момент, когда ключ К1 подключает генератор ВЧ к преобразователю П1 на излучение, ключ К2 подключает преобразователь П2 на приём УЗВ сигнала.

Одновременно сигналом коммутатора триггеры Тр1 и Тр2 поочерёдно устанавливаются в «1». При воздействии УЗВ волны на преобразователь П2, работающий в режиме приёма, сигнал с его выхода после усиления и формирования поступает на второй R вход триггера Тр2, тем самым определяется промежуток времени 1 прохождения УЗВ колебаний от пре-

образователя П1 до преобразователя П2 (рис. 28).

Измерение временного промежутка производится путём подсчёта числа импульсов образцовой частоты от генератора f0 , N1 1 T0 . Указан-

ная последовательность импульсов поступает на один из входов реверсивного счётчика.

При подключении коммутатором преобразователя П2 на излучение, а П1 – на приём аналогично производится измерение временного интерва-

30

Рис. 29. Временные диаграммы, иллюстрирующие метод измерения

3.2.2. Частотно-импульсный метод

При частотно-импульсном методе каждый излучатель посылает импульсы УЗВ колебаний в момент прихода предыдущего импульса на соответствующий приёмник (рис. 30). Разность частот двух автогенераторов пропорциональна измеряемому расходу.

ИП3

ИП2

Рис. 30. Структурная схема расходомера с импульсной модуляцией УЗВ колебаний

Расходомер на основе частотно-импульсного метода содержит обычно четыре пьезоэлектрических преобразователя и две замкнутые системы. Каждая система содержит модулятор, генерирующий пачки ультразвуковых колебаний и работающий в ждущем режиме. Управляющими сигналами модуляторов являются сигналы приёмных преобразователей.

Через промежуток времени 1 , который требуется для преодоления УЗВ расстояния L от момента начала генерации излучателем ИП1 до мо-