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

31

мента приёма сигнала преобразователем ИП2 и его преобразования (усиления У1, детектирования Д1), сигнал подаётся на модулятор М1, возбуждающий очередные УЗВ колебаний. Частота повторений работы модулятора пропорциональна времени распространения колебаний 1 в потоке.

Аналогично работает второй канал системы, где также на излучающий элемент преобразователя второй системы поступает напряжение от генератора синусоидального напряжения несущей частоты Г через модулятор М, работающий в ждущем режиме.

Разность частот следования пакетов УЗВ колебаний по потоку и против него пропорциональна скорости среды

Рис. 31. Временные диаграммы импульсной модуляции УЗВ колебаний

Периоды следования модулирующих импульсов УЗВ колебаний Т1, Т2 соответствуют времени прохождения колебаний по и против потока 1 ,

2 . Частота модуляции УЗВ колебаний первого канала F1 1 T1 , второго канала – F2 1 T2 . Разность частот следования пакетов УЗВ колебаний по потоку и против него пропорциональна скорости среды

f f1 f2 L2 VCP cos .

3.2.3. Фазовые ультразвуковые расходомеры

Принцип действия их основан на зависимости фазовых сдвигов ультразвуковых колебаний , возникающих на приемных преобразователях, от разности времен прохождения этими колебаниями одного и того же расстояния L по потоку движущейся жидкости и против него. Исходя из условия, что начальные фазы обоих колебаний, их период T и частота f одинаковые, то сдвиг фаз на приемной стороне определяется вы-

ражением

2 T 2 f .

Подставляя значение 2LVL cos / C2 в это уравнение, получаем

32

зависимость от средней скорости потока VL и длины L для угловых

преобразователей

2L VL cos C2 .

При L D / sin , VL VD

2D VD C2tg .

Для преобразователей с осевым направлением излучения 0 и

2L VL C2 .

Фазовый метод использует непрерывное излучение модулированных УЗВ колебаний также в двух направлениях и измерение фазового сдвига сигналов. Структурная схема расходомера по разности фаз принятых приёмниками колебаний показана на рис. 32.

В двухканальном расходомере электронная схема расходомера включает в себя: задающий генератор высоких частот ГВЧ, генератор модулирующих колебаний ГМК и амплитудный модулятор М, сигналы которого поступают на излучающие преобразователи П1 и П2, приёмные преобразователи П3 и П4, усилители, демодуляторы и устройство измерения фазового сдвига.

Значение расхода Q можно определить через скорость потока V и

ванными УЗВ колебаниями, получаем статическую характеристику фазового расходомера

Модулированные УЗВ колебания от излучателей поступают на приёмники двухканального фазометра, с выхода которых сигналы поступают

33

на усилители, далее на модуляторы, и измеряется разность фаз, пропорциональная расходу.

Этим методом измеряют скорость морских течений, расход природного газа и т.п.

3.2.4.Гетеродинный метод измерения расхода

Вэтом методе используется непрерывное излучение ультразвуковых волн. Излучатель и приёмник расположены вдоль оси потока (рис. 33).

f = fИЗЛ – fПР

V потока

Рис. 33. Структурная схема гетеродинного расходомера

В этом методе происходит сложение частот излученного и принятого сигналов в смесителе и выделение разностной частоты фильтром низких частот [1, 9].

f fÈ ÇË fÏ Ð 2 fÈ ÇË V ,

C

где C – скорость УЗВ, V – скорость потока, знак ( ) относится к разным направлениям потока. Таким образом, разностная частота пропорциональна скорости потока.

3.2.5. Преобразователь расхода на основе эффекта Доплера

Метод применим для скоростей от 0,001 мкм/с до околосветовой скорости. Эффект Доплера заключается в изменении частоты излучения при движении его источника или приёмника излучения (рис. 34).

Рис. 34. Структурная схема доплеровского метода

Относительное изменение частоты излучения пропорционально от-

34

ношению измеряемой скорости к скорости распространения колебаний. Изменение частоты излучения

При использовании доплеровского метода необходимо иметь материальные точки в потоке, относительно которых возможно измерение ско-

рости [7, 11].

3.3. Тепловые преобразователи расхода газа

В основу работы тепловых преобразователей расхода газа положены законы теплопередачи нагретого тела в потоке газовой среды [11, 15].

Если поместить в поток нагреваемую током металлическую нить, то между нагретым телом с температурой T1 и средой возникнет теплообмен

(рис. 35).

I

Рис. 35. Схематическое изображение процесса теплопередачи от нагретого терморезистора

Теплопередача от нагретого тела возможна через естественную конвекцию Q1; через вынужденную конвекцию путём переноса тепла потоком

Q2 ; через излучение Q3 , а также через теплопроводность среды Q4 . До-

полнительным видом теплопередачи является теплопередача через электроды Q5 .

Состояние теплового равновесия нагретого тела определяется равенством выделенной в нагревателе Pýë и отведённой тепловой энергии:

Pýë AI 2 R(T ) Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 .

Информативным параметром является теплопередача через вынужденную конвекцию.

В этом случае количество теплоты, подводимой к датчику AI 2 R(T ) , равно количеству теплоты, отдаваемой потоку Q2 . Скорость потока V

35

входит в выражение для коэффициента теплообмена в виде следующей эмпирической формулы Кинга: a bV .

AI 2 R(T ) Q3 S T1 T2 a bV T1 T2 S ,

где a , b – аппаратурные параметры, значения которых определяются конкретным типом датчика и видом среды, T1 , T2 – соответственно температу-

ра нагреваемого тела и температура среды, S – боковая поверхность нагревателя, – коэффициент теплообмена. Тогда температура нагреваемого тела равна

Для реальных жидкостей необходимо учитывать теплопроводность среды k , линейные размеры нагревателя (длина l зоны нагрева потока), сечение трубопровода, тип течения (ламинарное, турбулентное), физические свойства среды (вязкость, плотность).

С учётом чисел Рейнольдса ( Re ), Прандтля ( Pr ), которые определяют значение числа Нуссельта ( Nu ), уравнение теплового баланса имеет вид

AI 2 R(T ) Nu kl T1 T2 .

Принцип действия основан на законах теплопередачи в движущихся средах.

Реализация тепловых преобразователей скорости потока возможна в виде калориметрического и термоанемометрического расходомеров.

По первому методу измерение производится по изменению температуры потока, по второму методу – по изменению температуры нагретого тела.

3.3.1. Термоанемометрический расходомер (термоанемометр)

Термоанемометрический метод является разновидностью теплового метода, основанного на сносе тепла движущимся потоком [11, 15]. При помещении в движущуюся среду терморезистора, нагреваемого током, снос тепла потоком, влияющим на температуру терморезистора, является основным фактором.

Для терморезистора цилиндрической формы, расположенного ортогонально потоку, коэффициент теплопередачи для жидкости определяется по формуле

где V , k , – соответственно скорость, теплопроводность, кинематическая вязкость среды, d – диаметр терморезистора, c и n – коэффициенты, зависящие от числа Рейнольдса.

В качестве преобразователей термоанемометров используют прово-

36

лочные терморезисторы из платины и вольфрама диаметром 5 – 20 мкм (рис. 37,а), из кварцевой нити, с покрытием из никеля, плёночные из никеля и полупроводниковые терморезисторы.

Для измерения компонент вектора скорости применяются двухкомпонентные (рис. 37,б) и трёхкомпонентные преобразователи.

В таблице приведены некоторые характеристики датчиков термоанемометров.

Режим нагрева датчика определяется видом потока и диапазоном скоростей. Температура нагрева датчика током находится в пределах от 50

до 100 оС.

Конструкция газового полупроводникового термоанемометра показано на рис. 36, конструкции проволочных преобразователей показаны на рис. 37,а,б.

Поток

Нагреваемый

терморезистор

Рис. 36. Конструкция газового термоанемометра

Рис. 37. Конструкции проволочного датчика термоанемометра

Тепловые расходомеры могут работать с ламинарными потоками при отсутствии завихрений, поэтому в состав расходомера вводят выравнива-

37

тели потока или сетки.

Преобразователи термоанемометров включаются, как правило, в мостовую измерительную схему. При этом термистор может работать в режиме заданного тока и в режиме заданной температуры. Режим заданной температуры обладает большим быстродействием и применяется для измерения параметров нестационарных потоков.

Практическая реализация термоанемометра с рабочим R VT и компенсационным R T термодатчиками показана на рис. 38.

R(T)

Рис. 38. Схема расположения рабочего и компенсирующего датчиков анемометра

Рабочий датчик термоанемометра R VT реагирует на изменение ско-

рости и температуры потока. Для исключения влияния температуры потока на результат измерения скорости в измерительную схему вводится термочувствительный датчик R T , измеряющий только температуру среды,

при этом характеристики датчиков должны быть идентичными. Скорость (расход) потока может быть определена по выражению

чиков, TH – температура рабочего датчика (нагревателя), TC – температура компенсационного датчика (окружающей среды, потока).

Измерительные схемы термоанемометров

Преобразователи термоанемометров включаются, как правило, в мостовую измерительную схему. При этом термистор может работать в режиме заданного тока и в режиме заданной температуры чувствительного элемента (постоянной мощности).

Режим заданной температуры обладает большим быстродействием и применяется для измерения параметров нестационарных потоков.

Измерительные схемы режима постоянного тока

Ток, протекающий по терморезистору, поддерживается постоянным

38

с помощью источника тока. Так как количество тепла, участвующего в теплообмене, зависит от скорости потока, то изменение скорости приводит к изменению температуры датчика и, следовательно, к изменению его сопротивления. Мостовая измерительная схема термоанемометра показана на рис. 39.

U

R(T,V) R(T)

Рис. 39. Измерительная схема термоанемометра

Измерительная схема состоит из измерительного моста с рабочим R T ,V и компенсирующим R T терморезисторами.

Примерный вид характеристики терморезистивного термоанемометра показан на рис. 40.

Uвых

V

Линейный участок

Рис. 40. Характеристика термоанемометра

Измерительные схемы анемометра в режиме постоянной температуры термистора

Вэтом режиме термистор одновременно работает в режиме прямого

иобратного преобразования. При нулевой скорости потока через терморезистор проходит начальный ток, который нагревает его до номинальной температуры, при которой мост находится в равновесии (рис. 41). При движении потока происходит снос тепла и охлаждение терморезистора и соответственно изменение сопротивления датчика, вызывающее разбалансировку моста.

На выходе усилителя изменяется напряжение, что приводит к изме-

39

нению напряжения питания моста и увеличению тока в цепи термистора. Выделенное при этом тепло компенсирует потери тепла, уносимого потоком. При этом температура датчика восстанавливается до прежнего уровня.

Измеряемая скорость определяется по значению выходного напряжения (или тока), питающего мост.

В данном режиме измерения расхода температура датчика и, следовательно, его сопротивление поддерживаются постоянными. Датчик включается в мостовую схему, выходное напряжение моста после усиления подаётся в диагональ питания, тем самым изменяя мощность, выделяемую на терморезисторе, изменяя его сопротивление до момента балансировки (уравновешивания) моста.

U вых У

Рис. 41. Схема измерения расхода в режиме постоянной температуры датчика

Напряжение питания моста, которое является и напряжением на выходе усилителя, зависит от скорости потока. Режим заданной температуры имеет значительно меньшую инерционность, обладает большим быстродействием, так как в обратной цепи преобразование тока в теплоту происходит достаточно быстро и применяется для измерения высокочастотных составляющих скорости потока (с частотой до 300 кГц).

3.3.2. Калориметрические расходомеры. Тепловой преобразователь массового расхода

Принцип действия калориметрического преобразователя расхода основан на переносе тепла в движущейся среде за счёт вынужденной конвекции и сравнении температуры в точках, расположенных симметрично по обе стороны относительно нагревателя.

Конструктивно измерительный преобразователь состоит из тонкостенной трубки малого диаметра, на внешней поверхности (или внутри) которой помещён нагреватель, с противоположных сторон симметрично расположены датчики температуры (рис. 42). Датчик RT1 фиксирует тем-

пературу выше по потоку, а RT 2 – ниже по потоку от нагревателя.

40

V

б

Рис. 42. Тепловой измеритель массового расхода:

а – структура и измерительная схема устройства; б – распределение температур между нагревателями ( . . ) без расхода, ( ) при наличии расхода

Когда расход равен нулю, нагрев датчиков симметричен и T1 T2 , соответственно RT1 RT 2 . При наличии расхода температура T1 терморезистора RT1 уменьшается, а температура T2 терморезистора RT 2 увеличивается. Разность температур T T2 T1 пропорциональна массовому расхо-

ду.

При использовании терморезисторов, включённых в мост, выходной сигнал моста будет соответствовать измеряемому расходу.

Так как термодатчик обладает тепловой инерцией за счёт собственной теплоёмкости, то при измерении изменяющихся во времени параметров потока необходимо учитывать постоянную времени запаздывания (реакцию) датчика.

3.3.3. Тепловые преобразователи направления движения потока

Принцип работы калориметрического расходомера может быть использован для определения направления потока. Два взаимосвязанных датчика RT1 , RT 2 также располагаются симметрично относительно подог-

ревателя RH (рис. 43). Изменение направления движения потока приводит

к противоположному эффекту нагрева датчиков.

Если при первоначальном направлении потока (например, справа - налево) термодатчик RT1 имел меньшую температуру относительно второ-

го RT 2 , то при смене направления температура второго датчика RT 2 будет