Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теория и практика теплофизического эксперимента. Учебное пособие
.pdf
6.2. Тепловые расходомеры. Термокомпенсация в тепловых расходомерах
на две группы, основанные на зависимости от скорости (расхода, уровня) теплового воздействия среды:
1) внешнего источника энергии на контролируемую среду,
преобразуемого термочувствительными элементами в выходной сигнал той или иной формы;
2) контролируемого потока на параметры термопреобразователя, перегретого внешним источником энергии относительно температуры потока.
Кроме того, тепловые расходомеры разделяются по способу нагрева, по расположению нагревателей и термопреобразователей внутри или снаружи канала. На этих основаниях предложен
а следующая их классификация:
1. Расходомеры с электрическим (омическим) нагревом:
1) калориметрические (контактные) — с внутренним рас-
положением нагревателя (нагревателей) и термопреобразователя (термопреобразователей);
2) с наружным расположением нагревателя и термопреоб-
разователей (неконтактные):
а) теплового пограничного слоя (нагрев пристеночного
слоя потока);
б) квазикалориметрические с симметричным и с несимметричным располож
ением термопреобразователей; с нагревае-
мой стенкой канала.
2. Термоанемометрические — с внутренним расположением теплочувствительного элемента, перегретого относительно
температуры потока от внешнего источника электрической
природы.
Известны приборы с индукционным нагревом, а также образующие группу меточных, в которых определяется время
перемещения средой тепловых меток от импульсного нагревателя к термоэлементу.
Недостатком калориметрических р
асходомеров является неоднозначность их расходных характеристик — функция ΔT(G)
обладает экстремумом, в силу чего одна и та же разность
температур достигается при разных расходах: ΔT(G
) = ΔT(G2),
1
51
Глава 6. Методы измерения расхода газа
но при этом G
≠ G
, так как они лежат по разные стороны от-
1
2
носительно экстремальной точки. Поэтому обычно работают
либо на восходящей с расходом ветви расходной характеристики, при этом доступный измерению расход ограничен сверху значением G
, либо на нисходящей (гиперболически)
экстр
ветви функции в целях расширения диапазона, начинающегося с G
. Чувствительности на разных ветвях расходной ха-
экстр
рактеристики существенно разные, поэтому при измерениях
малых расходов может использоваться только восходящая (на
линейном ее участке) ветвь. Термоконвективные и калориметрические расходомеры обладают к тому же очень большой постоянной времени, независимо от того, какая ветвь расходной
характеристики используется.
Основными показателями качества измерительной систе-
мы являютс
я: достоверность результата измерения, малая погрешность, надежность, устойчивость к возмущениям, удобство эксплуатации, энергопотребление, помехозащищенность
и т.
д.
Принципиально важными показателями качества при различных условиях эксплуатации тепловых расходомеров являются:
• степень влияния температур рабочего тела и внешней
среды;
• ориентационная зависимость результатов измерений;
• инерционность;
• погрешности — основная и дополнительная;
• чувствительность;
• уровень выходного сигнала и его помехозащищенность.
В силу эксплуатационных причин в процессе измерения
расхода может происходить из
менение температуры рабочей
среды, подаваемой в расходомер. При изменении температуры
изменятся физические свойства среды, что скажется на интенсивности теплоотдачи и приведет к появлению дополнительной температурной погрешности. Поэтому возникает необходимость введения термокомпенсации по температуре рабочей
52
6.2. Тепловые расходомеры. Термокомпенсация в тепловых расходомерах
среды. При этом очевидно, что такая термокомпенсация должна вводиться совместно с термокомпенсацией показаний по
температуре окружающей среды, так как причиной возникновения тепловых потерь в расходомере является и изменение
температуры потока в рабочем канале вследствие теплоотвода
через стенки. Изменение температуры окружающей среды
приводит к смещению градуировочной характеристики расходомера, а и
зменение обеих температур — к изменению угла
наклона восходящей ветви характеристики калориметрического расходомера, что станет причиной завышенного или заниженного результата измерения расхода газа. Из общего числа
рассмотренных технических решений последнего времени, относящихся к тепловым расходомерам газа, подавляющее большинство имеет целью повышение точности, достигаемое как
раз посредством компенсации влияния температуры на погрешность и
змерений.
В основе бόльшей части решений, направленных на обеспечение температурной компенсации, лежат мостовые схемы,
в которых измерительный и компенсационный терморезисторы включены в смежные плечи электрического моста. Разность температур в этом случае служит мерой расхода.
6.3. Общие требования к измерительной системе
и к показателям расходомера газа
Любая измерительная система (ИС) является многопараметрической, при этом количество параметров определяет
число степеней ее свободы. Параметры ИС по своему функциональному назначению следует разделить на стабилизируемые и постоянные.
Стабилизация параметров осуществляется следяще-управляющими (активными) подсистемами. Одно из функциональных назначений стабилизируемых параметров состоит в защите ИС от факторов, оказывающих основное (к то
му же ухуд-
53
Глава 6. Методы измерения расхода газа
шающее) влияние на ее качественные показатели с целью их
минимизации или исключения вообще, т.
е. в приближении
реальной ИС к идеальной. Для расширения области применимости ИС и ее возможностей стабилизация параметров должна
осуществляться на задаваемых, контролируемых уровнях. Количество стабилизируемых параметров, определяющих степень приближения ИС к идеальной, в принципе должно быть
бесконечно большим, что нереально. Поэтому их число ограничивают, выделяя путем анализа матем
процесса основные, т.
е. оказывающие наибольшее по своим
атической модели
последствиям влияние на качество работы измерительной системы. Кроме того, чем больше следяще-управляющих подсистем, тем ниже надежность ИС в целом и, поскольку эти подсистемы неидеальны, тем меньше точность измерений.
Другое функциональное назначение стабилизируемых параметров состоит в оптимизации происходящих в ИС процессов с це
лью повышения, в частности, ее чувствительности.
При этом стабилизируемый параметр может быть функцией от
других стабилизированных параметров, что расширяет возможности ИС при многоуровневой задаваемости этих параметров.
Качество работы следяще-управляющей подсистемы, характеризуемое степенью отклонения стабилизируемого параметра от задаваемого уровня, необходимо контролировать с
помощью контрольной (пассивной) подсистемы, не входящей
в соста
в подсистемы стабилизации, но объединенной с ней
одним и тем же носителем информации (например, потоком
контролируемой среды). По показаниям контрольной подсистемы можно вносить поправки в результаты, полученные с
помощью ИС, по разработанной методике в зависимости от
физической природы исследуемого процесса.
Постоянные параметры ИС задают уровни стабилизируе-
мых параметров и являю
тся, как правило, элементами подсистемы стабилизации. Величина этих параметров не строго определена, она варьируется с целью настройки подсистемы ста-
54
6.3. Общие требования к измерительной системе и к показателям расходомера
билизации на заданный уровень стабилизируемого параметра,
о чем судят по показаниям контрольной подсистемы.
Измерительная система может иметь многоуровневые постоянные параметры с иным функциональным назначением.
Эти параметры определяют режим работы ИС в зависимости
от выбранного принципа измерения, в силу чего градуировочная характеристика ИС становится многопараметрической по
этому параметру (например, мощности). На
личие таких параметров позволяет реализовать замкнутые методы измерений,
обеспечивающие в наибольшей степени объективность полученных экспериментальных результатов.
В перечне требований к показателям качества измерительной системы необходимо указывать наряду с определяющими
показателями и ограничивающие факторы (функции ограничений), обусловленные особенностями условий эксплуатации
системы.
В принципе, под ограничивающими факторами следует
понимать бе
сконечное их множество, оказывающее ухудшающее влияние на определяющий показатель. Ввиду очевидной
невозможности учета всех ограничивающих факторов их
число уменьшают по уровню влияния, который либо выявляется при теоретическом рассмотрении исследуемого процесса, либо берется из практики натурных экспериментов при
различных условиях их проведения.
Первый ограничивающий фактор — указание диапазона
изменений измеряемой величины, чт
о сразу сужает область
поиска возможных конструкторских решений поставленной
задачи.
Второй — диапазон изменения параметров как контролируемой, так и внешней по отношению к системе среды при
различных, в том числе и специфических, условиях эксплуатации измерительной системы. Это позволяет установить, в
частности, уровни как стабилизируемых подсистемой параметров, так и постоянны
х параметров.
55
Глава 6. Методы измерения расхода газа
К ограничивающим факторам также следует отнести и номенклатуру веществ, параметр (параметры) которых подлежит
измерению с помощью разрабатываемой ИС.
В качестве основного показателя качества ИС — критерия
оптимальности — общепринято считать погрешность, а чувствительность относить к ограничивающим факторам. Однако
требование к измерительной системе по погрешности не может быть определяющим, поскольку могут су
ществовать
очень точные измерительные системы, но условия их эксплуатации кардинально не соответствуют реальным условиям измерений. Существенное значение имеют и такие ограничивающие факторы, как чувствительность, инерционность, ориентационная независимость, габариты и масса прибора, энергоемкость и т.
д.
Чувствительность системы определяет доступный измерению диапазон изменения измеряемого параметра. Именно от
нее зависит величина отношения максимума к минимуму
измеряемого параметра. При этом под максимумом следует
понимать не ту величину, которая действительно доступна измерению, а ту границу, при которой чувствительность остается на приемлемом уровне. Многим ИС присуща неравномерная по диап
азону чувствительность, поэтому указание верхней
границы диапазона должно сопровождаться информацией о
соответствующей ей чувствительности. Как правило, регистрируемый параметр является нелинейной функцией информативного (входного) сигнала, чем, собственно, и объясняется
неодинаковая по диапазону чувствительность. Поэтому желательна линеаризация шкалы, что обусловит равномерную по
диапазону чувствительность, но существенно сузит доступный
измерению диа
пазон.
Надежность измерительной системы зависит от числа стабилизируемых параметров, величины выходного сигнала, усилительных и линеаризующих схем и т.
д. При этом подразуме-
вается, что условия физической реализуемости ИС соблюде-
56
6.3. Общие требования к измерительной системе и к показателям расходомера
ны. Как известно, измерительные устройства можно разделить
на два вида: разомкнутые и замкнутые компенсационные устройства. Первые являются наиболее простыми, так как у них
информативный сигнал от датчика попадает непосредственно
в приемную подсистему, преобразующую его в электрический
сигнал. Замкнутые компенсационные устройства представляют собой следяще-управляющие подсистемы, осуществляющие стабилизацию параметров с целью компен
сации влияющих на точность и чувствительность факторов, кроме информативных. Очевидно, что чем проще измерительное устройство, тем выше его надежность.
Величина выходного сигнала должна быть достаточно
большой для регистрации без предварительного усиления. Наличие усилительных схем нежелательно не только с точки
зрения надежности устройства в целом, но и из-за требовани
постоянства коэффициента усиления во всем диапазоне изменения входного сигнала. Чем больше отношение максимальной величины сигнала к минимальной, тем меньше возможность обеспечения линейности характеристики усилителя.
Линеаризация шкалы осуществляется одновременно с усилением выходного сигнала путем введения в электронную
схему усилителя различных корректирующих элементов, что
щественно усложняет приемно-преобразовательную под-
су
систему в целом и требует систематических поверок и регулировок по определенным тестам. Регулировка корректирующих
элементов схемы осуществляется вручную, что требует доступа к ним перед проведением измерений. Тем самым помещение расходомера в вакуумную камеру исключается.
Требования к динамическим свойствам ИС зависят от динамических свойст
в объекта, параметр (параметры) которого
подлежат измерению. Теоретически величину постоянной
времени измерительной системы можно оценить лишь исходя
из математической модели происходящих в системе динамических процессов. В зависимости от сложности процессов для
я
57
Глава 6. Методы измерения расхода газа
их описания применяются дифференциальные уравнения от
первого до третьего-четвертого порядка. Уравнение первого
порядка используется в предположении, что в системе реализуется регулярный тепловой режим 1-го рода. Это режим характерен для расходомеров термоанемометрического типа при
постоянстве вводимой мощности от внешнего источника энергии.
К характеристике измерительной системы относится и но-
менклату
ра веществ, параметр которых подлежит измерению с
ее помощью (ограничивающий фактор). При расчете параметров ИС из этой номенклатуры выбирают наилучший и наихудший по определяющему тот или иной параметр признаку,
что позволяет найти максимальные и минимальные значения
параметра. Например, в процессах теплообмена мощностной
параметр находится по веществу с наибольшими теплоемкостью и коэффициентом теплоотдачи, а погрешность и чу
вствительность − по веществу с наименьшими значениями этих
величин (например, азот и ксенон).
Широко применяемые расходомеры марки РРГ и им подобные являются тепловыми расходомерами калориметрического типа. Недостатки таких расходомеров заключаются в
следующем.
Во-первых, на их показания сильное влияние оказывают
температу
рные условия, при которых производятся измерения, так как они не имеют системы термокомпенсации, позволяющей ввести поправки на отличие температур контролируемого потока газа и внешней среды от нормальных условий,
при которых строилась номинальная типовая расходная характеристика: Т
= 293 К, Тг = Тср ± 0,5 К для РРГ-3 и Тг = Тср ± 2 К
ср
для РРГ-9. При проведении испытаний предполагается, что
температура подаваемого из баллона газа может отличаться от
температуры внешней среды в указанных пределах, поскольку
баллон с газом находится в этой же среде. Однако при редуцировании стабилизируется только один параметр — давле-
58
6.3. Общие требования к измерительной системе и к показателям расходомера
ние, а температура газа определяется параметрами газа на
входе в редуктор и теплообменом в процессе редуцирования.
При отсутствии подвода тепла она понижается. Поэтому температура газа в ресивере отличается от его температуры в баллоне. С помощью РРГ температура входящего газового потока
не определяется, поэтому отличие его температуры от номинальной остается неи
звестным. Расходомеры производства
фирмы «MKS Instruments» марки 1179а, М10МВ (погрешность
~
1 %) термокомпенсированы только по температуре внешней
среды путем помещения сенсорной трубки в кожух, температура которого поддерживается неизменной, независимо от
уровня температуры внешней среды. Утверждается, что температура (как и давление) газа не оказывает влияния на показания расходомера в силу того, что температурный профиль в
сенсорной трубке поддерживается неизменным за счет подведения к мостовой схеме с термопреобразователями дополнительной мощности при изменен
ии расхода. При этом постоянство температурного напора не обеспечивает независимость
показаний расходомера от температуры газового потока.
Во-вторых, в калориметрических расходомерах, выполненных по классической схеме, на концах сенсорной трубки
размещаются термопреобразователи с металлической проводимостью, включаемые в плечи моста. В слу
чае отсутствия
расхода газа мост сбалансирован и выходной сигнал равен
нулю. При подаче газа в диагонали моста возникает напряжение рассогласования, которое составляет микровольты.
Поэтому электронная схема усиления сигнала и его линеаризации располагается рядом с сенсорной трубкой, чем и объясняется совмещение в едином корпусе газового тракта расходомера и его электронного бло
ка с выведенными наружу шлицами
регулировочных (вручную) резисторов. При этом электронный
блок не вакуумного исполнения. В силу этих причин длина
разнесения газового и электронного блоков равна нулю.
В-третьих, газовый тракт калориметрического расходоме-
ра представляет собой основной канал большого диаметра и
59
Глава 6. Методы измерения расхода газа
обводную сенсорную трубку малого диаметра, соединенную
своими концами — по образующей — с основным каналом.
Для подачи газового потока в сенсорную трубку в основном
канале в сечении за входом в трубку устанавливается диафрагма с малым проходным диаметром с целью увеличения гидравлического сопротивления основного канала. Так устанавливается коэффициент деления газового потока на основной и
сен
сорный. Этот коэффициент деления остается постоянным
только в диапазоне перепада давлений ∆Р
и ∆Р
min
, указы-
max
ваемый в техпаспорте расходомера. Например, у РРГ-3-10 Ф,С
перепады давления составляют 0,03 и 0,3 МПа соответственно.
При перепаде меньше минимального в сенсорную трубку будет подан меньший расход газа и показания расходомера будут занижены. При перепаде больше максимального нарушится ламинарный режим течения в сенсорной трубке и показания
расходомера будут завы
шены из-за возросшего коэффициента
теплоотдачи при турбулентном режиме течения.
В-четвертых, показания этих расходомеров должны зависеть от ориентации оси расходомера в пространстве из-за термогравитационного компонента естественной конвекции (Gr),
особенно если учесть, что в сенсорной трубке поток трижды
меняет свою ориентацию. В техпаспорте рекомендуется не
допускать отклонений оси расходомера от горизонталь
ного
уровня в пределах ± 5°.
В-пятых, приведенная погрешность измерения расхода
при номиналах 2, 6, 8 мг/с составляет минимум 3
%, а для но-
минала 20 мг/с — 4 %.
6.4. Новый метод измерения расхода газа
Зависимость показаний расходомера от температур входящего газового потока и внешней среды можно исключить без
использования схем термокомпенсации, усложняющих конст-
60
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]