Muratov_V_G_Metrologia_tekhnol_izmer_i_pribor

Рис. 12.6. Чутливі елементи ПП об’ємної витрати рідини й газу:

а) овальнішестірні; б) евольвентнігладкіротори; в) горизонтальнатурбінка; г) вертикальна крильчатка однострумного ПП; д) те ж, багатострумного ПП

Тут під дією різниці тисків до й після ПП виникають моменти сил, прикладені до обох обертових елементів. Обертання елементів при цьому відбувається назустріч один одному, а вимірюване середовище витісняється з вимірювальної камери уздовж її стінок.

УшвидкіснихППвякостічутливогоелементазастосовуютьгоризонтально та вертикально розташовані вертушки (рис.12.6 в,г,д).

Вісь горизонтальної вертушки (турбінки) 4, що називається аксіальною, спрямована по осі потоку вимірюваного середовища. Вертикальну вертушку (крильчатку) 5 у ПП установлюють так, що потік вимірюваного середовища спрямований по дотичній до кола, що описується середнім радіусом вертушки.

Швидкісні ПП підрозділяються на однострумні й багатострумні. В однострумних вимірюване середовище одним потоком підводять у камеру крильчатої вертушки й відводиться від неї на тому ж рівні. Це забезпечує низький гідравлічний опір ПП і відсутність «мертвих зон» для осідання зважених часток, що присутні в рідині або газі. У багатострумних ПП вимірюваний потік підводять у камеру крильчатки 5 крізь нижній ряд отворів 6 і декількома струменями направляють на лопаті крильчатки, приводячи її в обертання. Потім потік піднімається нагору по спіралі й виводиться з камери крізь верхній ряд отворів 7.

За кожний оберт чутливого елемента через ПП проходить відповідний обсяг вимірюваного середовища. По цьому частота його обертання пропорційна об’ємній витраті.

Тахометричні ПП витрати комплектуються механічними або безконтактними перетворювачами швидкості обертання чутливого елемента.

ППіз механічним проміжним перетворювачем найширше застосовують у промисловості й побуті в якості газолічильників природного газу й водолічильників різних типорозмірів. У таких ПП на осі чутливого елемента встановлюють шестерню або черв’ячну пару, яка передає обертання чутливого елемента в рахунковий шестерний механізм зі шкалою й стрілками, аналогічний годинниковому. При цьому частина енергії вимірюваного потоку витрачається на подолання механічних опорів, що знижує точність вимірювання. Такі лічильники мають клас точності 1.5, 2.5.

ППвитрати з безконтактними перетворювачами вільні від зазначеного недоліку. У якості перетворювачів швидкості обертання чутливого елемента тут застосовують розглянуті в розділі 7 наступні перетворювачі переміщення: Холу, індукційні, герконові, тощо.

Як приклад розглянемо безшкальный однострумний тахометричний витратомір з імпульсним вихідним сигналом (рис. 12.7), який застосовують для вимірювання витрати й кількості рідини або газу.

Укорпусі 1 безшкального перетворювача з активним імпульсним виходом фірми Kamstrap обертається крильчатка 2, швидкість якої пропорційна витраті рідини. Корпус крильчатки виготовлений

знемагнітних матеріалів і в неї вмонтовані сталеві голки або магніти 3.

Рис. 12.7. Конструкція безшкального одно-струминного тахометричного витратоміра з імпульсним вихідним сигналом

Голки застосовують в індукційних ПП для замикання магнітного потоку якоря й перетворення швидкості обертання крильчатки в імпульсний вихідний сигнал.

Магніти з тою же метою використовують у перетворювачах 4, які бувають двох видів: ПП Холу або герконові (типу «сухий контакт»).

При проходженні чергової лопати крильчатки з магнітом датчик Холу без інерційно виробляє імпульс вихідної напруги. Величина коефіцієнта перетворення — кількість імпульсів на одиницю минулого обсягу встановлюється типорозміром ПП. Наприклад, для витратоміра з діапазоном вимірювання 0…0.6 м3/год. його значення становить 100 імпульсів на літр середовища, що пройшло крізь ПП. Звичайно тахометричні ПП з імпульсним виходом мають клас точності 1.0 або 1.5.

12.4. Індукційні витратоміри

Індукційні витратоміри призначені для вимірювання електропровідних однорідних рідин або газів. Вони знайшли широке застосування, оскільки не мають рухомих частин, корозійностійкі, не чутливі до хімічного складу рідини, не створюють гідравлічних опорів у трубопроводах і легко промиваються санітарними розчинами в умовах дискретного виробництва. До їх недоліків можна віднести зрив показань при певному рівні забруднювачів, наприклад, пухирців повітря у вимірюваній рідині.

Принцип дії заснований на законі електромагнітної індукції, згідно з яким наведена в провіднику е.р.с. пропорційна швидкості його руху в магнітному полі. Роль провідника, що рухається, відіграє вимірювана електропровідна рідина.

Індукційні витратоміри, наприклад ряду ЕК фірми Aswega (Таллін), один з яких показаний на рис. 12.8, призначені для вимірювання витрат й кількості електропровідних рідин, розчинів і пульп з дрібнодисперсними неферомагнітними частками. Вони працюють у комплекті лічильника рідини типу VA2304 з мікропроцесорним обчислювачем МАР ( тут не показаним).

Рис. 12.8. Схема індукційного витратоміра ЕК-50 фірми Aswega.

Конструкція ПП являє собою ділянку трубопроводу 1 з електромагнітною системою 2 та вимірювальними електродами 3, що ізольовані від трубопроводу за допомогою фторопластової ізоляції 4. При проходженні вимірювальної рідини, наприклад фруктового соку крізь магнітне поле датчика, на електродах 3 виникає електрична напруга, яка пропорційна швидкості рідини. Ця напруга поступає у попередній підсилювач 5 сигналу і далі у мікроконтролер МАР.

Мікроконтролер перетворює сигнали від ЕК-50 в індикацію миттєвого значення витрати й загальної кількості рідини в різних одиницях вимірювання, обраних оператором за допомогою кнопки на передній панелі МАР. При цьому контролер, маючи рідкокристалічний дисплей, виробляє наступні вихідні сигнали:

yіндикації витрати й кількості виміряного середовища класу точності 0.5;

Ультразвуковий сигнал, що поширюється уздовж потоку, досягає протилежного перетворювача першим. Вимірюваний мікроконтролером проміжок часу τ (здвиг фаз) між двома отриманими сигналами, дозволяє розрахувати витрату рідини як добуток часу на об’єм вимірювальної труби.

Температура є сильним впливовим фактором на швидкість поширення ультразвуку в робочому середовищі. Тому в конструкції ULTRAFLOW II передбачена температурна корекція результатів вимірювання, що досягається за допомогою вбудованого термометра опору. Мікропроцесор ULTRAFLOW II перетворює вимірювану витрату рідини в імпульси, причому величина перетворення (кількість рідини на імпульс) установлюється при програмуванні перетворювача перед монтажем.

У циклі вимірювання, виконуваному мікроконтролером ULTRAFLOW II щосекунди (табл. 1), передбачено 8 вимірів, у тому числі 3 калібруючих, що забезпечує зниження похибки вимірювання витрати й температури за допомогою розглянутого в §2.4 методу «зразкових сигналів».

Таблиця 1

Алгоритм функціонування ультразвукового витратоміра

ULTRAFLOW II

що підключаються. Обчислювач може використовуватися в якості багатоканального вимірювача температури, тиску, витрати й кількості, тобто теплолічильника, наприклад, типу Х12, що розглянуто

§19.2.

Ультразвукові ПП витрат загально мають класи точності 0,5 або 1,0.

12.6. Вихрові витратоміри

Сьогодні на харчових виробництвах починають використовувати вихрові витратоміри, які пропонують відомі виробники ЗВТ витрат рідини та газу.

Вихровими називають витратоміри, засновані на вимірюванні частоти коливань, що виникають при установці в потоці тіла обтікання.

На рис. 12.11 показаний характер утворення вихрів за тілом обтікання, установленим перпендикулярно осі потоку вимірюваного середовища. При цьому виникає прискорення струменів, що прилягають до тіла, з одночасним падінням тиску в них, а безпосередньо за обтічним тілом утворюється мертва зона зі зниженим тиском.

Рис. 12.11. Характер утвору вихрів у потоці за тілом обтікання

Прилягаючі до тіла обтікання струмені під впливом наростаючого тиску потоку починають ухилятися в область мертвої зони та звиватися у вихри, які відриваються й прагнуть рухатися у зворотному напрямку. Це явище має місце з двох сторін тіла обтікання, причому розвиток вихру з однієї сторони перешкоджає такому ж розвитку з іншої. У результаті утворюється вихрова доріжка Кармана із шаховим розташуванням вихрів у неї. Частота f зриву (пульсацій) цих вихрів визначається рівнянням:

де V — швидкість потоку в зоні вихроутворення; VB — швидкість вихру, спрямована протилежно швидкості V; L — відстань між вихрами.

Між витратою F0 і частотою пульсацій ƒ, згідно з теорією Струхала, існує пряма пропорційна залежність:

де s — найменший поперечний переріз потоку навколо обтічного тіла; d — характерний розмір, наприклад, діаметр циліндра обтікання; Sh = d×f / V — критерій Струхала.

Ця залежність є основою роботи сучасних вихрових витратомірів, що відрізняються між собою принципами дії чутливих елементів.

Чутливимелементомвихровихвитратомірів, наприкладVORFLO, є крило 1, встановлене в корпусі датчика 2 за тілом обтікання 3, яке сприймає коливання доріжки Кармана (рис. 12.12). П’єзокристал 4, який монтують у корпусі ПП за допомогою втулки і стяжки на різьбленні, знаходиться у контакті з верхньою частиною крила 1. Коливання крила 1 за допомогою п’єзокристала 4 перетворюються в електричний сигнал відповідної частоти. Цей сигнал по проводах 5 йде до попереднього підсилювача і далі в мікроконтролер, який змонтовано на платах 6 у корпусі 7, що кріплять за допомогою різьблення на стяжці.

Витратомір може мати індикатор 8 результатів вимірювання, які мікроконтролер перетворює у вихідні уніфіковані аналогові, числоімпульсні й цифрові сигнали класу точності 1.0.

Увихроакустичних витратомірів Метран-305ПР п’єзовипромінювач створює ультразвукові коливання поперек доріжки Кармана. П’єзоприймач на іншому боці ПП сприймає послаблені вихрами ультразвукові коливання і перетворює їх в електричний сигнал, що йде до мікроконтролера. Тут сигнал фільтрують, виділяючи його інформативнускладову— значеннячастотиf пульсаційвихрів, коректують по температурі і виробляють відповідні вихідні уніфіковані сигнали (алоговий, імпульсний та цифровий) класу точності 1,0.

Увихрових витратомірах Метран-331 використовують два симетричних п’єзоперетворювача тиску, що розміщені в корпусі ПП за тілом обтікання. Вони сприймають пульсації доріжки Кармана і виробляють електричні сигнали, які йдуть до мікроконтролера, встановленого на корпусі ПП. Сюди ж поступає і корегуючий сигнал

від термометра опору, вмонтованого в тіло обтікання. Після фільтраціїірозрахунківмікроконтролерформуєпоказаннядисплею, тавихідні уніфіковані струмовий й імпульсний сигнали класу точності 1,0.

Рис. 12.12. Вихровий витратомір VORFLO фірми Danfoss: а) загаль-

ний вигляд; б) конструкція

Основним обмеженням застосування вихрових витратомірів є їхня нестійка робота при малих швидкостях та неоднорідності потоку робочого тіла, чутливість до стрибків температури, впливу завихрень вище й нижче за течією від ПП, тощо.

12.7. Масові коріолисові витратоміри

У харчовій промисловості коріолисові витратоміри застосовують для точного вимірювання масових витрат і кількості молочних продуктів, пива й вина, напоїв й газів, соків, шоколаду, пюре й сиропів, патоки й сусла, лужин й кислот, інших рідин та газів. Вони не пред’являють особливих вимог до монтажу, в них немає рухомих деталей, вони не вимагають прямолінійних ділянок трубопроводу для монтажу, необхідності в технічнім обслуговуванні.