Измер консп_лекций - 2013

90

Поскольку индукция изменяется гармонически с частотой питающего напряжения, то индуцированная ЭДС изменяется таким же образом. Ее действующее значение Е = B v d, где В – действующее значение индукции.

ЭДС пропорциональна скорости протекания жидкости и, следовательно, ее расходу. ЭДС преобразователя усиливается усилителем переменного тока и подается на указатель. Значение ЭДС может также измеряться и регистрироваться автоматическим потенциометром переменного тока. Генерируемая ЭДС имеет порядок нескольких милливольт.

Индукционные расходомеры пригодны для измерения расхода вязких, агрессивных и сильно загрязненных (пульп) жидкостей. Расходомеры безынерционны и могут служить для измерения расхода быстропеременных и пульсирующих потоков. Индукционные расходомеры типа ИР-1М имеют диаметр условного проходного отверстия от 10 до 80 мм. Верхние пределы измерения - от 0,32 до 160 мз/ч. Основная погрешность 1-1,6 %.

Для измерения жидкости в открытых руслах и не полностью заполненных трубопроводах может применяться щелевой расходомер. Он имеет (рис. 10.6, а) резервуар 1, в который из трубы 2 наливается жидкость. Перегородки 3 служат для ее успокоения. В стенке резервуара есть щель 4, из которой жидкость свободно вытекает. Щель треугольной формы показана на рис. 10. 5, б. Уровень жидкости в резервуаре h зависит от измеряемого расхода. С помощью поплавкового уровнемера уровень жидкости преобразуется в показания прибора.

Рисунок 10. 6 – Щелевой расходомер

Ультразвуковые расходомеры бывают стационарными и переносными с накладными датчиками. Эти приборы позволяют измерять скорость жидкости или газа без нарушения целостности трубы и остановки рабочего

91

режима трубопровода. Тип измерения – времяимпульсный: скорость звука в среде зависит от направления ее движения. Прибор состоит двух накладных датчиков и блока электроники. Датчики 1 (см. рис 10.7) крепятся на внешней поверхности трубы 2, и подключаются с помощью специального кабеля к вторичному прибору. Датчик, одновременно являясь и излучателем и приемником, последовательно отправляет и принимает ультразвуковой сигнал. Сравнивая время прохождения сигнала по и против направления течения потока, автоматически вычисляется скорость. Возможно измерение расхода в прямом и обратном направлении.

Диапазон измеряемой скорости: 0,01…25м/с. Точность +/-0,5%. Корпус накладного датчика выполнен из нержавеющей стали. Крепление на трубе производится с помощью хомутов, зажимов или магнитов. Диаметр трубы от 10мм до 6,5м. Вторичный преобразователь представляет собой блок электроники со встроенным дисплеем. Выполняется в стационарном или переносном исполнении. Зная скорость потока жидкости и диаметр трубы, вторичный преобразователь производит автоматическое вычисление объемного и массового расхода потока. Имеет импульсные, частотные и аналоговые входы с программируемыми диапазонами (4…20мА; 0…1/10В). При необходимости возможно подключение термометров сопротивления

PT100.

Таблица 10.1 – Характеристики ультразвуковых расходомеров

92

v

Рисунок 10.7 – Схема ультразвукового расходомера

Массовый расходомер, основанный на принципе Кориолиса, для одновременного измерения массы, плотности и температуры

Первичный датчик состоит из двух неразъемных элементов, представляющих собой параллельные измерительные трубки. Устойчивая к скручиванию и к изгибу конструкция, соединяющая вход и выход расходомера, разработана таким образом, чтобы изолировать трубку от внешних сил и моментов. Входной и выходной концы измерительной трубки приварены к разделителям потока. Такая конструкция минимизирует воздействие внешних вибраций на измерения. Длительный срок работы достигается за счет отсутствия сварных швов на участках, подверженных механическим нагрузкам,

Применение: химическая, пищевая, фармацевтическая нефтехимическая промышленности; для измерения расходов, плотности и температуры растворителей, бензина, нефтепродуктов, масла и др.

93

Технические характеристики:

измерение массового расхода, плотности и температуры;

высокая точность измерений (погрешность 0,15-0,4% от номинального значения измерений);

высокий диапазон температур измеряемой среды от -50°С до 180°С;

диапазон измерения плотности 0.5 кг/дм3 - 3.5 кг/дм3;

точность, измерение температуры: от -50°С до +180°С - ±1.5°С; от

-20°С до +120°С - ±0.5°С;

два токовых выхода и один импульсный выход.

Вихревые расходомеры применяются для измерения объёмного расхода пара, газа и жидкостей.

Основными достоинствами вихревых расходомеров моделей Vortex и

Swirl (рис. 10.10) являются:

Отсутствие в конструкции движущихся или изнашиваемых деталей, необходимости настройки.

Имеется исполнение расходомера для взрывоопасных зон.

Один сенсор для жидкостей и газов, унифицированный вторичный преобразователь для всех типоразмеров.

Первичный преобразователь устанавливается непосредственно в трубопровод.

Вторичный преобразователь оснащен цифровым фильтром, обеспечивающим измерения даже при слабом уровне сигнала от сенсора.

94

Возможность неконтактного управления при помощи магнитного стека.

Возможность установки в первичный преобразователь датчика температуры.

Возможность дублирования измерительного сенсора в одном первичном преобразователе для особо ответственных позиций.

Точность измерения расхода: жидкостей: в пределах ± 0,75%; газов: в пределах ± 1% от измеренной величины.

Простая и надежная конструкция первичного преобразователя.

Возможность монтажа первичного преобразователя на место установки измерительной диафрагмы или сопла.

Наличие специального высокотемпературного исполнения до

400°С.

Наличие специального исполнения для высоких рабочих давлений до 250 бар.

Рисунок 10.10 – Вихревые расходомеры (модель FV4000-VT4 (Vortex) и

модель FS4000-ST4 (Swirl)

Расходомеры, использующие вихри на оси потока и эффект Коанда.

Расходомеры первого типа основаны на генерации колеблющихся вихрей с помощью насадка на входе в прибор (рис. 10.11). Частоту колебаний вихря, связанную со скоростью течения, можно измерить пьезоэлектрическим датчиком. Расходомер этого типа имеет широкий диапазон измерений (отношение максимального предела измерений к минимальному достигает 100) и линейную характеристику.

Расходомер, основанный на эффекте Коанда, использует тот факт, что струя, текущая вблизи стенки, прилипает к ней; создав возмущение, можно вызвать отрыв струи и присоединение ее к другой стенке. Эффект Коанда

95

позволяет реализовать жидкий осциллятор, частота которого линейно зависит от расхода. Измерение осуществляется терморезистором, размещенным вблизи одной из стенок и находящимся при постоянной температуре; соответствующий сигнал определяется частотой колебаний жидкости.

Измеряемые расходы, в зависимости от конструкции таких приборов, составляют от 10-3 до 10 м3/с, а пределы измерений одним прибором обычно отличаются в 10 раз.

Рисунок 10.11 – Расходомер с осевым вихрем

96

11 ИЗМЕРЕНИЕ СТАЦИОНАРНЫХ ТЕМПЕРАТУР

Любой термометр измеряет температуру своего чувствительного элемента. Эта температура может отличаться от температуры среды, которую требуется измерить. Разница температур обусловливает методическую погрешность измерения.

Довольно часто датчик температуры (термопара, термометр сопротивления и т. п.) расположен так, что в среде, температуру которой нужно измерить, помещается только его чувствительный конец, а нерабочий конец с выводными проводами находится вне этой среды. От среды или тела, температура которых измеряется, тепло переходит к нерабочему концу и рассеивается им в окружающую среду. Даже в стационарных условиях датчик участвует в сложном теплообменном процессе. Температура в различных его точках различна. Наиболее существенна температура чувствительного элемента, который располагается на конце датчика. Чем меньше тепла рассеивает чувствительный конец, тем меньше разность температур между ним и измеряемой средой. При их равенстве чувствительный конец не рассеивает тепло и не получает его.

Теплообмен между телами может происходить в результате трех факторов: теплопроводности тел, конвекции и теплообмена излучением (лучеиспускания).

1. При теплообмене путем теплопроводности тепловой поток проходит от изотермической поверхности с более высокой температурой Θ1 к изотермической поверхности с более низкой температурой Θ2. В одномерном тепловом поле через площадку площадью Q, перпендикулярную тепловому потоку, проходит поток мощностью.

температуры при переходе с одной изотермической поверхности на другую, расположенную на расстоянии ∆l.

Предел lim(∆Θ/∆l) при ∆l→0 называется градиентом температуры в данной точке тела. Коэффициент теплопроводности λ очень мал у газов, несколько больше у жидких тел и еще больше у твердых. Особенно велик он

уметаллов.

2.Конвекция имеет место на границе раздела твердого тела с жидкостью или газом или жидкости с газом. Она бывает естественной и

97

вынужденной (принудительной). Естественная конвекция происходит при тепловом расширении жидкости и газа вследствие изменения их плотности. Более теплые частицы вытесняются вверх более холодными, имеющими большую плотность. Смена теплых частиц холодными возле поверхности тела приводит к ее теплоотдаче. Вынужденная конвекция происходит вследствие перемешивания жидкости или газа искусственным путем. Она всегда сопровождается естественной конвекцией. Однако в этом случае роль естественной конвекции может быть невелика. Мощность теплового конвективного потока, проходящая через границу раздела двух сред,

где Qp – площадь поверхности раздела двух сред, имеющих температуры Θ1 и Θ2; α – коэффициент теплообмена.

Значение α зависит от многих факторов: температуры, теплоемкости сред, их плотности, вязкости и других параметров. Его значение сильно увеличивается при увеличении скорости обтекания поверхности раздела.

3. Все тела излучают энергию, причем зависимость мощности излучения от абсолютной температуры Т определяется соотношением

где С – коэффициент излучения тела, зависящий от состояний его поверхности.

Одновременно с излучением тело поглощает излучение других тел. Мощность теплообмена излучением между двумя телами, имеющими абсолютные температуры Т1 и Т2, равна

где С12 – некоторый эффективный коэффициент излучения, зависящий от коэффициентов излучения одного и другого тела.

Рассмотрим более подробно теплообменный процесс термометра. Термометр 1 (рис. 11.1, а) монтируется в стенке 2 объекта, температуру среды Θ1 внутри которого требуется измерить. Конец термометра, находящийся в объекте, омывается горячим потоком вещества, и в термометр конвективным путем вводится тепловой поток q. Он проходит по телу термометра, нагревает стенку в месте его монтажа, проходит далее по холодному концу термометра и рассеивается в окружающей среде. Распределение температур вдоль термометра схематически показано на рис. 11.1, б. Для того чтобы температура чувствительного конца термометра Θ2 была близка к

98

температуре Θ1, нужно увеличить тепловой поток, нагревающий термометр. Мощность этого потока определяется выражением (11.2) и зависит от коэффициента теплопередачи α. Значение α мало при естественной конвекции и возрастает при принудительной конвекции с увеличением скорости потока возле термометра. При измерении температуры жидкостей или газов, проходящих по трубам, для увеличения α чувствительную часть термометра нужно помещать в таком месте, где поток турбулентен и его скорость наибольшая (рис. 11.2). Поток завихряется на изгибах трубопровода, в местах сужения и у других местных сопротивлений. На прямолинейных участках скорость потока максимальна в середине сечения трубы. Для увеличения точности измерения температуры горячих, например дымовых, газов, когда скорость газа в основной трубе недостаточна, используют так называемую отсасывающую термопару. Она представляет собой трубку малого диаметра, врезанную в основной трубопровод; в трубку с некоторым зазором вставлена термопара. Газ прокачивается через трубку мимо термопары. Скорость отсоса газа должна быть такова, чтобы коэффициент теплопередачи был близок к максимальному.

Рисунок 11. 1 – Теплообменный процесс термометра

99

Рисунок 11. 2 – Схема установки термометра (термопары) для повышения коэффициента теплопередачи α

Мощность проходящего через термометр теплового потока возрастает с увеличением площади теплообмена. Площадь можно увеличить увеличением глубины погружения термометра. Θ2 была близка к температуре Θ1

Температура вдоль термометра меняется от температуры Θ2 (рис. 11.1), близкой к измеряемой температуре, до температуры Θ4, близкой к внешней температуре Θ5. Вдоль термометра имеется градиент температуры и существует тепловой поток, обусловленный теплопроводностью. Если измерительный конец термометра получает тепло от окружающей его среды только путем конвекции, то другие участки термометра, находящиеся внутри объекта, получают тепло также и путем теплопроводности от более нагретых участков (рис. 11.1, а). Вследствие этого при удалении от стенки объекта 2 градиент температур l в термометре уменьшается, также уменьшается и тепловой поток, передаваемый путем теплопроводности. В пределе при очень большой длине термометра l внутри объекта градиент температуры l на чувствительном конце стремится к нулю, к нулю стремится и тепловой поток, передаваемый от него путем теплопроводности. Если нет других потерь тепла, то температура Θ2 будет равна температуре окружающей среды Θ1.

Длину термометра не всегда можно увеличить по конструктивномонтажным соображениям. В этом случае для уменьшения теплового потока, исходящего от измерительного конца, можно рекомендовать теплоизоляцию его противоположного конца и места прохода через стенку объекта. Это