Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Измер консп_лекций - 2013

.pdf
Скачиваний:
24
Добавлен:
03.03.2016
Размер:
3.55 Mб
Скачать

60

Частота f этих вихрей, записанная в безразмерном виде, определяет число Струхаля S:

S f D / U F(Re),

где D — диаметр трубопровода, a U — скорость течения. Число Струхаля постоянно для чисел Рейнольдса, заключенных в диапазоне от 3·102 до 2·105:

f D / U 0,185.

Поэтому скорость и, следовательно, расход жидкости можно определить, измеряя частоту f схода вихрей. Такое измерение можно осуществить посредством емкостных датчиков давления, помещенных по обе стороны препятствия, либо с помощью нагретых нитей, помещенных в следе за препятствием или с помощью пьезодатчика, преобразующего импульсы давления в электрические импульсы той же частоты (рис. 7.3). Достоинствами этого прибора являются широкий диапазон измерений (в принципе максимальный предел измерений может быть в 30 раз больше минимального) и хорошая линейность характеристики. Могут возникать неустойчивости, связанные с трехмерностью течения; используются различные средства стабилизации течения: решетки, другие специальные препятствия в потоке.

Рисунок 7.3 - Вихревой преобразователь перепада давления

При правильном расчете размеров тела обтекания, число St практически постоянно в широком диапазоне изменений числа Рейнольдса Re. В линейном диапазоне измерений частота появления вихрей за телом обтекания зависит только от скорости потока, то есть от объемного расхода, и не зависит от плотности и вязкости среды. Вторичный преобразователь расходомера преобразует импульсы сенсора в аналоговый сигнал 4-20 мА.

61

7.3 Ультразвуковые первичные преобразователи

Методы

измерения. Время распространения tр последовательности

ультразвуковых

 

волн на расстояние L выражается формулой

t р L( c U cos

).

Время tр зависит от скорости звука с, зависящей, в свою очередь, от рода жидкости и от ее температуры.

Можно получить выражение, не зависящее от с, измеряя эффективную величину tр, когда каждый из двух пьезоэлектрических элементов поочередно используется сначала в качестве излучателя, а затем в качестве приемника (рис. 7. 4). Итак, в этих случаях получим

для направления l

2: t р

L /( c

U cos

),

для направления 2

l : t р

L /( c

U cos

) ,

откуда ( t р21 t р12 ) /( t р12t р21 ) 2U cos

/ L .

 

Рисунок 7.4 – Ультразвуковой расходомер. а – схема с двумя пьезоэлектрическими элементами; б – схема c четырьмя пьезоэлектрическими элементами.

Этот результат можно получить и экспериментальным путем, например, с помощью схемы, изображенной на рис. 7.4, б: излучатель Е1 с приемником R2 измеряют t р 21 , а излучатель Е2 с приемником R1 измеряют

t р 21 .

Приход сигнала на каждый из приемников включает новое излучение

соответствующего

излучателя.

Поэтому

частоты

излучаемых

последовательностей волн равны f12

1 / t р12 и

f21 1 / t р21.

 

62

Совместная обработка этих сигналов в нелинейной схеме позволяет отфильтровать на выходе частоту биения fb: fb f21 f12 2U cos / L .

В действительности такой способ дает измерение средней по поперечному сечению трубопровода скорости Um:

 

2 D / 2

 

 

 

U m

 

 

Udr .

 

 

 

D

 

 

 

 

0

 

 

 

 

Средняя по расходу скорость

Ud при

наличии осевой симметрии

 

 

 

 

4Q

4

D / 2

течения выражается формулой

Ud

 

2 rU dr

 

 

 

 

 

D2

 

D2

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

Отношение Um/Ud зависит от профиля скорости в поперечном сечении и числа Рейнольдса Re. Это отношение можно определить, пользуясь эмпирическими формулами. Для больших Re оно близко к 1. На практике описанное устройство необходимо градуировать в условиях, близких к условиям его эксплуатации.

Метрологические характеристики. Ультразвуковые расходомеры позволяют измерять расходы от 0,1 до 105 м3/ч в зависимости от диаметра трубопровода, который может составлять от нескольких миллиметров до нескольких метров; отклонение от линейности менее 10-3 от диапазона измерений; погрешность ±1% от диапазона измерений; время запаздывания зависит от используемой методики, но может быть порядка 10-3 с. Достоинствами прибора являются отсутствие движущих элементов (нет износа) и возмущений течения (нет потерь напора) и независимость от физико-химических свойств жидкости (жидкость может быть электропроводной и неэлектропроводной, корродирующей, заряженной и т.д.). К недостаткам ультразвукового расходомера следует отнести необходимость его градуировки в реальных условиях эксплуатации.

63

8 ИЗМЕРЕНИЕ УСИЛИЙ, УРОВНЯ ЖИДКОСТИ, КОНЦЕНТРАЦИИ, ДАВЛЕНИЙ

8.1 Измерение усилий

Для непосредственного измерения силы могут применяться магнитоупругие и пьезоэлектрические датчики. Принцип действия и свойства этих датчиков рассмотрены выше. В качестве датчиков силы эти преобразователи имеют ряд особенностей, ограничивающих их применение. В магнитоупругих датчиках имеет место преобразование силы в механическое напряжение и механического напряжения в изменение магнитной проницаемости. Для большего изменения последней нужно создать в магнитопроводе значительные механические напряжения по всему сечению магнитопровода. Это возможно при измерении больших величин сил. Диапазон измерения магнитоупругих динамометров обычно составляет 105-106 Н и более. Другой особенностью является невысокая точность этих приборов.

Применение пьезоэлектрических динамометров ограничивается измерением динамических сил. Постоянные и медленно изменяющиеся силы этими приборами измеряться не могут. Недостатком пьезоэлектрических динамометров является трудность их градуировки в статических условиях.

Наибольшее применение нашли динамометры с промежуточным преобразованием силы в перемещение. В качестве такого преобразователя служит пружина. Ее деформация х пропорциональна приложенной силе F: x F / C , где С - жесткость пружины.

Перемещение преобразуется в электрическую величину с помощью реостатного, индуктивного или другого преобразователя перемещения.

В качестве примера на рисунке 8.1 а представлен дифференциальнотрансформаторный датчик динамометра. Он имеет кольцевую динамометрическую пружину 1, к которой посредством шарнирных соединений 2, 3 прикладывается растягивающая сила. Внутри пружины на нижней ее части смонтированы два магнитопровода 4, 5 дифференциальнотрансформаторного преобразователя; якорь преобразователя 6 соединен с верхней частью пружины. При действии растягивающей силы якорь перемещается между полюсами магнитопроводов. Его перемещение преобразуется в электрическое напряжение.

64

В измерительной практике находят применение также динамометры с промежуточным преобразованием силы в деформацию материала.

Рисунок 8. 1 – Датчики усилий (динамометры)

Сила воздействует на упругий элемент, создает в нем механические напряжения и деформирует его. Преобразование деформации материала в электрическую величину производится тензорезистором. В последнее время в датчиках силы для весоизмерительной техники широко используются параллелограммные упругие элементы (рис. 8.1, б). При действии силы F в ослабленных сечениях А-А и В-В появляются упругие деформации. Деформация упругого элемента с помощью тензорезисторов преобразуется в электрический сигнал. Тензорезисторы R1-R4 включаются в мостовую цепь. Применение четырех тензорезисторов, наклеенных на один упругий чувствительный элемент, увеличивает чувствительность моста и уменьшает температурную погрешность прибора.

Достоинством параллелограммного упругого элемента является его хорошая защищенность от поперечных сил, внецентренного приложения силы, изгибающих и вращающих моментов.

Силоизмерительные тензорезисторные датчики ГСП должны удовлетворять требованиям ГОСТ 15077-78.

На использовании тензорезисторов основан принцип действия устройства типа 1ЭДВУ9, которое предназначено для автоматического измерения массы. В различных модификациях диапазон измерения изменяется от 0,030 — 1,6 до 0,16 — 8 т. Класс точности 1,0.

Градуировка и поверка динамометров производится с помощью образцовых мер силы (гирь). В качестве этих мер служат гири. Для точного

65

определения силы тяжести необходимо знать значение g в месте поверки динамометра.

8.2 Измерение уровня жидкости

Измерение уровня жидкости в резервуаре обычно требуется для определения ее количества. Приборы для его измерения можно разделить на две группы: уровнемеры с поплавком постоянного погружения и уровнемеры, основанные на использовании физических свойств жидкости. Показания приборов первой группы мало зависят от вида и свойств жидкости.

Датчики уровнемеров первой группы имеют поплавок, плавающий на поверхности жидкости, и преобразователь его вертикального перемещения в электрическую величину. На рисунке 8.2, а) показана упрощенная схема уровнемера с реостатным преобразователем. Изменение уровня жидкости с помощью поплавка 1 и рычага 2 преобразуется в изменение положения движка реостатного преобразователя 3. Это изменяет токи I1 и І2 в обмотках логометрического измерительного механизма 4. Последний градуируется в единицах уровня или количества жидкости. Если поплавок имеет постоянное сечение Q, то сила, выталкивающая его из жидкости, F xQ, где γ - плотность жидкости; x - глубина погружения поплавка.

Сила F уравновешивается весом G подвижной части датчика, приведенным к поплавку. Глубина погружения при этом x G Q. Изменение плотности жидкости осуществляется путем определения глубины погружения.

Вторая группа уровнемеров более разнообразна по принципу действия. Широко применяются приборы с поплавком переменного погружения (буйковые уровнемеры). Входной величиной такого уровнемера является изменение веса жидкости, вытесненной поплавком (выталкивающая сила).

Так же широко используются емкостные уровнемеры. Преобразователем в таком уровнемере служат два параллельных электрода, погруженных в резервуар, в котором измеряют уровень жидкости. На рисунке 8.2, б) показана схема уровнемера с цилиндрическими электродами. Емкость преобразователя эквивалентна параллельному соединению двух цилиндрических конденсаторов, один из которых заполнен жидкостью с

66

относительной диэлектрической проницаемостью єr и имеет высоту h, другой имеет высоту Н - h и свободен от жидкости.

а)

б)

в)

Рисунок 8.2 – Уровнемеры: а) – поплавковый; б) – емкостный, в) – радиоактивный ИУ-3

Емкость преобразователя

С С0 r h H h C0 H h r 1;

где С0 - емкость единицы длины преобразователя без жидкости;

Н - высота электродов; h - высота уровня жидкости в преобразователе.

Входной величиной емкостного уровнемера является произведение h

r

1 .

 

 

Емкостный уровнемер типа РУС предназначен для измерения уровня диэлектрических и электропроводных жидкостей. Его датчик преобразует измеряемый уровень жидкости в унифицированный выходной сигнал постоянного тока. Для работы с электропроводными жидкостями используются электроды, выполненные в виде проводов с фторопластовой изоляцией, для измерения уровня неэлектропроводных — неизолированные электроды, выполненные в виде коаксиальных труб, гибких троссиков,

67

стальных лент. Диапазоны измерения лежат в пределах от 0-0,4 до 0-20м.

Классы точности — 0,5; 1,0; 1,5; 2,5.

Для измерения уровня агрессивных жидкостей, а также если жидкость находится при высокой температуре или давлении, могут использоваться радиоактивные уровнемеры. В качестве примера на рисунке 8.2, в) приведена схема уровнемера ИУ-3. Уровнемер имеет источник γ-излучения в виде проволоки 2, содержащей радиоактивный изотоп кобальт-60, и ионизационный преобразователь 1 (счетчик Гейгера-Мюллера), расположенные по разные стороны резервуара. Работа прибора основана на изменении поглощения 7 излучения при изменении уровня жидкости. С повышением уровня, когда жидкость входит в пространство между источником 2 и счетчиком 7, излучение, попадающее на счетчик, уменьшается. Для расширения диапазона измерения могут быть использованы несколько счетчиков, расположенных на высоте резервуара. Входной величиной данного уровнемера является произведение плотности жидкости на длину пути частицы от источника до преобразователя.

Уровнемеры второй группы могут применяться для измерения уровня самых разнообразных жидкостей. Однако при изменении вида жидкости уровнемер должен быть переградуирован, поскольку градуировка зависит от свойств жидкости.

Ультразвуковые первичные преобразователи для измерения уровня.

Принцип действия ультразвукового первичного преобразователя (рис. 8.3, а) основан на оценке величины затухания колебаний металлического резонатора, размещенного на конце стержневого волновода, при этом сам волновод нечувствителен к контакту с жидкостью. Затухания такого резонатора увеличиваются при его помещении в жидкую среду, что является информативным признаком контакта резонатора с жидкостью. Возбуждение и прием сигналов колебаний резонатора происходит с помощью пьезоэлектрического преобразователя, вынесенного за пределы резервуара. Волновод позволяет разместить преобразователь в герметичном корпусе датчика отдельно от резонатора, защищая тем самым его от воздействия температуры и давления. Длина волновода может быть различной и изготавливается по заказу.

68

Первичные преобразователи с эхолокацией. В измерителях TS-02

(рис. 8.3, б) волновод выполнен в виде обычной трубы с внутренним диаметром 25мм, проходящей через всю емкость. Секции волновода обычно длиной 2 метра соединяются друг с другом муфтами с резьбой. Реперные отражатели, расположенные в волноводе, могут быть в виде шайб, стержней или отверстий (зависит от типа жидкости). В последнем случае репера выполняют, также, роль дренажных отверстий. Иногда на одном уровне с отверстиями размещают металлические стержни, которые дублируют репер-отверстия в случае “замыливания” последних вязком продуктом. Волновод в резервуаре располагается вертикально. Все металлические детали датчика и волновода изготавливаются из нержавеющей стали.

 

б)

 

 

Рисунок 8.3 – а) ультразвуковой первичный

 

преобразователь; б) бес-

 

контактный

акустический

а)

измеритель

уровня жидких

 

 

продуктов TS-02

69

В конструкцию уровнемера входят приемно-излучающее устройство (ПИУ), система реперных отражателей, расположенных между ПИУ и поверхностью жидкости, электронный блок и вычислительное устройство. Принцип работы измерителя основан на излучении импульсного акустического сигнала в сторону поверхности жидкости и приеме сигналов отраженных от поверхности жидкости и реперных отражателей. Определение дистанции производится по времени распространения звука между поверхностью жидкости и ближайшими реперами. Наличие реперных отражателей позволяет производить автокалибровку измерителя и обеспечивать точность измерения в +2мм.

Измеритель уровня жидких продуктов акустический бесконтактный предназначен для измерения в закрытых и открытых резервуарах уровня нефтепродуктов, кислот, щелочей и т.п. Уровнемер ориентирован на применение в любых типах емкостей и резервуарах судов,

танкеров, барж и т.п., а также

в резервуарах нефтеперерабатывающих

заводов и хранилищах нефтепродуктов.

 

 

Технические

характеристики

бесконтактного

акустического

измерителя уровня жидких продуктов TS-02:

 

Диапазон измерения

0 - 30 м.

 

Точность измерения +/- 2 мм.

 

 

Степень защиты IP68.

 

 

Диапазон рабочих температур -400ºC - +850ºC.

 

Диапазон температур продукта -1000ºC - +1500ºC.

 

Электрическое соединение

двухпроводная линия +4-20мА.

Конструктивные характеристики волновода:

 

Максимальная длина

0 - 30 м.

 

 

Материал нерж. сталь, фторопласт.

 

Диаметр 15 - 45 мм.

 

 

 

Реперный шаг

0,6 - 2 м.

 

 

Длина секций

1 - 3 м.

 

 

 

8.3 Измерение концентрации

В автоматизированном производстве для измерения концентрации наибольшее применение нашли методы, основанные на зависимости физических свойств многокомпонентной системы от содержания ее

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.