Измер консп_лекций - 2013

80

Рисунок 9.3 - Дифференциально-трансформаторный преобразователь Амплитудное значение напряжения пропорционально смещению

якоря относительно нулевого положения. В зависимости от знака смещения это напряжение может быть в фазе или в противофазе с питающим напряжением.

Выходное напряжение преобразователя 1 подается на фазочувствительный выпрямитель 3. Это управляемый выпрямитель, причем полярность выпрямленного напряжения зависит от совпадения или несовпадения фаз входного напряжения Uвх и управляющего Uу. Управляющее напряжение подается от генератора 2 и имеет постоянную фазу. Фаза входного напряжения изменяется на 180 при изменении знака смещения якоря. Напряжение на выходе фазочувствительного выпрямителя пропорционально смещению якоря и имеет полярность, зависящую от его направления. Это напряжение усиливается усилителем 4 и преобразуется в унифицированный токовый сигнал 0-5мА. Для увеличения стабильности усилитель имеет отрицательную обратную связь. Изменением глубины обратной связи регулируется максимальное значение выходного тока.

На основе описанного датчика выпускается семейство датчиков давления и перепада давления, аналогичное семейству датчиков давления и перепада давления с силовой компенсацией. Зависимость тока от измеряемой величины линейная. Класс точности может быть от 0,6 до 1,5. Достоинством датчиков является большой срок службы, который составляет 10 лет.

81

9.3 Магнитомодуляционные датчики

Схема модуля с магнитомодуляционным преобразователем приведена на рис. 9.4. Он состоит из магнитомодуляционного преобразователя (рис. 9.4, а) и электронного блока (рис. 9.4, б).

Магнитомодуляционный преобразователь имеет две катушки, намотанные на кольцевые ферромагнитные сердечники. Соосно с катушками в соответствии со значением измеряемой величины перемещается постоянный магнит N-S. Его перемещение вызывает изменение индукции в сердечниках катушек и, следовательно, индуктивности катушек. Например, при перемещении сердечника вправо индукция в катушке А уменьшается, а в катушке В возрастает. При этом в соответствии с кривой намагничивания магнитная проницаемость сердечника катушки А возрастает, а у сердечника В падает. Это вызывает увеличение индуктивности катушки А и уменьшение индуктивности катушки В. Катушки А к В включены в схему моста переменного тока с выпрямителем. Выпрямленное напряжение на конденсаторе C1 пропорционально перемещению магнита, а его полярность зависит от направления перемещения. Это напряжение усиливается усилителем постоянного тока, построенного на интегральном усилителе VT1 и транзисторе VT2, и преобразуется в ток, который через линию дистанционной передачи поступает в сопротивление нагрузки RH. Ток Iос, пропорциональный току нагрузки Iн, поступает в обмотку обратной связи, размещенную на магнитопроводе магнито-модуляционного преобразователя. Созданный этим током магнитный поток компенсирует изменение магнитного потока, вызванное перемещением постоянного магнита, т. е. обеспечивает действие обратной связи. Благодаря этой связи уменьшается погрешность, вызванная нестабильностью усилителя, гистерезисом магнитомодуляционного преобразователя и другими причинами.

82

Рисунок 9.4 - Схема магнитомодуляционного преобразователя Сопротивление нагрузки RH вместе с сопротивлением линии связи для

преобразователей с диапазоном изменения тока IH = 0÷5 мА не должно превышать 2,5 кОм, а для преобразователей с IH = 0÷20 мА не должно превышать 1 кОм.

Магнитомодуляционные преобразователи используются для построения датчиков давления и разности давлений, аналогичных датчикам с электросиловым преобразователем.

Основная приведенная погрешность не превышает 0,6; 1,0 или 2,5 %.

83

10 ИЗМЕРЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ УСИЛИЙ И ДАВЛЕНИЙ, РАСХОДОВ ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ

10.1 Измерение динамических усилий и давлений

Датчик силы в общем случае строится по схеме, показанной на рис. 10.1. Он состоит из корпуса 1, к которому одним концом прикреплена пружина 2; на второй (подвижный) ее конец действует сила F. С подвижным концом соединен преобразователь перемещения в электрическую величину или устройство отсчета 3. Конструктивные элементы датчика, к которым приложена сила, и устройство отсчета имеют некоторую массу 4. В эту же массу входит приведенная масса подвижных деталей источника силы. Масса вместе с пружиной образует колебательную систему. Для улучшения ее динамических характеристик иногда вводят демпфер 5, создающий силу сопротивления, пропорциональную скорости движения.

Рисунок 10.1 – Схема датчика силы

Аналогичной схемой можно представить и датчик давления с упругим манометрическим элементом (мембраной, сильфоном и т. д.). Сила давления, развиваемая манометрическим элементом, F p Sэф , где р — измеряемое

давление; Sэф — эффективная площадь манометрического элемента.

Роль пружины 2 (рис. 10.1) играет сам упругий манометрический элемент. При измерении давления упругий манометрический элемент деформируется и его объем изменяется. Это вызывает перераспределение

85

10.2 Измерение расхода жидкостей и газов

Расход — это физическая величина, определяемая количеством жидкости или газа, проходящих через трубу или русло в единицу времени. Различают объемный расход Q, когда количество вещества измеряется в объемных единицах, и массовый M, когда оно измеряется в единицах массы. Расход связан со средней по сечению потока скоростью v и площадью его сечения S соотношениями Q v S; Q v S,

где ρ – плотность среды.

Наиболее распространенным методом измерения расхода в трубах является метод его измерения по переменному перепаду давления на сужающем устройстве.

Схема расходомера показана на рис. 10.2. В трубу 1 вставляется устройство 2, сужающее поток, например диафрагма — диск с отверстием. В месте сужения скорость потока возрастает и его кинетическая энергия увеличивается. Это вызывает уменьшение потенциальной энергии, которая определяется статическим давлением. Давление в суженном потоке меньше, чем давление в потоке до сужения. Разность давлений возрастает с увеличением скорости среды и служит мерой расхода. Сужающее устройство является преобразователем скорости потока (или его расхода) в разность давлений. Разность давлений измеряется дифференциальным манометром 3, градуированным в единицах расхода.

Рисунок 10.2 - Схема расходомера

86

Определить зависимость разности давлений от расхода можно исходя из уравнения Бернулли, описывающего состояние потока в сечениях I и II. В общем виде уравнение имеет вид

где р'1 и v'1 – статическое давление и средняя скорость струи в сечении I, где поток еще не сужается;

р'2 и v'2 – то же в сечении максимального его сужения II; h1 и h2 – высоты сечений Ι и ΙΙ над некоторым уровнем; ξ – коэффициент потерь энергии;

ρ – плотность среды; g – ускорение свободного падения.

При выводе функции преобразования сужающего устройства обычно принимают ряд допущений: труба целиком заполнена средой; среда — несжимаемая жидкость или газ, плотность которого изменяется пренебрежимо мало, так как р'1 - р'2 << р'1 труба расположена горизонтально (h1=h2) потери энергии пренебрежимо малы (ξ = О). При этом уравнение (10)

В реальных условиях вместо давления невозмущенного потока р'1 измеряется давление р1 непосредственно перед сужающим устройством, а вместо давления р'2 в наиболее сжатой струе измеряется давление р2 (рис. 10. 2). Кроме того, расчет расхода удобно производить исходя из конструктивного размера S0 — площади отверстия сужающего устройства. Для корректировки формулы в нее вводится поправочный коэффициент α — коэффициент расхода. Коэффициент расхода α зависит от отношения диаметров трубы и сужающего устройства, параметров среды, режима течения (числа Рейнольдса) и характеристик сужающего устройства.

87

где So — площадь сечения сужающего отверстия.

В качестве сужающего устройства обычно используют так называемые нормальные сужающие устройства: нормальные диафрагмы (рис. 10.3, а), нормальные сопла (рис. 10.3, б), трубы Вентури (рис. 10.3, в).

Рисунок 10.3 – Стандартные сужающие устройства Достоинства расходомеров с сужающими устройствами заключаются

в их универсальности. Этими расходомерами можно измерять расход любых однофазных, а в ряде случаев двухфазных сред. Они пригодны для измерения расхода в трубах практически любого диаметра и при любом давлении. Расходомер состоит из сужающего устройства, соединительных трубок и серийно выпускаемого дифференциального манометра, конструкция которого не зависит от измеряемой среды и расхода. Сужающее устройство рассчитывается по стандартной методике. Исходными данными являются условия измерения и входные данные дифференциального манометра. Сужающие устройства изготавливаются потребителем.

Основными недостатками расходомеров с сужающими устройствами являются нелинейная функция преобразования, малое отношение Qmax/Qmin, обычно не превышающее 3, и затруднения при измерении пульсирующих и переменных расходов. Основная приведенная погрешность расходомеров этого типа не превышает 1-3%.

Расход жидкости в трубах с большей точностью может быть измерен с помощью турбинных расходомеров. Устройство датчика приведено на рис. 10.4. Датчик представляет собой турбинку 1, ось которой укреплена в подшипниках 2. На оси запрессован стальной стержень 3. Турбинка

88

установлена в трубе 4, изготовленной из немагнитного материала. Снаружи трубы смонтирован импульсный индукционный преобразователь 5.

Рисунок 10.4 – Турбинный расходомер

При поступательном движении жидкости по трубе турбинка вращается. Если трение в подшипниках пренебрежимо мало, то частота вращения такова, что жидкость проходит между лопастями турбинки поступательно, без вращения вокруг оси турбинки. Частота вращения турбинки пропорциональна скорости движения жидкости. Вращение стального стержня в поле постоянного магнита индукционного преобразователя генерирует в катушке импульсы напряжения. Их частота f пропорциональна частоте вращения турбинки и, следовательно, расходу жидкости. Вторичным преобразователем является частотомер, проградуированный в единицах расхода.

Турбинные расходомеры применяются для измерения расхода чистых жидкостей. Твердые примеси ухудшают качество подшипников, увеличивают трение и погрешность расходомера. Расходомер требует индивидуальной градуировки, поскольку его градуировка справедлива. лишь для одного распределения скоростей жидкости по сечению трубы. При постановке турбинки в трубу другого диаметра распределение скоростей будет иным и градуировка изменится. Погрешность турбинных расходомеров обычно имеет порядок 0,3-1,5%, хотя имеют приборы с погрешностью 0,1%. Расходомеры этого типа могут иметь постоянную времени (до 1-50 мс). Их

89

можно применять для измерения расхода переменных и пульсирующих потоков.

Аналогичные преобразователи служат для измерения скорости потока жидкости в различных точках сечения канала или русла реки.

Они могут также использоваться для измерения скорости судна относительно воды. Для измерения расхода воды и других электропроводных жидкостей могут использоваться индукционные расходомеры, устройство которых показано на рис. 10.5. Жидкость, расход которой измеряется, протекает по трубе 1, изготовленной из изоляционного материала. Труба находится между полюсами магнитной системы 2. Магнитный поток возбуждается переменным током промышленной частоты в обмотке 3. Через трубу проходят два диаметрально расположенные электрода 4, касающиеся жидкости. При ее протекании между электродами появляется ЭДС.

Рисунок 10.5. - Индукционный расходомер Можно считать, что в течение некоторого малого интервала времени

магнитная индукция В в жидкости между полюсами остается постоянной. Электроды, жидкость между ними и измерительная цепь образуют замкнутый контур, причем один его проводник (жидкость) перемещается в магнитном поле. При его перемещении со скоростью v в контуре, имеющем один виток (w = 1), согласно закону электромагнитной индукции индуцируется ЭДС е = B v d, где d – длина "проводника", движущегося в магнитном поле, равная внутреннему диаметру трубы d.