АП ИВК 4 курс / Курсовой проект / мой / методы / Metodicheskie_ukazania_k_laboratornoy_rabote_2

2.3Методическая погрешность измерения расхода

2

1 Цель работы

Целью работы является изучение принципов работы расходомеров, основанных на доплеровском методе определения скорости течения среды, имитационное моделирование работы функциональных блоков датчика с учетом вариации различных характеристик среды, разработка математической модели средств обеспечения нормирования сигнала и компенсации методической погрешности.

2 Теоретическая часть

2.1 Назначение расходомеров

Расходомер – прибор или устройство, предназначенное для измерения расхода вещества. Как правило, в качестве данных веществ принимается жидкость, газ или пар.

Условно расходомеры и счетчики можно подразделить на следующие группы:

А. Приборы, основанные на гидродинамических методах:

1.Переменного перепада давления;

2.Переменного уровня;

3.Обтекания;

4.Вихревые;

5.Парциальные.

Б. Приборы с непрерывно движущимся телом:

1.Тахометрические;

2.Силовые (в том числе вибрационные).

В. Приборы, основанные на различных физических явлениях:

3.Тепловые;

4.Электромагнитные;

5.Акустические (в том числе доплеровские);

6.Оптические;

7.Ядерно–магнитные;

8.Ионизационные.

Г. Приборы, основанные на особых методах: 9. Корряционные; 10.Меточные; 11.Ионизационные.

Среди приборов группы А исключительно широкое применение получили расходомеры с сужающим устройством, относящиеся к прибором переменного перепада давления. Для малых расходов жидкостей и газов

3

служат ротаметры и поплавковые приборы, относящиеся к расходомерам обтекания весьма перспективны вихревые расходомеры.

Из группы Б значительное применение находят различные разновидности тахометрических расходомеров: турбинные, шариковые и камерные (роторные, с овальными шестернями), последние – в качестве счетчиков газа, нефтепродуктов и других жидкостей.

Среди разнообразных приборов группы В чаще других применяют электромагнитные расходомеры для измерения расхода электропроводных жидкостей и ультразвуковые (разновидность акустических) для измерения жидкостей и частичного газа. Реже встречаются тепловые – для измерения малых расходов жидкостей и газов.

Меточные и концентрационные расходомеры, относящиеся к группе Г, служат для разовых измерений, например при проверке промышленных расходомеров на месте их установки. Корреляционные приборы перспективные, в частности, для измерения двухфазных сред.

Количество вещества можно измерять либо в единицах массы килограмм (кг), тонна (т), либо в единицах объема кубический метр (м3), литр (л). В соответствии с выбранными единицами может производиться измерение либо массового расхода Qм (единицы кг/с, кг/ч, т/ч и т. д.), либо объемного расхода Qo (единицы м3/с, л/с, м3/ч и т. д.). Единицы массы дают более полные сведения о количестве или расходе вещества, чем единицы объема, так как объем вещества, особенно газов, зависит от давления и температуры. При измерении объемных расходов газов для получения сопоставимых значений результаты измерения приводят к определенным (так называемым нормальным) условиям. Такими нормальными условиями принято считать температуру tн = 20°С, давление рн = 101325 Па (760 мм ртутного столба) и относительную влажность φ = 0. В этом случае объемный расход обозначается Qн и выражается в объемных единицах.

2.2 Принцип доплеровского метода определения расхода

Доплеровские расходомеры основаны на измерении смещения частоты, зависящем от расхода, данную величину также называют доплеровским смещением частоты (ДСЧ). ДСЧ fd = f1 - f2, возникает вследствие отражения акустических колебаний неоднородностями потока. Разность fd зависит от скорости υ частиц, отражающих акустические колебания и скорости с распространения этих колебаний в соответствии с выражением:

где f1, f2 - исходная и отраженная частоты акустических колебаний соответственно; α' - угол между вектором скорости v частицы отражателя и направлением исходного луча; α" - угол между тем же вектором и направлением луча отраженного.

4

При симметричном расположении излучающего и приемного пьезоэлементов (см. рис. 1) относительно направления вектора скорости потока υ (оси трубы углы) α' и α" равны друг другу.

Рисунок 2.1 Схема доплеровского преобразователя расхода

Таким образом, измеряемая разность частот может служить мерой для измерения скорости υ частиц отражателя, т.е. для измерения местной скорости потока. Это сближает допплеровские ультразвуковые расходомеры с другими расходомерами, основанными на измерении местной скорости.

Главным преимуществом доплеровского метода измерения расхода является бесконтактность. Данная особенность первичных преобразователей, работающих на основе данного метода позволяет применять их в условиях измерения параметров агрессивных сред, а также в тех случаях, когда механическое влияние на гидравлические характеристики движущейся среды имеет отрицательный характер. При этом к негативным факторам использования данного метода относится необходимость присутствия в измеряемой среде частиц (включений), являющихся отражателями для акустического сигнала.

В прикладных задачах определение доплеровского смещения частоты fd, образуемого в результате рассеивания ультразвуковой волны от содержащихся в потоке включений, которыми могут являться газовые пузырьки, границы раздела фаз, твердые частицы, а также турбулентные вихри, возникающие вследствие возмущения потока производится по формуле:

где v – скорость течения эмульсии, f – частота сигнала генератора ультразвуковых колебаний, – угол между вектором потока и направлением распространения основного лепестка диаграммы направленности излучателя.

Отсюда, значение объемного расхода определяется по формуле:

где r – радиус мерного канала трубопровода.

Массовый расход также еще учитывает плотность среды: Qm QV . 5

2.3 Методическая погрешность измерения расхода ультразвуковым методом

Всвязи с тем, что распространение ультразвуковой волны происходит

всреде негомогенной по своему химическому составу и с переменным профилем скорости потока, скорость звука в среде может меняться. Как правило, в прикладных измерительных задачах данное изменение составляет ±5%. Данное отклонение приводит к погрешности. Для введения поправки непостоянства скорости звука в среде на протяжении всего тракта распространения акустической волны, вычисление ДСЧ производят с учетом выражения:

где ci – скорость ультразвука в среде i-го компонента эмульсии, mi – молярная масса i-го компонента, i – относительная объемная концентрация

i-го компонента.

Список значений молярной массы атомов различных элементов представлен в таблице 1.

Таблица 1 Молярные массы элементов

3 Затухание акустического сигнала в среде

Затухание акустических колебаний в измеряемой среде обусловлено ее химическим составом и физическими характеристиками. В общем случае, зависимость амплитуды принимаемого акустического сигнала можно представить в виде выражения:

где A – амплитуда принятого сигнала, A0 – амплитуда сигнала, соответствующего колебаниям, излучаемым в среду, α – коэффициент затухания акустических колебаний, l – глубина распространения волны в среде, γ – относительное газосодержание. В качестве значения l берется диаметр мерного канала трубопровода, т.е. l = 2r.

Для определения затухания используется функция данного параметра, зависящая от состава среды, ее плотности (ρ), скорости течения (c), кинематической вязкости (η) и частоты излучаемых акустических колебаний

(f):

Список значений плотности ряда элементов представлен в таблице 3.

где N – число составляющих компонентов в измеряемой среде. Составляющая методической погрешности, определяемая вариацией

температуры, проявляется наиболее существенно, изменяя значение кинематической вязкости. Тем самым, учитывая в корректирующей передаточной функции кинематическую вязкость, температурная

7

составляющая погрешности учитывается автоматически. В общем виде зависимость кинематической вязкости от температуры можно представить в виде выражения:

где β принимает значение равное 5-7, при этом кинетическая вязкость находится в диапазоне [0,02;4] м/с.

Таблица 3 Значения плотности некоторых элементов

4 Общая информация о пакете LabVIEW

4.1 Структура виртуальных приборов LabVIEW

Система LabVIEW решает ряд задач научного и инженерного характера. В общем виде последовательность применения пакета LabVIEW на этапе проектирования прибора сводится к моделированию среды, в которой данный прибор будет применяться, в том числе динамики изменения измеряемой величины в расчетном диапазоне, факторов, оказывающих влияние на погрешность измерения и других физических аспектов функционирования прибора. После этого проектируются функциональные блоки прибора, подбираемые с учетом моделируемых условий их функционирования. Проверяется эффективно работы данных блоков и всего прибора.

Среда программирования LabVIEW производителя National Instruments представляет собой средство графического программирования, которое широко используется в задачах автоматизации и управления различных технологических процессов в промышленности и научных исследованиях.

В основе программирования в LabVIEW лежит понятие Виртуальных приборов (Virtual Instruments, VI). Любая программа представляет собой виртуальный прибор, который имеет в своем составе «лицевую панель» (Front Panel) и «блок-диаграмму» (Block Diagram). На лицевой панели, как и положено, располагаются элементы управления программой — кнопки, графики, выключатели и т.д. Блок-схема реализует алгоритмы работы программы. При написании программы используется такое понятие, как «поток данных» (Data Flow). Суть его в том, что все элементы программы (которые представлены графически) связываются между собой связями (проводами) по которым и происходит передача данных (см. рис. 4.1).

9

Рисунок 4.1 Пример лицевой панели и блок схемы простейшего VI

Цифрами на рис. 4.1 обозначены: Точки, элементы программы (Nodes);

Терминалы индикаторов (Indicator Terminals); Связи (Wires);

Терминалы управляющих элементов (Control Terminals).

LabVIEW можно использовать для того, чтобы управлять различным оборудованием, таким, как, устройства сбора данных, различные датчики, устройства наблюдения, двигательные устройства (например, шаговые моторы) и тому подобное, а так же GPIB, PXI, VXI, RS-232 и RS-484 устройства. Также в LabVIEW имеются встроенные средства для подключения созданных программ к сети, используя LabVIEW Web Server и различные стандартные протоколы и средства, такие как TCP/IP и ActiveX.

Используя LabVIEW, можно создавать приложения для тестирования и измерений, сбора данных, управления различными внешними устройствами, генерации отчетов. Так же можно создать независимые исполняемые файлы и библиотеки функций, такие как DLL, для данных задач LabView содержит полноценный компилятор.

4.2Типы данных LabVIEW. Контроллеры и индикаторы

ВLabVIEW имеет широкий набор типов данных. Все типы подразделяются на следующие группы:

Логический — классический тип Bool, принимает два значения — Истина (True) или Ложно (False), Отображаются на БД зеленым цветом.

Целочисленные — делятся на знаковые ( I8, I16, I32, I64) и беззнаковое (U8, U16, U32, U64). Цифра после буквы, это число бит которые занимает тип. Отображаются на БД синим цветом.

10