книги из ГПНТБ / Ильинский В.М. Измерение массовых расходов

ниям температуры, давления и физических характеристик измеряемого потока. Основным недостатком этого спо­ соба является невозможность градуировки и проверки работоспособности системы при отсутствии вращения крыльчаток.

Наиболее точно временной интервал -может быть сформирован в том случае, когда его границами явля­ ются нулевые точки значения э. д. с. при смене ее поляр­ ности. Это следует из того, что, во-первых, нулевые значения э. д. с. соответствуют моменту прохождения лопасти крыльчатки с магнитопроводящей пластиной через продольную ось магнита; во-вторых, положение нуля э. д. с. не зависит от частоты вращения крыльча­ ток; в-третьих, э. д. с. имеет наибольшую крутизнѵ в нуле {Л. 52].

Нуль-органы выделяют граничные значения времен­ ного, интервала. Сам же временной интервал формиру­ ется триггером, который устанавливается в состояние 1 импульсом, генерируемым первым нуль-органом, в со­ стояние 0 импульсом, генерируемым вторым нуль-орга­ ном. В результате время пребывания триггера в состоя­ нии 0 равно временному интервалу At.

Для того чтобы нуль-орган не срабатывал под дей­ ствием помех во время отсутствия входных сигналов, в схеме формируются стробирующие импульсы, которые включают нуль-органы только на время прохождения импульсов магнитоиндукционного генератора, «се осталь­ ное время нуль-органы выключены. Стробирующие им­ пульсы вырабатываются специальными формирователя­ ми. Их начало соответствует моменту достижения вход­ ным сигналом заданного уровня, превышающего мак­ симальное значение помехи, а конец — моменту сраба­ тывания нуль-органа.

Для точного измерения промежутка времени требу­ ется, как и в широко применяемом в настоящее время фазовом методе измерения угла, идентичность формы им­ пульсов с обеих крыльчаток, что в первую очередь дости­ гается при одинаковых условиях подхода и ухода отмет­ чиков на крыльчатках относительно индукционных пре­ образователей [Л. 42].

При различном расстоянии отметчиков от индукцион­ ных преобразователей амплитуды сигналов начала и конца измеряемого интервала времени будут различны­ ми даже при полной идентичности магнитоиндукционных

101

узлов. Это обстоятельство вызовет временное несоответ­

ло каждый раз в момент времени, соответствующий нуле­

на выходе магнитоиндукционного генератора. Очевидно, существуют зависимости

нию входными усилителями измерительной схемы расхо­ домера и sy — крутизна сигнала в области рабочей точки.

время является стартовым, а другой—стоповым, изме­ рительная схема должна содержать схему совпадения,

102

обеспечивающую работу схемы измерения, начиная только со стартового сигнала.

При работе с магнитоиндукционными преобразовате­ лями необходимо учитывать идентичность их активного и реактивного сопротивлений, определяющих собствен­ ную фазовую 'погрешность, которая приводит к запазды­ ванию магнитного потока относительно изменения маг­ нитного сопротивления. При допущении, что фазовая ха­ рактеристика линейна для небольших фазовых искаже­ ний, эту погрешность можно оценить по первой гармонике:

где R — активное магнитное сопротивление магнитоиндукционного генератора и %макс — реактивная составля­ ющая магнитной цепи при максимальной частоте сигна­

крыльчаток.

Практическое исследование схем измерения проме­ жутка времени, проведенное И. И. Ивановой, А.Я.Кор­ ниенко и В. Г. Троицким [Л. 51], заставляет отдать пред­ почтение схеме с независимым включением магнитоиндукционных генераторов. Анализ этой схемы позволяет сделать следующие выводы:

торов « элементов устройства, формирующего времен­ ной интервал;

2) в области малых расходов погрешность в основ­ ном определяется нестабильностью работы нуль-ограна;

3)в области больших расходов основная погреш­ ность обусловлена различными фазовыми сдвигами сигналов магнитоиндукционных генераторов;

4)в обоих случаях погрешность не превосходит 0,3%

Д4іакс = 5 мсек;

5) для повышения точности формирования времен-' ного интервала необходимо строго контролировать и при необходимости производить отбор магнитоиндукционных генераторов.

103

рен. Основной метод измерения интервалов времени в диапазоне от секунд до микросекунд — это метод срав­ нения их с меньшими прокалиброванными интервалами времени. Измеритель состоит из кварцевого генератора калиброванных импульсов, вентиля и счетчика. На вен­ тиль поступает сигнал длительностью At с триггера формирующего устройства и последовательность им­ пульсов от генератора. За один цикл измерения в счет­ чике фиксируется двоичный код, соответствующий вре­ менному интервалу А^.

В аппаратуре, использующей один нуль-орган, не­ возможно измерять расходы, меньшие 0,3 Gмакс. При таких малых расходах сигналы от обоих магниточндукционных генераторов накладываются друг на друга. За­ служивает внимания способ измерения расхода, позво­ ляющий измерять очень малые расходы. Он заключает­ ся в том, что матнитопроводящие пластины .располагают на крыльчатках таким образом, что при расходе, равном нулю, импульсы первого и второго магнитонндукционных генераторов сдвинуты относительно друг друга на 180°. Во избежание наложения импульсов при больших расходах максимальный угол относительного разворота крыльчаток ограничивается. Измерительное устройство при таком способе несколько усложняется: применяют реверсивный счетчик, в 'котором импульсы эталонной ча­ стоты не суммируются в интервале времени между им­ пульсами первого и второго магнитоиндукционного гене­ ратора, а вычитаются между импульсами второго и первого. В результате в счетчике фиксируется значение, равное 2At.

Испытания показали, что измерение временного ин­ тервала может быть проведено со среднеквадратичной погрешностью, не превышающей 0,3% максимального значения At [Л. 51],

Для электронно-цифровых способов измерений, сущ­ ность которых состоят в счете числа импульсов генера­ тора эталонной частоты, укладывающихся в измеряемом временном интервале, характерно наличие погрешностей, вызванных неопределенностью и рассеянием моментов прихода старт-и стоп-импульсов.

При измерении At частота заполнения промежутка времени между отмечающими импульсами должна обе­ спечить заданную погрешность ôB . В то же время излиш­ нее увеличение частоты заполнения приводит к значи-

104

тельному усложнению вторичной схемы. Очевидно, что желательно найти минимальную частоту заполнения, причем понижение необходимой частоты заполнения мо жет быть достигнуто увеличением Д^ и, следовательно, с этой точки зрения выгодно понижать угловую скорость измерительной системы и увеличивать угол сдвига ср упругосвязанной крыльчатки.

Величина угла срмакс ограничивается упругими свой­ ствами пружины и при угле более 180° труднотіолучить линейную характеристику упругого элемента. Промежу­ ток времени Д^ в секундах при оборотах крыльчатки п об/мин и угла сдвига отметчиков <ср в градусах выра­ зится :

п- 360 6л

Расчет необходимой частоты заполнения ведется по Мтш, так как только в этом случае в измеряемом про­ межутке времени будет находиться минимальное количе­ ство заполняющих импульсов, которые определяют точ­ ность измерения At.

Зависимость промежутка времени от массового рас­ хода At = f(G) линейна. Если коэффициент кратности из­ меряемых расходов T) = G„aK,c/GMI,m' то отношение

Д<макс/Д4пга ТЭКЖе будет раВНО Т] Я ТОГДа Д4іакс= ,пА^іин или

В устройствах дискретного счета абсолютная погреш­ ность измерений всегда составляет ± 1 гц. Таким обра­ зом, зная заданную погрешность измерения об и найдя Д^мшь можно определить оптимальную частоту следова­ ния заполняющих импульсов. Для этого приравниваем заданную погрешность измерения в абсолютной величи­ не от Д^міш к одному периоду искомой частоты. При погрешности б6, выраженной в процентах, формула для определения частоты заполняющих импульсов выразится:

•и формула погрешности по частоте заполнения выразит­ ся как

105

Все вышеприведенные выражения рассматривают процесс измерения, когда зависимость промежутка вре­ мени от расхода линейна и при условии отсутствия рас­ хода, но вращения чувствительных крыльчаток, импуль­ сы, генерируемые соответствующими индукционными узлами, не имеют никакого временного расхождения. Очевидно, что если на холостом ходу расходомера от­ метчики крыльчаток генерируют в соответствующих магннтоиндукцнонных узлах импульсы с каким-то вре­ менным расхождением, то тогда при наличии расхода промежуток времени At будет слагаться из ДА, завися­ щего от величины расхода, и .ДА, определяемого посто­ янным углом ф2 рассогласования холостого хода. Абсо­ лютная величина ДА будет изменяться в зависимости от оборотов крыльчаток, а относительная величина будет зависеть еще и от величины ДА-

точность измерения. Вопрос о совпадении отмечающих импульсов важен еще и потому, что очень часто из-за конструктивных соображений индукционные датчики сме­ щаются относительно друг друга по наружной поверх­ ности корпуса расходомера. Это вызывает необходи­ мость аналогичного смещения отметчиков на подвижных крыльчатках расходомера.

Отношение абсолютной величины ДА к' величине ДА будем называть относительной погрешностью Ô7 проме­ жутка времени At от несогласования индукционных от­ метчиков:

s >=4TT - І О О 7 О = Т ^ - І О О Ѵ . .

Из зависимости Д^ от оборотов и угла рассогласова­ ния видно, что при {jp2=const равенство ДА=<Р2/('г*6) или ор2=СДАп представляет уравнение равносторонней гиперболы, отнесенной к асимптотам (асимптоты приня­ ты за оси координат). Очевидно, что ДА и п имеют одинаковые знаки, так как их произведение равно поло­ жительной величине срг/б. Из этого следует, что от несо­ гласования отметчиков при переменных оборотах крыль­ чаток погрешность своего знака менять не может. Знак погрешности определяется лишь тем, какой из отметчи­ ков первым генерирует импульсы при холостом ходе расходомера. Очевидно, что при возрастании оборотов ДА уменьшается, приближаясь к нулю.

10G

В расходомерах с выходным сигналом в виде проме­ жутка времени At возможно три варианта привода чув­

расхода относительная погрешность будет уменьшаться.

Так как в расходомерах с гидроприводом с увеличе­ нием расхода возрастают At\ и обороты крыльчаток, а A4 падает, то погрешность измерения с увеличением расхода также будет уменьшаться.

При асинхронном приводе с увеличением расхода зна­ чение Ah возрастает, а обороты падают. Это вызывает увеличение А/_ по абсолютной величине. При условии, что Ati много больше At2 на малых расходах, Ô7 с уве­ личением расхода понижается, та к как в рабочем диа­ пазоне величина А^і возрастает в несколько раз, а скольжение электропривода не превышает 10—15%.

Таким образом, в режиме .малых расходов при всех вариантах приводов крыльчаток относительная погреш­ ность Ô7 максимальна. Поэтому расчет допустимого угла рассогласования ведется относительно А і ш ш . При этом зная А^іміщ и исходя из требуемой точности, определяют А/гмпш а затем и угол срг, соответствующий Д4мнн, причем обозначения «макс» и «мин» в индексах относятся соот­ ветственно к максимальному и минимальному расходу независимо от их величины. Так, при синхронном приво­

Подставляя значения промежутков времени Atimm и Д*2міш в выражение погрешности Ъъ последнюю можно выразить через углы рассогласования:

Искомое угловое рассогласование отметчиков может быть выражено через угловое рассогласование индукци­ онных преобразователей

^7?імакс

107

где т)п = ИмаксМмин — коэффициент изменения скорости расходомера.

Для синхронного привода цп = і, для асинхронного — несколько меньше единицы. Для расходомеров с гидро­ приводом Пп примерно равен коэффициенту кратности расходов. Это объясняется тем, что в расходомерах с гид­ роприводом, как правило, приближенно можно считать зависимость оборотов от скорости потока прямо пропор­ циональной.

На рис. 28 показано изменение погрешности 67 в за­ висимости от величины л при угле рассогласования

Рис. 28.

Фмако=180°, коэффициенте т)и = Ю и при ф 2 = Г , ф2 = 30' и Ф2=10'. Пунктирными линиями показано изменение требуемой величины срг при вышеуказанных условиях для ô 7 = l % и 07 = 0,5%. Из графика в и д н о , что при увеличе­ нии коэффициента л требования на согласование отмет­ чиков существенно повышаются.

•При определении коэффициента цп необходимо учи­ тывать, что скорость потока 'Изменяется в зависимости от

из условия наибольшей возможной плотности измеряемо­ го потока. Подсчет угловой скорости производится по обычной формуле д л я оборотов идеальной крыльчатки

108

с шагом In

pS/n

В случае измерения мгновенных расходов допустимо, чтобы градуировочная характеристика не проходила через нуль и некоторую нелинейность, так как интерес представляют лишь измерения величины Atz в диапазоне измерения. •

Рассмотрим вопрос допустимого углового рассогласо­ вания отметчиков при измерении мгновенных расходов. Для этого случая обозначим A4 как Atzo- Отметим, что при синхронном приводе крыльчаток всегда A4o=const и рассогласование отметчиков должно лишь обеспечи­ вать возможность измерения Д^.

При асинхронном приводе А4о запишется:

г д е "мня — "макс _ _ s е с т ь скольжение асинхронного при-

" м и п

вода расходомера при условии совпадения птт с оборо­ тами холостого хода двигателя, что, как правило, с до­ пустимой степенью точности и встречается на практике.

Тогда

Сравнивая полученное выражение с предыдущими, можно отметить, что в знаменателе коэффициент ни за­ меняется на s. Для обычных асинхронных двигателей тіп в несколько раз больше s. Так, для рассмотренного выше расходомера с электродвигателем при s=0,1 т)п = =0,9 и, следовательно, фго больше фг в 9 раз.

Для расходомеров с гидроприводом аналогично пре­ дыдущему

109