Технические САУ, Петухов И.В., Стешина Л.А

ся унифицированным сигналом по значению измеряемого параметра, и в частности давления.

В телематических системах в последнее время применяют не электрический потенциал или ток, а менее чувствительные к «паразитным» (помеховым) и шумовым влияниям при одной длительности импульсов электрическую частоту или при одной частоте, но разной длительности – импульсы. Цифровая форма передачи сигнала является базовой в системах измерения и управления компьютерной техникой.

Электрический сигнал, снимаемый с чувствительного элемента прибора, подвергается такой обработке, как усиление, фильтрация, уменьшение нелинейности и др. Только на следующем этапе он может представляться с помощью дополнительных устройств в задаваемом виде, регистрироваться или заноситься в память различных систем. Обработка сигнала может быть линейной частотно-зависимой (реализуется при фильтрации сигнала) и линейной частотно-независимой (усиление, ослабление и др.). С электрическим сигналом могут производиться и нелинейные операции: выпрямление, определение среднеквадратичного или пикового значения, аналого-цифровое преобразование. Параметры информации могут быть как аналоговыми, когда, например, величина давления отражается в виде светящегося столбика, так и в цифровом виде. Регистрация давления производится для обеспечения последующего анализа технологического процесса, повышения информативности проводимых измерений, а также их отслеживаемости.

Приборы, обеспечивающие регистрацию измеряемого давления, можно подразделить на две группы.

Кпервой относятся устройства, непосредственно содержащие

всвоей конструкции чувствительный элемент и систему регистрации параметра.

Вторую группу составляют системы, состоящие из измерительного преобразователя с унифицированным выходным элек-

101

трическим сигналом и регистратора с таким же унифицированным входным сигналом подобного электрического параметра. В качестве унифицированного регистратора могут использоваться приборы, непосредственно обеспечивающие запись манометрического параметра на бумажный носитель, и персональные ЭВМ, воспринимающие выходной сигнал от измерительного преобразователя, архивирующего его на магнитном или оптическом носителе, и представляющие в удобной для восприятия оператором форме. Информация представляется в различных графических, табличных видах на дисплее компьютера или бумажном носителе посредством принтера. Она передается без искажений на разные расстояния, трансформируется во множественные формы, демонстрируется на разного рода иллюстрирующих устройствах.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Что такое температура вещества?

2.Приведите классификацию термометров.

3.Какие материалы используются для изготовления термо-

пар?

4.Каковы требования к термопарам?

5.Какие методы и средства используются для измерения ТЭДС? В чем их особенности?

6.Дайте определение понятий «абсолютное давление», «избыточное давление».

7.Опишите схему прибора для измерения давления.

8.Перечислите разновидности манометров.

9.Каков принцип действия преобразователя давления типа «Сапфир»?

10.Перечислите и опишите группы приборов для регистрации измеряемого давления.

102

7.МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ПАРА, ГАЗА И ЖИДКОСТИ, УРОВНЯ ВЕЩЕСТВА.

ДАТЧИКИ ПОЛОЖЕНИЯ И СКОРОСТИ

7.1. Классификация приборов для измерения расхода пара, газа и жидкости

Количество вещества выражается в единицах объема или массы, т. е. в кубических метрах или килограммах. Количество жидкости с равной степенью точности может быть измерено и объемным, и массовым методами, количество газа – только объемным. Для твердых и сыпучих материалов используется понятие насыпной или объемной массы, которая зависит от гранулометрического состава сыпучего материала. Для более точных измерений количество сыпучего материала определяется взвешиванием.

Расходом вещества называется количество вещества, проходящее через данное сечение трубопровода в единицу времени. Массовый расход измеряется в кг/с, объемный – в м3/с.

Приборы, измеряющие расход, называются расходомерами. Эти приборы могут быть снабжены счетчиками (интеграторами), тогда они называются расходомерами-счетчиками. Они позволяют измерять расход и количество вещества.

Для измерения расхода газа и жидкостей применяются расходомеры, позволяющие оценивать количество передаваемой продукции (газа или жидкости) в единицу времени. Для определения суммарного количества передаваемой продукции (например, за сутки) применяются счетчики количества. Учет сыпучих продуктов, как правило, ведется с помощью счетчиков и весовых устройств.

Для измерения расхода жидкости или газа применяются следующие основные методы:

дроссельный;

метод постоянного перепада давления;

103

электромагнитный;

акустический;

тепловой и др.

Счетчики количества бывают объемные и скоростные. Дроссельные расходомеры основаны на эффекте дросселиро-

вания потока газа или жидкости и регистрации разности давления, возникающей относительно дросселя (сужающее устройство поворотной заслонки и др.)

Дроссельный метод был положен в основу работы расходомера переменного перепада давления (РППД). Для этого используют сужающие устройства, например диафрагмы, сопла и сопла Вентури.

Наиболее часто из них применяются диафрагмы, которые представляют собой тонкий диск, установленный в трубопроводе так, чтобы его отверстие было концентрично внутреннему контуру сечения трубопровода. Сужение потока начинается до диафрагмы (рис. 7.1). Затем на некотором расстоянии за ней благодаря действию сил инерции, поток сужается до минимального значения, а далее постепенно расширяется до полного сечения трубопровода. Перед диафрагмой и за ней образуются зоны с вихревым движением.

I II

P

Pп

P1 P2

Рис 7.1. Вид потока вблизи диафрагмы

104

I - I – сечение потока до искажения формы.

II - II – сечение в месте максимального сужения. Рп – потери давления на трение и завихрения.

Разность давлений (Р1 – Р2) зависит от расхода среды, протекающей через трубопровод.

В случае использования сопла струя, протекающая через него, не отрывается от его профилированной части и поэтому Рп меньше.

Еще меньше потери Рп в сопле Вентури.

Перепад давления измеряется дифманометрами (рис. 7.2).

Расходомеры постоянного перепада давления. К ним отно-

сятся гидродинамические, поршневые, поплавковые, ротаметрические расходомеры.

Наиболее распространенными приборами группы расходомеров постоянного перепада давления являются ротаметры (рис. 7.3), которые имеют ряд преимуществ перед расходомерами переменного перепада давления:

а) потери Рп незначительны и не зависят от расхода; б) имеют большой диапазон измерения и позволяют измерять

малые расходы.

Принцип действия основан на измерении положения Н поплавка, вращающегося в расширяющейся кверху трубке под влиянием направленной вверх струи.

Q – расход проходящего через трубку газа или жидкости, α – угол наклона стенок трубки.

105

шкала. Ротор также может быть изготовлен в виде шарика или диска.

Расходомеры переменного уровня. Используются для измере-

ния расходов смесей продуктов, содержащих твердые частицы, пульсирующих потоков, особо активных сред. Измерения осуществляются при атмосферном давлении.

В расходомерах переменного перепада давлений (ППД) используются сужающие устройства (диафрагмы), встраиваемые в трубопровод, расход в которых необходимо измерить. В таком преобразователе возникает перепад давления, зависящий от измеряемого расхода.

Объемный расход (количество жидкости, протекающее через данное сечение в единицу времени) определяется по формуле

где а – коэффициент расхода; S – сечение в сужающем устройстве; ρ – плотность жидкости; ∆р – перепад давления на сужающем устройстве.

Если измеряется массовый расход Qm, то связь имеет вид

Qm = aS 2ρ p .

Основными преимуществами метода ППД являются возможность измерения расхода жидкости, газа и пара при высоких и низких температурах, низких давлениях, а также возможность

106

Qv = aS 2gh .

С помощью этого преобразователя может быть измерен лишь расход жидкости и при этом показания прибора, как видно из приведенного выражения, от плотности не зависят. Прибор используется для измерения расхода различных неоднородных жидкостей. В качестве вторичного устройства могут быть использованы приборы, реализующие любые методы измерения уровня, рассмотренные выше. Их преимущество – возможность измерения расхода агрессивных жидкостей, а также жидкостей, содержащих взвеси и смешанных с газами.

107

Принцип действия расходомеров обтекания основан на зависимости перемещения тела от расхода вещества, помещенного в сосуд. Поток ограничен стенками трубопровода, поэтому условия обтекания тела будут существенно отличаться от условий обтекания такого же тела, помещенного в свободный поток. В большинстве случаев между стенками трубы и обтекаемым телом остается весьма большое проходное сечение, обычно кольцевой формы. В этом сечении создается значительная скорость за счет соответствующего падения давления, поэтому на обтекаемое тело помимо динамического давления действует также и разность статических давлений. Эти расходомеры в основном применяются для измерения малых расходов газа.

Предел измерения расходомеров обтекания 10~7…10~6 м3/с, а максимальная погрешность ± (1…2) %.

Расходомер переменного уровня включает: 1 – калиброванный сосуд; 2 – уровнемерное стекло;

3– отверстие в днище;

4– перегородка для успокоения потока.

Расходомеры скоростного напора. Измерение расхода осно-

вано на зависимости динамического напора от скорости потока измеряемой среды. Дифманометр, соединяющий обе трубки, показывает динамическое давление, по которому судят о скорости потока и, следовательно, о расходе (рис. 7.5).

Рис. 7.5. Расходомеры скоростного напора

До недавнего времени на трубах среднего и большого диаметра наиболее широкое распространение имели узлы учета на сужаю-

108

щих устройствах. Однако в силу различных недостатков: засорения импульсных трубок, необходимости регулярного технического обслуживания, неудобства проведения периодической поверки, стачивания кромки, узкого динамического диапазона и, наконец, потерь давления, у большинства заказчиков возникает желание перейти на применение более современных расходомеров.

С развитием новых типов интеллектуальных дифманометров РППД приобрели новые достоинства и прежде всего они перешли в разряд массовых расходомеров. В то же время появились новые дроссельные элементы, отличающиеся более простой конструкцией, линейностью характеристики, большим диапазоном измерения.

В настоящее время известно большое количество средств измерения, построенных на различных физических принципах, обеспечивающих измерение расхода самых разнообразных жидкостей.

Наиболее распространенными и хорошо освоенными потребителями до недавнего времени являлись средства измерения, основанные на методе переменного перепада давления на сужающем устройстве, тахометрические и электромагнитные. В меньшей степени были распространены другие, в том числе ультразвуковые, расходомеры.

Следует отметить, что идеального средства для измерения расхода не существует и каждый из перечисленных методов имеет свои достоинства и недостатки, поэтому важнейшей задачей является оптимальный выбор средства измерения с учетом особенностей метода измерения расхода, условий эксплуатации, аппаратной и метрологической надежности, стоимости, эксплуатационных затрат, возможности включения прибора в компьютерную сеть, возможности хранения и передачи информации, дополнительных сервисных возможностей.

Электронные расходомеры можно четко разделить по принципу действия, причем каждый тип расходомеров имеет свои особенности и занимает соответствующую нишу на рынке.

109

Кориолисовые расходомеры используют физический принцип, открытый французским математиком Густавом Кориолисом, который показал, что при движении тела относительно вращающейся системы отсчета на него действует сила инерции. В кориолисовом расходомере расположены вибрирующие трубки, через которые идет поток жидкости. Частота вибрации пропорциональна массовому расходу жидкости. Этот тип расходомеров может работать как с жидкостями, так и с газами и обеспечивает очень высокую точность измерений. Основной недостаток данных приборов – высокая стоимость.

Электромагнитные расходомеры используют принцип гене-

рации электрического тока при движении проводника в магнитном поле. Из самого принципа ясно, что электромагнитные расходомеры измеряют расход только проводящих жидкостей. Однако высокая точность, устойчивость к тяжелым условиям эксплуатации, отсутствие перепада давлений и низкая стоимость приборов делает их незаменимыми там, где необходимо измерить расход воды или продуктов на водной основе. Электромагнитными расходомерами невозможно измерить расход непроводящих жидкостей, например нефтепродуктов, однако эти приборы хорошо подходят для измерения расхода вязких жидкостей или даже пастообразных веществ, например йогурта или творога в пищевой промышленности.

Ультразвуковые расходомеры используют ультразвук для из-

мерения скорости потока жидкости или газа. Расход вычисляется путем измерения либо времени распространения ультразвука, либо изменения частоты ультразвуковых колебаний (эффект Доплера). Ультразвуковые расходомеры позволяют измерять расход как газов, так и жидкостей, независимо от их электропроводности.

Вихревые расходомеры используют принцип измерения расхода, основанный на том, что вокруг погруженного в поток жидкости тела появляются турбулентные завихрения, частота возникновения которых пропорциональна скорости потока. Вихревые

110