Датчики для измерения параметров движения жидких и газообразных веществ

Основными параметрами движения потоков жидкости в откры­тых каналах или внутри трубопроводов, а также потоков пара, газа или плазмы являются расход, т. е. количество вещества, протекаю­щее через какое-либо сечение потока в единицу времени, и общее количество протекшего вещества. Расход и количество связаны между собой точно так же, как скорость и путь при движении твер­дых тел. И ту и другую величину можно выразить через единицы объема и массы, соответственно, говоря об объемном расходе Q и массовом расходе М.

Измерение количества жидкости, газа и пара производится либо путем периодического отмеривания одинаковых объемных или ве­совых доз вещества, либо путем интегрирования расхода. Первый метод, как правило, осуществляется с помощью чисто механических средств, и поэтому рассмотрим только методы, связанные с измерением расхода.

В то время как при измерении параметров движения твердых тел динамический диапазон 103…104 не является пределом, дина­мический диапазон расходомера считается значительным, если от­ношение максимальной величины измеряемого расхода к минималь­ной составляет 10…15. Величины измеряемых расходов могут ле­жать в диапазоне от 10-3 до 104 м3×ч.

Расходомеры с преобразованием в перепад давлений. Расходо­меры этой группы состоят чаще всего из некоторого сужающего устройства (диафрагмы, сопла и т. д.) и дифференциального мано­метра, измеряющего перепад давления, создаваемый сужающим устройством. Объемный и массовый расход выражаются соответст­венно формулами

и  ,

где a - коэффициент расхода; S - площадь сечения сужающего устройства; r – плотность вещества;  ΔР - перепад давления.

Такую же зависимость перепада давления от расхода дают на­порные трубки (трубки Пито) и преобразователи в виде изогнутого участка трубы, в которых разность давлений возникает под дейст­вием центробежных сил.

Поскольку перепад давления пропорционален квадрату расхода, дифференциальные манометры снабжаются различными устройст­вами для извлечения квадратного корня. Эти манометры могут быть как чисто механическими, так и пневматическими или электриче­скими; в последнем случае для извлечения квадратного корня мо­жет использоваться датчик  уравновешивания с ферродинамическим обратным преобразователем, который развивает урав­новешивающую силу, пропорциональную квадрату тока. Упрощен­ная схема устройства такого расходомера показана на рис.7.9.

Принцип действия устройства состоит в следующем: под воздействием силы Fx рычаг перемещается, изменяя индуктивность катушки преобразователя неравновесия (ПН), соответственно будет изменяться ток в этой катушке, и через усилитель (УС)      и  фильтр (Ф)  этим  током  запитываются   катушки  обратного  преобразователя  (ОП). Действие электродинамического ОП основано на взаимодействии двух катушек с электрическим током. Выходная сила преобразователя пропорциональна произведению токов подвижной и неподвижной катушек. Когда через обе катушки течет один и тот же ток  I, то между силой  Fb и  током  I существует квадратичная зависимость  Fb = kэдI2, коэффициент kэд зависит от геометрии и взаимном  расположении катушек.  По  значе-
Подпись:  Рис. 7.9. Схема с датчиком уравновешивания для измерения расхода жидкости
нию тока, регистрируемого амперметром (mA), через соответствующие пропорциональности определяют расход жидкости Q.

Основным элементом такого устройства является преобразователь неравновесия, основным требованием которого является  высокая чувствительность к малым перемещениям.

Кроме этого, сила взаимодействия между подвижным и неподвижным элементами ПН должна быть равна нулю. Если эта сила существует, то она будет суммироваться с измеряемой силой и в зависимости от величины сил может внести существенную погрешность в измерение. Приборы этой группы в настоящее время широко распростра­нены. Рабочий диапазон их невелик вследствие нелинейной характеристики преобразования и составляет Д =

3…5. Они мо­гут применяться для измерения  расходов как жидкостей, так и га­зов

при температурах до сотен градусов и давлениях до десятков ньютонов на квадратный

миллиметр. Погрешность их составляет 1…2 %.

Датчики тахометрических расходомеров являются примером  датчиков с предварительным преобразованием измеряемой величины  в скорость вращения.

Эти приборы предназначены для измерения объемного  расхода, т. е. объема жидкости (или газа), протекающей по трубо­проводу в единицу времени.
Подпись:  Рис. 7.10. Схема устройства турбинного датчика  расходомера
На рис.7 10  дана схема устройства так называемого турбинного или крыльчатого тахометрического датчика. Он представляет со­бой отрезок трубы, в котором установлена небольшая осевая турбинка. Под действием потока жидкости в трубе ротор турбинки вращается со скоростью, доходящей до 250 об/с, а скорость вращения преобразуется в частоту электрических колебаний любым преобразователем. В частности, на рис. 7.10  изображен преобразователь, состоящий из постоянного магнита с катушкой, размещенной на внешней поверхности трубы, и пла­стинки магнитомягкого материала, запрессованной в тело ротора. Частота выходного сигнала в таком датчике в два раза выше числа оборотов ротора в секунду. Ротор и сама труба в этом случае изго­товляются из немагнитных материалов: труба – из нержавеющей стали, ротор – также из немагнитной стали или из фто­ропласта.

Погрешность датчиков такого типа можно довести до 0,35 %, причем она целиком определяется погрешностью преобра­зования расхода в скорость вращения турбинки и зависит от сил сопротивления вращению ротора, возникающих от трения в подшип­никах, вязкости жидкости и тормозного момента индукционного преобразователя. Для уменьшения трения в датчиках для изме­рения больших расходов используют шарикоподшипники из не­ржавеющей стали, а в датчиках для измерения малых рас­ходов     (1…50×10~6 л/с) - опоры часового типа.

При малых расходах основной составляющей момента сопротив­ления становится тормозной момент индукционного преобразова­теля. Его можно до предела уменьшить, если для устранения по­терь на вихревые токи трубу изготовить из изоляционного матери­ала (стекла или плексигласа), катушку преобразователя выполнить без сердечника, а для уменьшения потребления энергии измери­тельной цепью использовать полупроводниковый усилитель. Можно приме­нить вместо индукционного преобразователя   ионизационный или фотоэлектрический.

Частотные датчики расходомеров могут работать как с анало­говым измерительным устройством типа конденсаторного частото­мера, так и с цифровым частотомером. В первом случае результи­рующая погрешность измерения расхода имеет порядок     1…2 %, во втором погрешность может быть меньше 0,5 %. Обычно в измеритель­ное устройство, кроме частотомера, входит счетчик импульсов, по­казания которого соответствуют общему объему протекшей жид­кости.

Кроме того, частотные датчики расходомеров, так же, как и тахометров, находят применение в точных системах регулирования скоростей и расходов. Используя эти датчики совместно с цифровым частотомером в режиме измерения отношения частот, можно создать устройство для точного регулирования отношения двух скоростей или двух расходов. Это свойство частотных датчиков особенно полезно в непрерывных   химических производствах, где бывает необходимо точно согласовывать расход одного вещества с расходом другого.