ЛЕК+ЛАБА(СУМ) / Лек / 15ЭПА-3=

21

3.4.Датчики расхода

3.4.1.Манометрический датчик расхода

1) Физические основы работы расходомеров с сужающим устройством

Расходомеры измеряемой среды (газа, жидкости, пара) по методу переменного перепада давления в трубопроводе основаны на зависимости от расхода перепада давления, создаваемого устройством, которое установлено в трубопроводе, или же самим элементом трубопровода. Принцип работы такого расходомера поясняется рис.3.18, на котором сверху вниз показаны: трубопровод с диафрагмой, создающей сопротивление потоку, графики изменения давления и скорости движения измеряемой среды.

Скорость

потока

va

vb

vc

Рис.3.18. К измерению расхода по перепаду давления

В состав манометрического расходомера входят:

преобразователь расхода, создающий перепад давления (в данном случае – диафрагма);

датчик разности давлений (дифференциальный датчик давления ДДД), измеряющий этот перепад;

соединительные трубки, по которым отбираемые давления подаются на входы ДДД. Если ДДД (или подключенный к нему вторичный измерительный прибор) имеет

интегратор, то такой измерительное устройство является расходомером-счетчиком количества вещества.

Расходомеры с сужающими устройствами уже давно нашли применение в качестве приборов для измерения расходов жидкости, газа и пара в наполненных трубопроводах.

Объемный расход среды в наполненном трубопроводе может быть определен по:

внутреннему диаметру трубы (измеряется и далее является постоянным);

средней скорости движения вещества в трубопроводе.

Для определения массового расхода нужно дополнительно знать плотность вещества.

Таким образом, основной измеряемой величиной при измерении расхода с помощью

ДДД является скорость потока вещества.

22

Рассмотрим процесс движения жидкости через сужающее устройство подробнее.

На рис. 3.18 схематически изображено движение потока жидкости или газа через отверстие диафрагмы – наиболее распространенной разновидности сужающего устройства. Диафрагма – это тонкий диск с отверстием диаметром d. Ось диска должна как можно точнее совпадать с осью трубопровода. Через А – А обозначено сечение, от которого начинается сужение струи и, следовательно, постепенное возрастание средней скорости vа потока.

Максимального значения vb эта скорость достигает в месте наибольшего сжатия струи в сечении В – В, которое расположено после диафрагмы на расстоянии, зависящем от отношения d/D и приблизительно равном 0,5D, где D – диаметр трубы. Возрастание средней скорости от vа до vb, а следовательно, и соответствующей кинетической энергии происходит за счет уменьшения начального давления pа до давления pb в горле (наименьшем сечении) струи. Это падение давления показано на рис. 3.18 штриховой кривой.

После сечения В – В струя постепенно расширяется и в сечении С – С вновь достигает стенок трубы. При этом скорость потока будет уменьшаться, а давление возрастать.

Если измеряемое вещество жидкость, плотность которой ρ практически не зависит от давления, то в сечении С–С скорость vc станет равной начальной скорости va, но давление рс будет меньше начального ра вследствие потери энергии при прохождении жидкости через сужающее устройство. Основная часть этой потери происходит в мертвых зонах за диафрагмой. Струя, текущая с большой скоростью, увлекает с собой прилегающие частицы из этих зон и создает некоторое падение давления в них, что вызывает частичное движение жидкости вдоль стенок от сечения С–С к сечению В–В. В результате в мертвых зонах возникает сильное вихреобразование и происходит потеря потенциальной энергии.

В общем случае уравнения массового расхода Qm (кг/с) и объемного расхода Qo (м3/c) принимают вид:

Qm αεFo			2ρ p1 p2						(
Q αεF		2 p p
				2		ρ .			8)
o	o	1

И могут быть записаны в виде:

		k
	Q			p ,		(
	m
						9)
	Qo	k		p ,

Таким образом, между расходом (Qm или Qo) и перепадом давления p имеется квадратичная зависимость. Это существенный недостаток, потому что его следствие – очень

малый диапазон измерения расходомера ( Qmax Qmin 1 3 1 4 ). Так, при расходе Q=25%

Qmax измеряемый перепад составляет лишь 6,25% от pmax . В связи с этим точность

расходомера по перепаду давления обычно гарантируется только в прeделах от 30 до 100% от Qmax . Это вызывает осложнения при измерении расходов, изменяющихся в широких прeделах. Кроме того, возникают затруднения при измерении быстро меняющихся и, в частности, пульсирующих расходов. Другой недостаток – неравномерность расходной шкалы – менее существен.

Предельная приведенная погрешность расходомеров с сужающими устройствами редко бывает меньше 1–2% вследствие влияния погрешностей ряда величин (α, ε, Fо, ρ, p ), входящих в формулу расхода.

Несмотря на все эти недостатки расходомеры с сужающими устройствами получили самое широкое распространение благодаря трем важным достоинствам.

23

1)Исключительной универсальности применения. Они пригодны для измерения расхода любых однофазных веществ (а частично и двухфазных) в очень широком диапазоне изменения давлений, температур и расходов.

2)Удобству массового производства. Наиболее сложные части комплекта расходомера – датчик разности давлений и вторичный прибор – можно изготовлять крупными сериями, так как они не зависят от рода вещества и значения расхода.

3)Отсутствию необходимости в образцовых расходомерных установках для градуи-

ровки и поверки в случае применения нормализованных сужающих устройств в трубах диаметром не менее 12,5–50 мм.

3.4.2. Электромагнитный расходомер

Существенным недостатком манометрического измерения расхода является то, что диафрагма мешает движению измеряемой среды.

Этот недостаток исключается в электромагнитных расходомерах.

3.4.2.1. Физические основы работы электромагнитного расходомера.

Любой водный раствор кроме дистиллированной воды является электролитом, т.е. в нем присутствуют молекулы солей, кислот, оснований. Таким образом, в водном растворе практически всегда есть свободные носители заряда разного знака (разной полярности): катионы и анионы. В естественных условиях раствор является электрически нейтральным.

Полюса магнита

Рис. 3.19. Эскиз, поясняющий принцип работы расходомера электромагнитного

Если поток «проводящей» жидкости поместить между полюсами магнита (см. рис. 3.19), то через поток жидкости будет «проходить» силовые линии магнитного поля, характеризуемого магнитной индукцией В. При этом на электродах U, установленных перпендикулярно силовым линиям магнитного поля, генерируется разность потенциалов:

Δφ=v∙B∙d,

пропорциональная скорости движения v, индукции магнитного поля B и расстоянию d между электродами.

Поскольку объемный расход жидкости вычисляется по формуле: Qо=v∙S, где S – площадь сечения трубы, то

Δφ = Qо∙ (B∙d/S)= Qо∙B∙(4/ π d) .

3.4.2.2. Особенности реализации электромагнитного расходомера

Общая структура первичного измерительного преобразователя электромагнитного расходомера в соответствии с рис. 3.19 имеет следующие структурные составляющие:

отрезок трубы из диамагнитного материала, имеющий внутреннее изоляционное покры-тие;

два электрода для съема разности потенциалов, образующейся при пересечении жидкостью магнитного поля;

24

электромагнитная система, создающая магнитный поток.

В большинстве серийно изготовляемых электромагнитных расходомеров электромагнитная система состоит из обмотки возбуждения и магнитопровода.

По способу реализации электромагнитная система создает постоянное или переменное магнитное поле (см рис. 3.20):

	а) постоянное магнитное поле		б) переменное магнитное поле

Рис.3.20. Электромагнитная система

3.4.2.3. Технические решения электромагнитного расходомера.

Областью применения электромагнитных расходомеров являются измерения расхо-дов водопроводной воды, щелочи, кислоты и другие жидкости, применяемые в химичес-кой промышленности, а также соки, сиропы и разнообразные жидкости в пищевой промышленности. ЭМР применяют для измерения очень малых расходов (3•10-9 м3/с; например,− для измерения расхода крови по кровеносным сосудам) и больших расходов жидкостей (3м3/с). Причём диапазон измерения расходомера одного типоразмера достигает значения 10:1, т. е. достаточно велик.

Погрешность ЭМР определяется в основном погрешностями их градуировки и погрешностями измерения разности потенциалов. Однако, электрохимические процессы в потоке жидкости, различные помехи и наводки, непостоянство напряжения питания и другие, на данный момент не позволяют получить той потенциально высокой точности измерений расхода, которая вытекает из принципа действия данного типа расходомеров. Так, изготовляемые в настоящее время ЭМР, несмотря на индивидуальную градуировку имеют класс точности 1,0— 2,5 %.

Структурная схема электромагнитного расходомера представлена на рис.3.21.

Рис.3.21. Схема структурная электромагнитного расходомера

Внешний вид расходомеров представлен на рис.3.22.

3.4.2.3. Достоинства и недостатки электромагнитного расходомера. 1) Достоинства ЭМР:

возможность реализации метода измерения расхода как для очень малых, так и очень больших диаметров трубопроводов;

25

линейность шкалы;

полное отсутствие в трубопроводе гидравлического сопротивления измеряемому

потоку;

работоспособность ЭМР при высоких давлениях среды – вплоть до 100 МПа;

высокое быстродействие, позволяющее применять ЭМР на объектах с высокой динамикой изменения расхода;

возможность измерения агрессивных, абразивных и вязких жидкостей, независимость показаний от вязкости и плотности измеряемого вещества;

возможность использования ЭМР для измерения как ломинарных, так и турбулентных потоков. Снижение требований к меньшим длинам прямых участков труб;

Рис.3.22. Внешний вид электромагнитных расходомеров

2) Существенные недостатки ЭМР проявляются в следующих органичениях их использования:

принципиальная неприменимость для измерения расхода жидкостей-диэлектри-ков, газа и пара. К непроводящим жидкостям относятся: углеводороды, аммиак, кислоты и др);

наличие дополнительной погрешности от изменения величины электропровод-ности измеряемой жидкости.

3.4.3. Ультразвуковые расходомеры

Принцип работы ультразвукового расходомера основан на измерении разности времен прохождения колебаний по потоку и против него. Такие расходомеры пригодны для труб любого диаметра: от 10 мм и до нескольких метров.

Рассмотрим в качестве примера принцип работы ультразвукового расходомера времяимпульсного типа, поясняемый рис.3.23.

26

а) схема функциональная	б) эпюры, поясняющие работу расходомера

Рис.3.23. Схема, поясняющая работу ультразвукового расходомера

Принцип функционирования ультразвукового расходомера состоит в том, что генератор Г создает импульсы, имеющие амплитуду 700 В, длительность 0,2 мкс и частоту следования 800 Гц, которые с помощью вибраторов В1 и В2, работающих с частотою 400 Гц, подаются поочередно к пьезоэлементам П1 и П2. Последние посылают в жидкость быстро затухающие ультразвуковые импульсы (рис.3.23в,г), а вибраторы В1 и В2 включают задающие устройства ЗУ1 или ЗУ2. От генератора Г одновременно поступает импульс к пьезоэлементу П1 и импульс к триггеру ЗУ2, устанавливая его в активное состояние проводимости. При этом включается устройство С2, вырабатывающее пилообразное напряжение (см, 3.23.д) на в течение времени τ1 прохождения ультразвука через измеряемое вещество. Максимальное значение U этого напряжения пропорционально τ1.. В момент прихода ультразвукового импульса к пьезоэлементу П2 устройство С2 отключается. Таким же образом за время τ2 прохода ультразвукового импульса против потока от П2 к П1 устройство С1 вырабатывает напряжение U2, пропорциональное τ2. Разность напряжений U2 − U1 измеряется устройством ИУ. Такой цикл повторяется 400 раз в секунду.

Структурная схема ультразвукового расходомера представлена ниже (рис.3.24):

Рис.3.24. Схема структурная ультразвукового расходомера.

27