Алферов Системы управления електрофизическим 2008

тов, расположенных очень близко к датчику, поступают раньше окончания спада импульса излучателя и по этой причине не могут быть обработаны.

Непосредственное обнаружение системой с двумя раздельными преобразователями. Путем применения двух отдельных преобразователей минимальное расстояние обнаружения может быть существенно уменьшено по сравнению со случаем использования единого приёмопередатчика. Если приёмник акустически разделён с излучателем, то, в принципе, отражённый сигнал может быть принят сразу после излучения, а в реальных условиях это происходит с некоторой задержкой, определяемой переходными процессами в преобразователях.

Оба преобразователя могут располагаться в одном корпусе или устанавливаться раздельно.

Ретрорефлективный метод. Данный метод является наиболее устойчивым к помехам. Контролируется пространство между датчиком и стационарным рефлектором. Приёмник улавливает ультразвуковой сигнал, отражённый от рефлектора. При пересечении луча объектом происходит срабатывание датчика.

Метод прерывания луча. Этот метод характеризуется большой дальностью обнаружения, так как в данном случае для определения местоположения объекта ультразвуковая волна должна пройти расстояние между излучателем и приёмником только в одном направлении. Помехоустойчивость этого метода лучше, чем у метода непосредственного обнаружения, потому что обрабатывается излучённый, а не отражённый ультразвуковой импульс. Однако реализация метода прерывания луча требует более высоких затрат. Метод предпочтителен для использования внутри помещений.

Эхолокация. В одном из вариантов устройства ультразвуковой приемопередатчик размещается над поверхностью жидкости

(рис. 2.30).

Ультразвуковой импульс падает на поверхность жидкости и отражается от нее к приемнику. Может быть измерено время от момента излучения до приема отраженного импульса. Это время зависит от расстояния поверхности жидкости до приемопередатчика. Таким образом, может быть определено положение уровня поверхности. На рис. 2.31 приведены осциллограммы сигналов приемопередатчика.

- 61 -

Рис. 2.30. Ультразвуковой уровнемер

Рис. 2.31. Сигналы ультразвукового приемопередатчика

- 62 -

2.10. Измерение расхода жидкости и газа

Термин жидкость используется для описания вещества, обладающего способностью течь, т.е. здесь имеются в виду и жидкости, и газы. Если движение жидкости подчинено какому-то порядку, то говорят о ее струйном движении или ламинарном потоке либо через трубу, либо по поверхности. При этом каждая частица жидкости движется строго по линиям, параллельным стенкам трубы.

Частицы жидкости, непосредственно прилегающие к стенкам, движутся медленнее, что объясняется действием вязкости, а на самих стенках их скорость падает до нуля. Вследствие этого возникает градиент скорости. Вышеописанная ситуация характерна для скоростей потока меньше критической скорости. При больших скоростях потока движение становится хаотическим, и каждая частица жидкости в этом случае перемещается по очень извилистой траектории. Такое движение жидкости называют турбулентным потоком. Несмотря на хаотическую природу такого потока, в среднем для всего потока по трубе получается профиль скорости, подобный показанному на рис. 2.32

Профиль скорости

Профиль скорости в направлении потока

а) б)

Рис. 2.32. а – ламинарное течение; б – турбулентное течение

Существует огромное количество способов измерения расхода потока. В табл. 2.3 приведены основные.

			Таблица 2.3
Способ
измерения		Система	Характеристики
расхода
Объемный	рас-	1. Трубка Вентури	Метод простой, точный, надежный, поте-
ход по	пере-		ри давления 10... 15 %, нелинейный, мо-
паду давления			жет применяться для разбавленных сус-
			пензий
			- 63 -

Продолжение табл. 2.3

	Способ
	измерения		Система	Характеристики
	расхода
		2.	Измерительная	Метод простой, дешевый,	точность со-
		диафрагма		ставляет порядка ±1.5, потери давления
				50...70 %, нелинейный
		3. Сопло		Дешевле, чем трубка Вентури, но дороже,
				чем измерительная диафрагма, потери
				давления 40...60 %, погрешность ±0.5%
		4. Трубка Дама		Больший перепад давления и большая
				компактность, чем у трубки Вентури, по-
				тери давления 4...6 %
		5.	Переменное се-	Ротаметр: точность ±1 %, дешевый, диапа-
		чение		зон измерений ЗОХ10-6... 1 м3/с
		6. Переменное		Линейный, диапазон измерений для воды
		проходное сечение		до 3 м3/с, до 200 бар по давлению и до
				500°С по температуре
	Механический	7. Мишень		Диапазон измерений приблизительно до
				0.03 м3/с, точность ±0.5%, может приме-
				няться для загрязненных и вязких жидко-
				стей
		8. Турбина		Диапазон измерений примерно до 1 м3/с,
				погрешность ±0.3 %, хорошая воспроизво-
				димость, дорогой
		9.	Вращающаяся	Применяется для жидкостей и газов
		крыльчатка
	По вытеснению	10.	Вращающийся	Точность ±1 %, применяется для воды
	объема	плунжер
		11. Поршень		Погрешность ±0.1 %, широкий диапазон
				измерения, применяется для жидкостей
		12.	Качающийся	Погрешность ±1 %, используется для жид-
		диск		костей
		13.	Вращающийся	Профилированные пары:	используются
		импеллер		для масел в диапазоне до 1 м3/с и до 80 бар
				по давлению. Кулачковые пары: исполь-
				зуются для газов в диапазоне 0.003...3 м3/с,
				погрешность ±1 %
		14.	Вращающаяся	Используется для масел и горючих жидко-
		крыльчатка		стей, погрешность ±0.1 %

- 64 -

				Окончание табл. 2.3
Способ
измерения		Система	Характеристики
расхода
	15.	Диафрагменный	Используется для измерения расхода бы-
	измеритель		тового газа
	16.	Герметичный	Применяется для измерения расхода газа
	барабан
Магнитогидро-	17.	МГД	Используется для проводящих жидкостей,
динамический			скорость до 10 м/с, погрешность ±1%
Ультразвуковой	18.	Датчик Доплера	Относительно дешевый, плохая точность
			(хуже ±5 %), полезен как индикатор потока
			или его отключения
	19.	Время пролета	Используется для жидкостей в трубах или
			открытых каналах	при скоростях 0.2...
			12 м/с, погрешность ±1 %
	20.	Корреляция	Большое время реакции
Колебательный	21.	Вихри в потоке	Используется и для жидкостей, и для газов
			при высоких давлениях и температурах,
			погрешность ±1 %
	22.	Закрутка потока	Используется для жидкостей в диапазоне
			6×10"4... 2 м3/с, погрешность ± 1 %
Массовый рас-	23.	Силы Кориоли-	Используется для жидкостей и газов, по-
ход	са		грешность ±0.5 %
Прямое измере-
ние
	24.	Температура	Используется для	газов в диапазоне
			2.5х10–10...5×10 –3кг/с
Расчетный	25.	Турбинно-	Используется для жидкостей и газов
	вибрационный эле-
	мент
Мгновенная	26.Трубка Пито		Для жидкостей или газов, погрешность
скорость			±1...2 %
По давлению
	27.	Многозаборная	Для жидкостей или газов, погрешность
	трубка Пито		±1 %
Термический	28.	Анемометр с	Для газов – в диапазоне 0.1...500 м/с, жид-
	нагретой проволоч-		костей – в диапазоне 0.01...5 м/с, погреш-
	кой		ность ± 1%

- 65 -

Рассмотрим подробнее несколько наиболее употребляемых методик.

2.10.1. Трубка Вентури

Трубка Вентури (рис. 2.33) имеет постепенное коническое сужение трубы от начального диаметра. Диаметр сужения должен быть не менее 0.224D и не более чем 0,742D, где D – начальный диаметр. Входная конусность трубы должна быть равна 10,5 ±1°, а выходная – 5...15°. Перепад давления в потоке до места сужения и в самом сужении может быть измерен простым U-образным манометром или мембранным манометром. Потери давления от введения трубки Вентури составляют 10...15 %, т.е. незначительную величину. Прибор может применяться и для жидкостей, и для газов. Он прост в работе, способен обеспечить высокую точность (может быть выше чем ±0,5 %), имеет хорошую надежность, но он дорог и имеет нелинейность зависимости объемного расхода от перепада давления.

Рис. 2.33. Трубка Вентури

2.10.2. Измерительная диафрагма

Измерительная диафрагма (рис. 2.34) – это просто диск с отверстием, хотя существует большое разнообразие их форм. Наиболее широко применяется концентрическая форма диска с центральным круглым отверстием. В других разновидностях форма может быть эксцентрической со смещенным от центра круглым отверстием. Измерительные диафрагмы такой формы используются в тех случаях, когда в газовом потоке имеются конденсирующиеся жидкости или в потоке жидкости присутствуют нерастворенные газы.

- 66 -

В случаях, когда в потоке жидкости присутствуют частицы, полезным может оказаться диафрагма с сегментной формой центрированного круглого отверстия. Перепад давления может быть измерен между точкой, удаленной на расстояние диаметра трубы вверх по потоку, и точкой, удаленной на половину диаметра трубы вниз по потоку от диафрагмы, или же в точках на каждой стороне диафрагмы. Такие устройства имеют нелинейную зависимость объемного расхода от перепада давления. По сравнению с трубками Вентури измерительные диафрагмы являются более простыми, надежными, создают большие перепады давления (более чем в два раза), более дешевы, но и менее точны (более ±1,5 %), они дают также большие потери давления (около 50...70 %). Если в потоке жидкости имеются твердые частицы, могут появиться проблемы, связанные с их осаждением и закупоркой отверстия.

Диафрагма

Рис. 2.34. Измерительная диафрагма

2.10.3. Анемометр с нагретой проволочкой

Анемометр с нагретой проволочкой состоит из небольшого проволочного сопротивления, помещенного в поток (рис. 2.35). Прохождение электрического тока через проволочку приводит к подъему ее температуры до величины, которая определяется скоростью ее теплопотерь. Последние зависят от скорости потока жидкости. В равновесном состоянии справедливо:

i2R = hA (Ts – Tf),

- 67 -

где i – ток через датчик, R – сопротивление датчика, А – эффективная поверхность, Ts – температура датчика, Тf – температура жидкости. Коэффициент теплопередачи h зависит от скорости v

жидкости:

h = C0 + C1ν1/2,

где С0 и С1 – константы.

Обычно сопротивление, а, следовательно, и температура чувствительного элемента поддерживаются на постоянном уровне за счет регулирования тока.

Проволочный датчик

Рис. 2.35. Анемометр с нагретой проволокой

2.10.4.Ультразвуковые расходомеры

Всвязи с необходимостью организации коммерческого учета задача измерения расхода различных жидкостей и газов с высокой точностью приобрела большую актуальность. Существует большое многообразие приборов для измерения расхода. В последние годы данная задача эффективно решается с использованием ультразвуковых расходомеров с накладными датчиками, так как, во первых, не нарушается целостность трубопровода, а во вторых, в поток жидкости не вносится никакое препятствие. Наибольшее распространение получили ультразвуковые расходомеры двух типов:

– расходомеры, в которых используется тот факт, что скорость распространения ультразвуковой волны С в движущейся среде является векторной суммой

С= Сж + V,

где Сж – скорость распространения ультразвука в неподвижной жидкости, а V – скорость течения жидкости;

– расходомеры, основанные на эффекте Доплера, имеющем место при отражении ультразвуковой волны от некоторого отражателя или группы отражателей, движущихся в потоке жидкости.

- 68 -

В расходомерах, относящихся к первой группе, отклонения величины С от её значения в неподвижной жидкости определяются путем косвенных измерений следующих величин:

а) разности времен t (времяимпульсный метод) прохождения ультразвуковых импульсов по потоку и против него;

б) разности фаз Δφ (фазовый метод) между ультразвуковыми колебаниями, распространяющимися по потоку и против него;

в) разности частот f (частотный метод) двух автогенераторов, в качестве элемента обратной связи которых используется контролируемая среда.

Времяимпульсный метод. Ультразвуковые времяимпульсные расходомеры в основном используются для измерения расхода «чистых» жидкостей, т. е. сред, содержащих сравнительно небольшое количество твердых и газовых включений. В случае же, если необходимо проводить измерение расхода неоднородных жидкостей, таких как сточные воды и пульпы, нужно использовать доплеровские расходомеры.

На рис. 2.3.6 приведена структурная схема ультразвукового времяимпульсного расходомера УВР-011 с накладными датчиками. Расходомер включает в себя два электроакустических преобразователя, монтируемых с внешней стороны трубопровода, и электронный блок, выполненный на базе микропроцессора.

Цикл измерения, инициируемый микроЭВМ, начинается с выбора одного из направлений излучения ультразвукового импульса (например, по потоку). При этом ЭП2 излучает сигнал, а ЭП1 принимает его. Принятый сигнал через коммутатор поступает на схему выделения полезного сигнала, где усиливается и фильтруется от помех. Здесь же принимается решение о наличии или отсутствии сигнала, что позволяет избежать ошибочных измерений при пропадании ультразвуковых колебаний, например при опустошении трубопровода. Определение времени распространения сигнала осуществляется в блоке измерения временных интервалов, с выхода которого оценка t↑ поступает в микроЭВМ. Далее по команде микроЭВМ направление излучения меняется на противоположное и повторяется описанная процедура измерения времени распространения сигнала t↓ теперь уже против потока. На этом цикл измерения завершается, и микроЭВМ осуществляет расчет текущего значения расхода жидкости в соответствии с выражением.

- 69 -

Рис. 2.36. Структурная схема ультразвукового времяимпульсного расходомера УВР-011

Ультразвуковой доплеровский расходомер с накладными датчиками УДР-011. На рис. 2.37 приведена структурная схема ультразвукового доплеровского расходомера УДР-011 с накладными датчиками. Прибор содержит два ЭП, размещенных с внешней стороны трубопровода, и электронный блок, образованный кварцевым генератором, усилителем мощности, квадратурным приемником, фазовым детектором (ФД), схемой оценки центра тяжести спектра принятого сигнала, а также микроЭВМ.

В данном приборе реализован принцип квадратурной демодуляции принятого сигнала, позволяющий определять направление движения жидкости. ЭП1, возбуждаемый непрерывными колебаниями с частотой ώ0, поступающими с выхода усилителя мощности, создает ультразвуковую волну, излучаемую в контролируемую среду под углом к оси трубопровода. На вход приемного преобразователя ЭП2 поступает сигнал, отраженный от неоднородностей потока. Принятые колебания подаются в приемник, на выходе которого выделяется квадратурный сигнал доплеровской частоты,

- 70 -