Технические измерения и приборы. Вопрос Преобразователи механических величин и системы дистанционной передачи

• Название: Вопрос Преобразователи механических величин и системы дистанционной передачи
• Дата: 08.02.2022
• Размер: 4.5 Mb.
• Имя файла: Технические измерения и приборы.doc
• Тип: Документы; #354979
• страница: 4 из 13

Вопрос № 1.12. Измерение расхода.

Расход вещества измеряется либо в объемных, либо в массовых единицах в единицу времени.

- объемный расход [м³/с] - средняя скорость; - сечение

- массовый расход [кг/с]
Массовые расходомеры более точны, т.к. учитывается и плотность вещества, но они более сложны поэтому у нас почти не используются. Поэтому 99% всех расходомеров – объемные.

Расходомеры переменного перепада давления.

Наиболее распространенная группа расходомеров.

Принцип действия основан на дросселировании потока сужающим устройством постоянного сечения.

В качестве сужающих устройств используются диафрагмы, сопла, сопла Вентури и трубы Вентури.




Такой расходомер может работать при следующих условиях:

1. 
   Поток должен занимать все сечение трубы.
   
2. 
   Не должно происходить фазовых превращений вещества при прохождении сужающего устройства.
   
3. 
   Поток должен быть установившимся. Т.е. различного вида местные сопротивления (вентили, задвижки) должны быть удалены от сужающего устройства.
   

При прохождении потока через сужение увеличивается скорость потока и его кинетическая энергия, а полная энергия остается неизменной, следовательно уменьшается потенциальная энергия. Мерой потенциальной энергии является статическое давление. Следовательно, на СУ возникает перепад статических давлений. Величина этих потерь давления у стенки зависит от сужающего устройства (самые большие – у диафрагмы, а далее уменьшаются).

Рп – потеря давления.
Вывод уравнения расхода основывается на двух условиях:

1. 
   Условие неразрывности потока (расход в любом сечении один и тот же)
   

(1)

, - в отверстии диафрагмы;

, V₂ , S₁ , S₂ – в первом и во втором сечении;

- относительная площадь отверстия (модуль диафрагмы)

- коэффициент сжатия струи.

2. 
   Закон сохранения энергии.
   

Математическим записью закона является уравнение Бернулли.











; ;
- коэффициент расхода.

- для жидкостей.

- для газов и паров.

- коэффициент расширения газа при прохождении сужения.

Недостаток: и надо считать постоянными (хотя это не всегда так), т.к. судим о расходе по ∆Р.

α – зависит от модуля СУ и числа Re.


Re_min – минимальное значение Re после которого остается неизменным.


Обязательное условие работы такого расходомера Re > Re_min.

Вопрос № 1.13. Стандартные сужающие устройства.

Стандартными называются сужающие устройства для которых коэффициент расхода в широком диапазоне Re достоверен и воспроизводим, т.е. для его расчета существуют формулы, которым можно верить.

Стандартные сужающие устройства используются при внутреннем диаметре трубы более 50мм и m = 0,05  0,7.

Чем меньше m, тем точнее измерения, но увеличиваются потери.

Способы отбора перепада давления:

1. 
   угловой, угловой камерный (камеры нужны, чтобы усреднить давление, отбираемое на дифманометр, для сглаживания пульсации)
   
2. 
   фланцевый (вместо камер – 2 вкладыша)
   
3. 
   т
   рехрадиусный (отбирается непосредственно из водопровода на расстоянии 2 радиуса до трубы и 1 радиус после трубы)
   

Особые случаи измерения расхода методом переменного перепада.

К ним относятся:

1. 
   Измерение расхода вязких жидкостей.
   
2. 
   Жидкостей, перемещающихся с малой скоростью.
   
3. 
   Измерение загрязненных или загазованных потоков.
   
4. 
   Измерение пульсирующих потоков.
   

В 1-м и 2-м случаях не удается обеспечить Re выше минимального, т.е. коэффициент расхода не остается постоянным. В этом случае используют специальные сужающие устройства, которые представляют собой нечто промежуточное между диафрагмой и соплом:

1. 
   сдвоенные диафрагмы
   
2. 
   диафрагмы с профилем отверстия в 1/4 круга
   
3. 
   д
   иафрагмы с двойным скосом.
   

Д ля загрязненных потоков используют сегментные диафрагмы.
Эта диафрагма используется сегментом вниз и сегментом вверх

(сегментом вверх для загазованных потоков, сегментом вниз для загрязнённых потоков)


Правила монтажа расходомеров.

Расходомер состоит из сужающего устройства, соединительной линии, диф. манометра и вторичного прибора.

Соединительная линия выполняется из медной, стальной или алюминиевой трубки с внутренним диаметром 8 2мм и длиной не более 60м.

Линия не должна содержать горизонтальных уклонов, т.к. могут образоваться конденсатные или газовые пробки. Если же нужно замерять в горизонтальной плоскости, нужно предусмотреть уклон не менее чем 1:10.

Диф. манометр подключается к этой трубке. У дифманометра 3 вентиля:

2
присоединительных и 1 уравнительный

П ри измерении расхода жидкости ДМ следует расположить ниже сужающего устройства.
Когда невозможно расположить ДМ ниже, то

поступают так:

2 – сборники газа.

При измерении агрессивных сред в соединительной линии устанавливаются разделительные сосуды, заполненные разделительной жидкостью (она не смешивается, не вступает в химические реакции, отличается по плотности от измеряемой жидкости).


При измерении расхода газа ДМ следует расположить выше сужающего устройства (чтобы конденсат возвращался в трубу).

Если нет возможности располагать выше, то

располагают так:



П ри измерении расхода пара соединительную линию и ДМ заполнена конденсатом (водой), а в непосредственной близости от сужающего устройства устанавливают конденсационные сосуды. Уровень держится постоянным.

Мы измеряем перепад. Как определить расход?

Связь между расходом и перепадом давления квадратичная. Для линеаризации шкалы вторичного прибора используют блоки извлечения корня, либо эти блоки имеются во вторичном приборе. Если расход увеличится в 2 раза – перепад увеличится в 4 раза.

Вопрос № 1.14.

Расходомеры обтекания.

П ринцип действия основан на дросселировании потока сужающим устройством переменного сечения. Типичный представитель – ротаметр.

При измерении меняется положение поплавка внутри трубки. В поплавке наклонные отверстия, чтобы он крутился и не касался стенок.
Силы, действующие вниз:

- вес поплавка

- плотность материала поплавка.

- плотность измеряемой среды.

Силы, действующие вверх:

1) - сила, возникающая из-за перепада давления.

S – наибольшее сечение поплавка.

Р₁ , Р₂– давление до и после поплавка

2) - сила динамического напора на поплавок.

- коэффициент обтекания.

3) - сила трения о боковую поверхность

υ_к - скорость в кольцевом зазоре

n – зависит от числа Re. (n=1 – ламинарный режим, n=2 – турбулентный режим)

- коэффициент трения (определяется состоянием поверхности поплавка).

- площадь боковой поверхности поплавка.





При расчете и пренебрегают:



Поэтому эти расходомеры часто называют расходомерами постоянного перепада давления.

Вывод уравнения расхода базируется на уравнении Бернулли и условии неразрывности



h – расстояние между сечениями 1 и 2 (берут высоту поплавка)

S_k – площадь кольцевого зазора.
Чтобы получить линейную шкалу трубка должна быть параболической формы.

Достоинства ротаметра: линейность шкалы, могут применяться малые расходы.

Ротаметры изготавливают со стеклянной трубкой с делениями – для небольших давлений, и со

стальной трубкой – для более высоких давлений. Поплавок связан с системой передачи

показаний на расстояние (до 64 атм).




Достоинства ротаметра:

• 
  равномерная шкала
  
• 
  широкий рабочий диапазон
  

Недостатки:

• 
  используется для небольших расходов
  

Расходомеры скоростного напора.

Принцип действия основан на измерении динамического напора потока.

Область применения: измерители расхода газов в трубопроводах больших и некруглых сечений.

; Рполное = ρυ²/2 + Р + ρgh

=> - скорость потока

Т рубка Пито.
Рст – статическое давление

Рдин – динамическое давление


Для промышленных целей используются трубки Прантля. В них совмещены статическое и полное давления.






ε – постоянная напорной трубки

С помощью напорной трубки можно определить лишь местную скорость (скорость в данном сечении). Для определения расхода надо получить среднюю скорость потока.
Существует 3 способа определения средней скорости:

1. 
   У
   становка напорной трубки на определенном расстоянии от внутренней стенки трубы.
   

Турбулентный режим: l = 0,223R

2. 
   Использование зависимости: ,
   

где задается либо аналитически, либо графически.

Трубку располагают по оси потока и определяют

(измеряют) υ_max . По υ_max рассчитывают Re и по

графику находят υ_ср .

3. 
   С пособ заключается в условном разбиении внутреннего сечения трубы на несколько равновеликих участков и определении скорости в каждом из этих участков. Далее все скорости суммируются.
   

Вопрос № 1.15.

Расходомеры переменного уровня.
Принцип действия основан на измерении высоты уровня жидкости, свободно истекающей через

отверстие в дне или боковой стенке сосуда.

О граничения: не могут работать при избыточном давлении.

Достоинства: могут работать при неполном заполнении

трубы или при движении жидкости по открытому латку.
- уравнение расхода для диафрагмы





Недостаток: нелинейность статической характеристики (из-за того, что отверстие в дне). Для его

устранения используют профильные отверстия, расположенные в боковой стенке сосуда.

Такие расходомеры называются щелевыми.



Профиль бокового отверстия.

Выделим элементарную площадку.





Проинтегрируем:











- зависимость х от y для формы отверстия, чтобы была линейная характеристика.

При расчетах задаются α = 0,7.

Вихревые расходомеры.

В ихревыми называются расходомеры, основанные на измерении частоты колебаний вихрей, возникающих в потоке при обтекании потоком какого-либо тела.

Рассмотрим цилиндр, на который набегает поток.
Т – период вихреобразования



u – скорость вихря


Впервые частота вихревого звука была исследована Струхалем на примере звучания струны в потоке воздуха и введен критерий Струхаля (Sh):





S – площадь поперечного сечения трубы

В современных расходомерах используют треугольные призмы. В призме 2 отверстия (канала)
В таких расходомерах предусмотрены меры для борьбы с акустическими помехами, которые возникают при вибрации трубы, работе насоса.

Акустические помехи действуют в фазе на выходной сигнал, а вихревые находятся в противофазе, поэтому при использовании двух каналов они вычитаются.

Вопрос № 1.16. Электромагнитные (индукционные) расходомеры.

П ринцип действия основан на измерении ЭДС, индуктируемой в потоке электропроводной жидкости под действием внешнего магнитного поля.

Между полюсами расположен участок трубы из непроводящего ток материала. Во внутреннюю стенку трубы вплавляются 2 электрода.

Силовые линии магнитного поля пересекают движущийся поток жидкости.

Поток жидкости ведет себя как рамка в магнитном поле. В нем наводится ЭДС при пересечении магнитными линиями.



В – магнитная индукция

d – определяющий размер (внутренний диаметр трубы)

_СР – средняя скорость потока.
Характеристика линейная, равномерная.



Достоинства:

• 
  применяется для загрязненных жидкостей, т.к. нет участков, где скапливается грязь.
  
• 
  Характеристика линейная.
  

Недостатки:

• 
  изменение во времени магнитной индукции (из-за старения магнита)
  
• 
  на постоянном магнитном поле возникает поляризация электродов.
  

Для устранения этих недостатков используют переменное магнитное поле.




При использовании переменного магнитного поля может возникнуть так называемая трансформаторная ЭДС, создает погрешность. Даже при неподвижной жидкости может быть сигнал. При неподвижной жидкости устанавливают ноль при помощи R-делителя.

Точность 0,5%.

Ультразвуковые расходомеры.

Принцип действия основан на измерении скорости звука в движущейся жидкости, определяемой векторной суммой скорости звука в неподвижной жидкости (с) и скорости движения самой жидкости (v).

Оптимальная скорость движения жидкости по трубам 3-5 м/с.



В УЗР используют 3 способа выделения сигнала:

1. 
   Время-импульсный
   
2. 
   Фазовый
   
3. 
   Частотно-пакетный (самый точный)
   

И – источники ультразвука (излучатели)

П – пьезоэлементы (приемники)

У – усилители

Г – генератор
Возможны два режима генератора – импульсный и непрерывный.
1. При время-импульсном методе генератор работает в импульсном режиме.
При импульсном измеряется временной сдвиг у П₁ и П₂. При непрерывном измеряется фазовый сдвиг.

( время распространения вдоль потока)

( время распространения против потока)

Т.о. импульсы к приемнику приходят со сдвигом.



Т.к. c>>V, следовательно

Характеристика линейная, но есть недостаток:

зависимость показаний от скорости звука в неподвижной жидкости, которая зависит от свойств жидкости. Это приводит к погрешностям.
2. При фазовом методе генератор работает в непрерывном режиме.

Выходным сигналом является сдвиг фаз:

, но недостаток все равно имеет место.

Для его устранения используют частотно-пакетный метод.
3. Частотно-пакетный метод.

Вводятся ключи (модуляторы), которые замыкаются и размыкаются

Если М1 замкнут, И1 передает импульс. Как только он достигнет П1, М1 отключается.

Как весь импульс пройдет расстояниеl – М1 снова замыкается. Образуются «пачки» импульсов.

Этот метод исключает погрешность от влияния свойств жидкости.


М – модуляторы

Т – период повторения пакетных импульсов


- частота повторений пачек

сигналов по потоку
- против потока



Класс точности 0,5.

Вопрос № 1.17. Массовые расходомеры. Кориолисовый расходомер.

Массовые расходомеры более перспективны, чем объемные. Использует ускорение Кориолиса воды при сложном движении (вращательное + поступательное движение).
Ускорение Кориолиса направлено перпендикулярно плоскости, проходящей через вектора и , в ту сторону, откуда кратчайшее совмещение и происходит против часовой стрелки.

- ускорение Кориолиса.

- сила инерции Кориолиса.


Трубка приводится в автоколебательный режим движения

(незатухающие колебания).






Электромагниты 2 фиксируют моменты прохождения нейтрали.

- изгибающий момент

S – внутреннее сечение трубы

- вектор угловой скорости все время меняет направление



W – перемещение точек трубы в колебательном режиме.



R_X – уравнение изогнутой линии при изгибе трубы

- круговая частота колебаний трубы

А – амплитуда колебаний









; С – жесткость трубок при кручении






- линейная скорость движения











Временной сдвиг является выходным сигналом.

Достоинства:

• 
  измеряет в единицах массы
  
• 
  во время эксплуатации точность не ухудшается
  

Недостаток: изогнутая труба может засоряться.

Класс точности 0,15 0,25%