06_Sen_Rasch (Конспект лекций по предмету, преподаватель Ляхова Н.Б.)

5

Датчики расхода жидкостей и газов.

Датчик диафрагменный. Перепад давлений создается с помощью: диафрагмы, переменной площади проходного сечения. Действие диафрагменного датчика основано на законе Бернулли, связывающего перепад давления Р с сопротивлением диафрагмы потоку b, удельным весом вещества потока  и скоростью потока V :

Р = b  V² / (2 g ), (g = 9.81 м/с² ).

Перепад давления создается с помощью сужающего устройства (диафрагмы). Перед диафрагмой и после нее образуются зоны завихрения. Давление перед диафрагмой возрастает, а сразу за ней снижается. По мере удаления от диафрагмы давление несколько повышается, но не до прежнего уровня вследствие потерь на трение и завихрения (часть потенциальной энергии переходит в кинетическую). Сопротивление диафрагмы потоку b может меняться с помощью набора диафрагм с различными отверстиями или изменяемым отверстием (клапаном с заслонкой). Коэффициент К описывает клапан как функцию положения его заслонки а при постоянном перепаде давлений в 10 кПа. Расход жидкости через клапан d зависимости от проницаемости диафрагмы К(а) :

Q = K (a)( Р / ) .

Рассчитываемое микропроцессорным регулятором управляющее воздействие для изменения положения заслонки должно быть: a + а = К_а^-1 Q ₀ / (Р/ ) .

Q₀ (а + а) а Q

К_а^-1 Q ₀ / Р/  Х Исполн. устр-во Клапан

P а R

Измерения а и Р P₁ P₂

Рис. Функциональная схема реализации алгоритма управления потоком.

Двигатель

Т рубопровод Клапан

Датчик Р Датчик перепада

п оложения а давлений

к лапана

АЦП АЦП

В водимые Микропроцессор Устройство

п араметры: К управления

Q₀, , a, K а двигателем

Рис. Схема АСУ расходом вещества.

Техническая реализация АСУ:

- датчик перепада давления ( P₁ - P₂ )- дифференциальный манометр(мембраны могут быть расположены в стенке трубопровода по обе стороны диафрагмы - это не нарушает герметичность),

- датчик положения заслонки клапана - потенциометрический ( R ),

- исполнительное устройство - асинхронный электродвигатель, изменяющий проницаемость диафрагмы путем сдвига заслонки клапана (регулятор электродвигателя - тиристорный),

- клапан - запорно-регулирующий, приводимый в действие кривошипно-шатунным механизмом, связанным через редуктор с валом электродвигателя.

Регулирование расхода производится по следующему алгоритму:

1 - По измеренным значениям P₁ и P₂ вычислить Р .

2 - По требуемому значению расхода Q₀ вычислить требуемое положение (состояние) клапана (а + а) .

3 - По величине сопротивления R потенциометра определить состояние клапана а.

4 - По результатам сравнения вычислить управляющее воздействие а.

5 - Осуществить отработку сигнала а исполнительным устройством.

6 - Вернуться к шагу 1 до достижения устойчивого состояния а = 0.

Зависимость коэффициента К от положения клапана а храниться в памяти микропроцессора. Зависимость К(а) получается в результате градуировки , проводимой с шагом (а_n - а_n-1 ). Каждый тип клапана имеет свою зависимость К(а). Задающие значения могут изменяться от n = 0 (клапан полностью закрыт) до n = 25 (полностью открыт). Программа вычисляет ошибку положения, после чего проводится корректировка положения клапана. Состояние процессора и характер выполняемой программы отражается на дисплее.

Для определения разности давлений может быть использован емкостной датчик давления. Мембрана

Электромашинные.

Тахометрические расходомеры используют зависимость расхода от скорости потока. На ось тахогенератора укрепляются турбины-крыльчатки, которые под действием потока жидкости или газа вращают ось. При этом вырабатывается пропорциональная скорости вращения ЭДС:

Е = k (d / dt) = k  , V =  d/2,

k - статический коэффициент усиления,  = d / dt - угловая скорость вращения, V - линейная скорость, d - диаметр турбины. Расход жидкости или газа:

Q = V  d² / 4 . E = 8 k Q / ( d³ ).

Для определения скорости вращения вала турбины могут также использоваться и другие методы.

Рис. Турбинный расходомер.

Магнитные.

Индукционные расходомеры предназначены для жидких электропроводных сред, в том числе пульп с мелкодисперсными неферромагнитными частицами удельной проводимость не ниже 5 *10 См/м, протекающих в закрытых и полностью заполненных трубопроводах из немагнитного материала (Cu, Al). При движении потока электропроводной жидкости в магнитном поле в ней наводится ЭДС. Магнитное поле создается переменным электромагнитом 2. В потоке возникает ЭДС:

E = k  B V d = 4 k  B Q / (  d ),

где k - коэффициент пропорциональности ,  - круговая частота магнитного потока, B - индукция магнитного потока, d - внутренний диаметр трубы, V - средняя (по сечению трубы) скорость жидкости, Q = V  d² / 4 - расход (количество жидкости, проходящей через сечение трубы в единицу времени). Расходомеры с переменным магнитным полем применяются для жидкостей с электрической проводимостью не менее 10-3 См/м. При переменном магнитном поле в контуре, образованном электродами, выводными проводами и прибором, индуцируется паразитная ЭДС, для полного подавления которой требуется усложнение схемы измерительного преобразователя.

Электромагнитные расходомеры обладают рядом преимуществ по сравнению с другими методами измерения расхода. К их числу относится: 1) возможность измерения расхода агрессивных, вязких и абразивных жидкостей и пульп, а так же жидких металлов; 2) возможность использования на трубопроводах диаметром от 10 мм до 3 м; 3) независимость показаний от вязкости, плотности и других физических свойств жидкости. К числу недостатков электромагнитных расходомеров следует отнести невозможность измерения расходов непроводящих сред (нефтепродуктов. Масел, большинства органических жидкостей и газов), ограничение на область применения по температуре до 150 ^оС и давлению до 2,5 МПа.

Расходомеры с переменным магнитным полем применяются для жидкостей с электрической проводимостью не менее 10-3 См/м. При переменном магнитном поле в контуре, образованном электродами, выводными проводами и прибором, индуцируется паразитная ЭДС, для полного подавления которой требуется усложнение схемы измерительного преобразователя. Электромагнитные расходомеры обладают рядом преимуществ по сравнению с другими методами измерения расхода. К их числу относится: 1) возможность измерения расхода агрессивных, вязких и абразивных жидкостей и пульп, а так же жидких металлов; 2) возможность использования на трубопроводах диаметром от 10 мм до 3 м; 3) независимость показаний от вязкости, плотности и других физических свойств жидкости. К числу недостатков электромагнитных расходомеров следует отнести невозможность измерения расходов непроводящих сред (нефтепродуктов. Масел, большинства органических жидкостей и газов), ограничение на область применения по температуре до 150 ^оС и давлению до 2,5 МПа.

Термические.

В термоанемометрах используются терморезисторы, помещенные на пути газового потока. В результате конвекции с поверхности терморезистора уносится потоком теплота, пропорциональная скорости потока. Термоанемометры легко миниатюризируются. Терморезисторы располагаются на плате - мембране с прорезями на пути газового потока. На этой же плате помещаются устройства обработки информации. Использование в качестве платы – кремниевой подложки позволяет реализовать МЭНС и НЭНС устройства.

Рис. Миниатюрный термоанемометр.

Оптические.

Лазерный анемометр основан на рассеянии лазерного излучения движущимся потоком. Вследствие эффекта Доплера частота света, рассеянного движущимся объектом изменяется. Разность частот зависит от скорости и направления потока относительно направления излучения. Излучение гелий-неонового лазера 1 направляется линзами 2 и 3 на светоделительное зеркало 9, которое формирует два пучка к зеркалам 4 и 8. Оба пучка фокусируются линзами 5 и 7 в той области потока, где требуется измерить скорость. Один из пучков направлен вдоль потока, другой - встречно. Фотоприемник 6 регистрирует излучение, которое содержит две интерферирующие между собой составляющие, обусловленные рассеянием каждого из пучков. В выходном сигнале фотоприемника выделяется разность частот (частота биения), пропорциональная скорости потока. Лазерный измеритель бесконтактен, обладает высокой точностью и быстродействием, работает в диапазоне скоростей от мм до сотен м в секунду.

Акустические

Излучаемые акустические волны отражаются от частиц или пузырьков, перемещающихся вместе с потоком. В соответствии с эффектом Доплера имеет место сдвиг частоты, пропорциональный скорости потока. Знак сдвига частоты Δf соответствует направлению потока по отношению к акустическому приемнику. (Расход жидкости: Q = V  d² / 4, где V - линейная скорость, d - диаметр трубы). Δf → V→ Q.

Рис. Акустический доплеровский расходомер.

В качестве отклика может быть использован фазовый сдвиг. Он оценивается сравнением времен прохождения импульса от прибора А к прибору В и в обратном направлении. (ТАВ – ТВА)→Δφ → V→ Q.

А В

Рис. Акустический фазовый расходомер.