Реферат: Датчики потока

В русле общего направления технического прогресса существенные изменения претерпели также и датчики. На смену электромеханическим и электровакуумным устройствам пришли твёрдотельные (полупроводниковые, сегнетоэлектрические и т.п.) элементы и приборы, которые затем всё больше и больше стали вытесняться интегральными схемами. Развитие техники детектирования магнитных и электрических полей, электромагнитных волн (от ИК- до УФ-диапазона), малых количеств примеси в жидких и газообразных средах существенно расширили возможности измерений на удалённых, труднодоступных, движущихся и т.п. объектах. Это сделало не обязательным расположение датчиков непосредственно у объекта.

Литературный обзор.

В данной работе рассматриваются датчики (измерители) потока. В настоящее время существует множество методов реализующих измерение потока жидкости или газа, которые можно разделить на несколько групп: тепловые, механические, гидродинамические (аэродинамические), электромагнитные, ультразвуковые и другие. Различные датчики обеспечивают измерение различных характеристик потока. Метод измерения, основанный на стационарной инжекции тепла в поток, позволяет получить информацию о среднем массовом расходе жидкости или газа (кг/с). Гидродинамические (аэродинамические) методы и механический турбинный метод обеспечивают измерение среднего объёмного расхода (м³ /с). Электромагнитные и ультразвуковые датчики предназначены для измерения средней скорости потока (м/с). Тепловой конвекционный метод и гидродинамический метод с использованием трубки Пито позволяют измерить локальную скорость жидкости или газа в потоке. Разработчик измерительной системы должен точно знать, какая из перечисленных характеристик потока подлежит измерению.

Механические измерители потока.

Механические измерители потока работают на принципе физического воздействия жидкости или газа на измерительный элемент, например на крыльчатку турбины или элемент, тормозящий поток.

Вращающиеся измерители потока.

Турбины. Турбинные измерители потока измеряют средний объёмный расход жидкости или газа. Скорость вращения крыльчатки (колеса) турбины, занимающей полное сечение потокопровода, и объёмный расход связаны следующей зависимостью:

(1.1)

где Q – средний объёмный расход (м³ /с); n – скорость вращения ротора турбины (об/с); D – диаметр потокопровода (м); v – кинематическая вязкость текучей среды (м² /с). Как видно из графика на рис. 1, учёт конкретного вида функции f важен только при низких скоростях вращения турбины. Обычно турбина работает в линейной области, где величина Q/nD³ постоянна, так что скорость вращения турбины прямо пропорциональна среднему объёмному расходу жидкости или газа. Поскольку при мощностях потока износ подшипников ротора турбины очень быстро выводит турбину из строя, рабочий диапазон турбинного измерителя потока обычно ограничивается предельными значениями расхода жидкости или газа, соотносящимися приблизительно как 10:1. Заметим, что из-за нелинейности рабочих характеристик при малых потоках турбинные измерители не пригодны для измерения потоков, изменяющих своё направление.

Пропеллеры. Принцип его работы ничем не отличается от принципа работы турбинного измерителя потока. Однако, в отличие от турбины пропеллер не охватывает всё сечение потока и скорость его вращения скорее пропорциональна скорости потока, а не объёмному расходу. Рабочий диапазон пропеллерного измерителя потока в относительном выражении шире, чем 10:1, так как эффект вязкости для него менее важен, чем для турбины.

При соответствующей калибровке и правильной эксплуатации вращающиеся измерители потока обеспечивают довольно точное измерение характеристик потока (нелинейность не превышает 0.005%). Однако эти устройства не обладают достаточной механической прочностью и быстро выходят из строя при измерении мощных потоков и наличия в потоке посторонних твердых частиц. Для компенсации погрешностей, связанных с износом подшипников, необходимо периодически повторять процедуру калибровки измерителя, особенно если он эксплуатируется в коррозийной или агрессивной среде.

Измерители потока с тормозящим элементом .

На рис. 2 показан измеритель потока с тормозящим элементом. Сила торможения, действующая на подвешенный в потоке элемент, определяется выражением

(1.2)

где C_d - коэффициент торможения; А - площадь поперечного сечения элемента (м² ); r - плотность текучей среды (кг/м³ ); u - скорость потока (м/с).

Коэффициент торможения зависит от формы тормозящего элемента и практически постоянен, если форма элемента выбрана должным образом. Сила торможения чаще всего измеряется с помощью тензодатчика, закрепляемого на несущем рычаге тормозящего элемента.

Измерители потока с тормозящим элементом имеют хорошие частотные характеристики (типичное значение верхней границы частотного диапазона - 100 Гц), хотя для проведения точных измерений на повышенных частотах весьма важно обеспечить соответствующее демпфирование.

Симметричные тормозящие элементы устройства этого типа являются двунаправленными измерителями потока, хорошо работающими вблизи точки изменения направления потока. Измерители с тормозящим элементом - прочные устройства. Они часто используются в тех случаях, когда текучая среда содержит взвешенные твердые частицы, что исключает возможность применения многих других типов измерителей потока. С их помощью можно измерять скорость потока как жидкости, так и газа.

Гидродинамические (аэродинамические) измерители потока .

В измерителях этого типа используется возможность установления связи между разностью давлений в двух характерных точках потока и скоростью потока. Эта разность давлений измеряется с помощью дифференциального преобразователя давления, связанного с микро ЭВМ. Если требуется линеаризация, она может быть выполнена программным способом.

Трубки Пито

Трубка Пито ( рис. 3) обеспечивает измерение локальных скоростей жидкости или газа в потоке. В трубке имеется два типа отверстий, открытых для текучей среды. На статических входах (или входе), выполненных в виде отверстий, оси которых перпендикулярны направлению потока, действует статическое давление текучей среды p_s . Вход (отверстие) на конце трубки собирает заторможенную массу жидкости или газа, находящуюся под полным давлением p_t . Если трубка Пито расположена параллельно потоку, то разность этих двух давлений находится из уравнения Бернулли

, (1.3)

где р - разность давлений (Па); p_s - давление на статическом входе (Па); p_t - полное давление (Па); r - плотность текучей среды (кг/м³ ); u - скорость потока (м/с); Отсюда для скорости потока несжимаемой текучей среды получаем

. (1.4)

Для сжимаемой текучей среды (например, воздуха) скорость потока определяется по формуле

, (1.5)

где k=c_p /c_v (отношение удельных теплоемкостей).

Трубка Пито чаще всего применяется для измерения скорости воздуха в вытяжных трубах и на самолетах, хотя ее можно использовать в любой текучей среде. Это очень точное и прочное устройство, требующее минимального технического обслуживания. Главный недостаток трубки Пито - низкая чувствительность при малых скоростях потока и нелинейность связи между разностью давлений и скоростью.

Измерители на потокорезистивных

элементах.

Устройства этого типа определяют объемный расход жидкости или газа. В потокопроводе размещается препятствие с известными характеристиками и с помощью дифференциального преобразователя давления измеряется разность давлений по обе стороны от этого препятствия.

Сопло с острыми кромками. На рис. 4 показаны структура измерителя потока, в котором используется сопло с острыми кромками, и профиль давления вдоль потокопровода в таком измерителе. Несмотря на то что профиль давления весьма сложен, он воспроизводим, хорошо описан и протабулирован. Объемный расход для несжимаемой, текущей без трения среды описывается выражением

, (1.6)

где Q - объемный расход (м³ /с); A_u и A_d - площади поперечных сечений потокпровода и сопла (м² ); p_u и p_d - давление до и после препятствия (сопла) в текучей среде (Па); r - плотность текучей среды (кг/м³ ). Поскольку значения A_u и A_d постоянны, формула (1.6) фактически задает туже функциональную зависимость (т.е. пропорциональность объемного расхода потока величине (p_u -p_d )^1/2 ), что и формула (1.5) для трубки Пито.

С целью оптимизации рабочих характеристик таких измерителей потока для конкретных текучих сред и профилей потока используются различные модификации сопла с острыми кромками. При этом во всех случаях тип функциональной зависимости, определяемой формулой (1.6), остается неизменным, изменяются только значения констант.

Измерители потока данного класса могут использоваться практически с любыми текучими средами. Они просты по конструкции и надежны. При тщательной калибровке эти измерители обеспечивают точность порядка 1%.

Линейные потокорезистивные элементы. Существует два типа линейных потокорезистивных элементов, используемых для измерения объемного расхода воздуха при обследовании дыхательной системы. Узкие каналы обеспечивают однородность профиля потока воздуха, благодаря чему реализуется линейная взаимосвязь между разностью давлений и потоком. Дифференциальный преобразователь давления измеряет перепад давлений на элементе, пропорциональный объемному расходу воздуха.

Главный недостаток таких элементов - возможность быстрой закупорки узких каналов грязью, конденсируемой водой и т.п., что приводит к неточным показаниям.

Электромагнитные измерители потока.

Электромагнитные измерители потока используются для измерения скорости потока, усредненной по его поперечному сечению, и пригодны почти для всех проводящих жидкостей. Их работа основана на том хорошо известном факте, что в любом проводнике, движущемся перпендикулярно направлению силовых линий магнитного поля, индуцируется напряжение, величина которого прямо пропорциональна скорости проводника (в нашем случае - скорости жидкости).

Принцип работы . Магнитное поле В приложенное перпендикулярно направлению потока жидкости. Индуцируемое электрическое поле, определяющее ЭДС электромагнитной индукции, перпендикулярно как направлению тока, так и направлению магнитного поля. Величина ЭДС определяется законом Фарадея

, (1.7)

где v_у - индуцируемая ЭДС между точками a и b(); B- магнитная индукция (Тл); a, b - точки, в которых и находятся электроды; L - расстояние между точками а и b (м); u - скорость жидкости (м/с).

Предполагая, что пространственные распределения поля В и скорости u однородны и что векторы В, u и L ортогональны, получаем следующее простое выражение для ЭДС

v_e =BLu. (1.8)