Витратомір палива

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДИПЛОМНИЙ ПРОЕКТ

Витратомір палива

Вступ

В наш час цивільна авіація відіграє велику роль в єдиній транспортній системі і народному господарстві країни.

В загальному пасажирообігу усіх видів транспорту цивільна авіація займає третє місце. На її долю припадає третина пасажирообігу в міжнародних сполученнях, а на дальніх магістралях - більш ніж 80%. Літаки цивільної авіації виконують, крім того, регулярні пасажирські та вантажні рейси в Європу, Азію, Африку, Північну Америку.

Основні задачі вітчизняного авіа транспорту - своєчасне, якісне і повне задоволення потреб народного господарства і населення в перевезеннях, підвищення економічної ефективності його роботи, для цього треба вдосконалювати єдину систему управління повітряним рухом, прискорюючи введення відповідних автоматизованих систем. Збільшити пасажирообіг, скоротити питому витрату палива на 3-5%.

Також основними показниками ефективності роботи авіаційної транспортної системи є безпека та регулярність польотів повітряних суден, економічності їх експлуатації.

Кажучи про безпеку польотів, потрібно усвідомлювати, що це, перш за все, - безумовна відповідність нових літаків вимогам норм польотної придатності. З точки зору регулярності - це виконання планового технічного обслуговування і ліквідація відмов техніки заданий час. І, окремо, щодо економічності експлуатації - це виконання технічного обслуговування і відновлення пошкоджених виробів з заданою трудомісткістю та вартістю.

Кількість затримок рейсів зменшилось, завдяки скороченню часу, який витрачається на пошук та ліквідацію відмов та неполадок, а також підвищенню якості ремонту вузлів та блоків авіаційної техніки. Роль приладів, як основного джерела об'єктивної інформації про стан режимів роботи та справності обладнання, правильності настройки його агрегатів, підвищується.

В зв'язку зі змінами основних характеристик сучасних літальних апаратів - швидкості і висоти польоту, дальності, вантажопідйомність, потужність силових установок - створилась потреба для значних змін технічних вимог до бортових вимірювальних приладів, в тому числі, і до систем вимірювання витрати палива.

Витратоміри використовуються також для проведення науково-дослідних робіт, управління виробничим процесом, для контролю роботи енергетичних установок, управління літаками і космічними апаратами, контролю роботи зрошувальних систем в сільському господарстві і в багатьох інших випадках. Без витратомірів неможливо забезпечити нормальний режим роботи важливих технологічних процесів в таких галузях промисловості, як енергетика, металургія, нафтогазова, хімічна, целюлозно-паперова, харчова та інші. Без цих приладів не можна також і автоматизувати відповідні процеси і забезпечити при цьому максимальний ефект виробництва. Витратоміри сприяють підвищенню якості виготовлення продукції, ліквідації браку і економії вихідних матеріалів. Річний економічний ефект від впровадження витратомірів в масштабах всієї країни вимірюється мільйонами грн.

В теперішній час на борту літального апарату використовуються витратоміри палива в яких в якості первинного перетворювача застосовується крильчатка. Таким є турбінний перетворювач витрат палива. До його складу входить гідравлічна крильчатка, вісь обертання якої рівнобіжна напрямку потоку.

Основним недоліком цього перетворювача являється вплив моменту тертя в осях крильчатки на точність вимірювання витрат. Саме тому, метою даного дипломного проекту є обґрунтування можливості використання безконтактного методу вимірювання витрат у первинному перетворювачі.

1. Огляд методів вимірювання витрати

1.1 Витратоміри обтікання

Витратомірами обтікання називаються прилади, чутливий елемент яких сприймає динамічний тиск потоку й переміщається під його дією, причому величина переміщення залежить від витрати. У більшості витратомірів тіло, яке обтікається (поплавець, диск поршень) переміщається прямолінійно, звичайно уздовж своєї вертикальної осі. Але є витратоміри, у яких тіло яке обтікається (диск) обертається навколо осі підвісу. Витратоміри обтікання складаються з наступних груп.

1. Витратоміри постійного перепаду тиску, у яких тіло, яке обтікається переміщається вертикально, а протидіюча сила створюється вагою тіла.

Витратоміри з перепадом, тиску, у яких є протидіюча пружина.

2. Витратоміри з поворотною лопаткою. Протидіюча сила в них створюється не тільки вагою тіла, але ще й пружиною.

У всіх перерахованих витратомірах між стінками труби й рухливим тілом залишається невеликий прохідний перетин. У зв'язку із цим умови його обтікання будуть істотно відмінними від умов обтікання такого ж тіла у вільному потоці. На створення значної швидкості в прохідному перетині затрачається певна енергія, і на тіло крім динамічного тиску діє також і різниця статичних тисків. Якщо не враховувати цю різницю, то значення коефіцієнта обтікання або опори тіла, що залежить від форми тіла, буде багато більше, ніж при обтіканні тіла в необмеженому вільному потоці. Крім того, на що обтікається діє сила в'язкого тертя. Вона залежить не тільки від в'язкості речовини, але й від конфігурації тіла.

Переваги витратомірів обтікання: простота пристрою, надійність у роботі, значний діапазон вимірювання (від 8 до 15 залежно від різновиду приладу). Похибка звичайно знаходиться в межах ±(1ч2,5)%.

Витратоміри постійного перепаду тиску

Витратоміри постійного перепаду тиску підрозділяються на ротаметри, поплавкові й поршневі (або точніше золотникові). Ці прилади (особливо ротаметри) найбільше широко застосовуються в порівнянні з іншими витратомірами обтікання.

Ротаметр складається з конічної (звичайно скляної) трубки, що розходиться нагору, усередині якої переміщається поплавець. Шкала наноситься безпосередньо на скляну трубку. Довжина труби звичайно знаходиться в межах від 70 до 600 мм, а діаметр від 1,5 до 100 мм.

Межі вимірювання звичайних ротаметрів зі скляною трубкою: по тиску 0, 5-0,6 МПа, при температурі 100-150?С.

Переваги ротаметрів: простота пристрою й експлуатації; наочність показів; надійність у роботі; зручність застосування для вимірювання малих витрат різних рідин і газів (зокрема агресивних), значний діапазон вимірювання, рівномірна шкала.

Недоліки: крихкість і непридатність для вимірювання витрати речовин, що мають значні тиски; зв'язаність приладу з місцем вимірювання; великих витрат.

Більшість із перерахованих недоліків можуть бути усунуті у випадку виготовлення конусної трубки з металу й застосування дистанційної передачі. Але при цьому губляться простота пристрою й наочність показів, а також різко скорочується хід поплавця.

Рис. 1.1. Схема ротаметра

На поплавець знизу (рис. 1.1.) діють три сили: різниця статичних тисків на носову й кормову поверхні поплавця, що виникає внаслідок переходу частини потенційної енергії у швидкість у вузькому перетині 2-2; ця різниця дорівнює (р 1-_р2) f де f - площа найбільшого поперечного перетину поплавця; динамічний тиск W потоку, розраховується по формулі

де с - коефіцієнт опору поплавця; і щільність і характерна

швидкість потоку відповідно; сила тертя N потоку об поверхню поплавця.

Сума цих трьох сил урівноважується вагою G поплавця

де й обсяг і щільність матеріалу поплавця.

Витратоміри зі змінним перепадом тиску

Принцип дії витратомірів змінного перепаду тиску ґрунтується на залежності перепаду тиску від витрати речовини, причому перепад тиску створюється пристроєм, встановленим в трубопроводі, або ж конструктивним елементом самого трубопроводу.

До складу витратоміру входять: перетворювач витрат, який створює перепад тиску; диференціальний манометр, який вимірює цей перепад та з'єднувальні трубки між перетворювачем і диференціальним манометром. У випадку необхідності передавання показів витратоміру на значні відстані, додаються: вторинний перетворювач, який трансформує переміщення рухомого елементу дифманометра в електричний і пневматичний сигнали, які по лінії зв'язку (дротами, трубками) передаються на вторинний вимірювальний прилад. Якщо первинний дифманометр (або вторинний вимірювальний прилад) обладнано інтегратором, то прилад в такому складі придатний для вимірювань не тільки витрат в одиницю часу, але витрат речовини за певний проміжок часу.

В залежності від того, на якому принципі дії побудовано роботу перетворювача витрат, витратоміри поділяються на шість самостійних груп, в межах яких існує декілька конструктивних різновидів перетворювачів.

Витратоміри зі звужуючими пристроями.

Вони застосовуються для вимірювання витрат рідин, газів, пари. Їхня робота ґрунтується на залежності від витрати речовини перепаду тиску, який створюється звужуючим пристроєм. В результаті появи такого перепаду відбувається перетворення частини потенційної енергії потоку в кінетичну. В наш час використовується значна кількість різновидів звужуючих пристроїв. Так, на рис. 1.2. (а, б) зображено стандартні діафрагми; на рис. 1.2. в-стандартне сопло; на рис. 1.2. г, д, е - діафрагми для вимірювання забруднених речовин (сегментна, ексцентрична, кільцева відповідно). На наступних семи позиціях рисунку 1.2. наведені звужуючи пристрої, які застосовуються у випадку вимірювань в речовинах зі значною в'язкістю. Так, на рис. 1.2. ж, з, і показані діафрагми - подвійна, оснащена вхідним конусом, оснащена подвійним конусом; на рис. 1.2. к, л, м, н - сопла-півкола, чверть кола, комбіноване та циліндричне. На рис. 1.2. о, зозображено діафрагму зі змінною площею перерізу отвору. Така схема автоматично компенсує вплив зміни тиску і температури речовини.

На рис. 1.2. п, р, с, т зображені витратомірні труби - трубка Вентури, сопло Вентурі, трубка Далла та сопло Вентурі з подвійним звуженням. Вони характеризуються дуже незначними втратами тиску.

Відцентрові витратоміри.

Вони створені на основі врахування перепаду тиску, який утворюється в заокруглених ділянках трубопроводів (в результаті дії відцентрових сил в потоку), в залежності від величини витрати речовини, яка перетікає цим трубопроводом. Для такої схеми, як перетворювачі використовуються «коліна» (рис. 1.2 х) або кільцеві ділянки трубопроводу (рис. 1.2 ц) Відцентрові витратоміри найчастіше застосовують для вимірювань витрат води і, значно рідше, газів.

Рис. 1.2. Первинні перетворювачі витратомірів змінного перепаду тиску

Витратоміри з напірним пристроєм

В них створюється перепад тиску в залежності від витрати як наслідок місцевого перетворення кінетичної енергії струменю в потенційну. На рис. 1.2 ч зображено перетворювач, який складається з трубки Піто і трубки для знімання статичного тиску, а на рис. 1.2 ш - перетворювач з диференціальною трубкою Піто, в якій виконані отвори для знімання повного і статичного тисків. Окрім цих перетворювачів, які призначаються для вимірювання місцевої швидкості, зустрічаються перетворювачі з інтегруючими напірними трубками. Осереднення (інтегрування) повного тиску ведеться за діаметром (рис. 1.2 щ) або за радіусом, а за наявності сильно деформованих потоків - за двома взаємно перпендикулярними діаметрами. Відповідні трубки містять низку отворів в їхніх стінках, які призначені для сприймання повного тиску. Використання інтегруючих напірних трубок є особливо доцільним для вимірювань витрат води і газу в трубопроводах з великими діаметрами. Окрім того, знаходять використання кільцеві вставки (рис. 1.2 э) для інтегрування по кільцевій площі, а також напірне поворотне крило з двома отворами (рис. 1.2 ю) які по різному орієнтовані відносно потоку.

Витратоміри з напірним підсилювачем

В цих витратомірах розміщується перетворювач витрати, який поєднує в своєму складі напірний та звужуючий пристрої. Перепад тисків в них створюється як внаслідок місцевого переходу кінетичної енергії в потенціальну, так і часткового переходу потенційної енергії в кінетичну. Відповідні перетворювачі наведені на рис. 1.2 я (поєднання діафрагми і трубки Піто), на рис. 1.2?a (комбінація трубок Піто і Вентурі) і на рис. 1.1b (подвоєна трубка Вентурі). Напірні підсилювачі застосовуються, в основному, у випадку вимірювань газових потоків з незначними швидкостями рухомого середовища, коли перепад тисків, створюваний напірними трубками є недостатнім.

Витратоміри ударно - струменеві

Принцип їх дії ґрунтується на залежності перепаду тиску, який виникає внаслідок ударної дії струменю, від зміни витрат речовини. Струмінь рідини, який витікає зі звуженого отвору вхідної трубки, створює тиск р₁ у внутрішній порожнині сильфона, на який ззовні діє менший тиск р₂, який дорівнює тиску рідини, що витікає з вихідної трубки. Ударно - струминні витратоміри застосовуються тільки для вимірювань незначних витрат рідин і газів. В авіації витратоміри зі змінним перепадом тиску використовуються для вимірювання витрат газу.

1.2 Турбінні, кулькові і роторно-кулькові тахометричні витратоміри

Тахометричними називаються витратоміри і лічильники, конструкція яких містить рухомий елемент, швидкість руху якого пропорційна об'ємній витраті. Такі витратоміри і лічильники поділяються на турбінні, кулькові, роторно-кулькові і камерні.

Вимірюючи швидкість переміщення рухомого елементу, вимірюється миттєва витрата, а визначаючи загальне число його обертів (ходів) - кількість по об'єму або по масі витраченої речовини. Турбінні лічильники води і газу давно отримали широке розповсюдження, оскільки для їх реалізації треба тільки з'єднати вал турбінки, або іншого перетворювача витрати, за допомогою зубчастого редуктора, з лічильним механізмом. В цих витратомірах застосовується також тахометричний перетворювач.

Істотними перевагами тахометричних витратомірів є - швидкодія, висока точність і значний діапазон вимірювань.

Так, якщо похибка турбінних лічильників води (вісь яких через редуктор зв'язана з лічильним механізмом) дорівнює ±2%, то для вимірювальних приладів обладнаних тахометричним перетворювачем, ця похибка знижується до ±0,5%. Основна причина точності вимірювань полягає в тому, що такий перетворювач майже не навантажує вісь турбіни (на відміну від редуктора і лічильного механізму). Показники точності турбінного витратоміра у межах 0,5…1,5%.

Основним недоліком турбінних витратомірів є зношування опор, на яких кріпиться крильчатка. Тому вони не застосовуються для вимірювання витрат в рідинах, які містять механічні домішки. Ці витратоміри не можуть застосовуватися для вимірювання дуже в'язких речовини.

Турбінні витратоміри доцільніше застосовувати для вимірювань рідин

рідин, ніж газів.

Кулькові застосовуються для вимірювання витрат рідин (головним чином води). Головною їх перевагою є можливість працювати у забруднених середовищах.

Турбінний перетворювач витрати палива

Турбінний перетворювач витрати палива складається зі струмененапрямного апарата 1 (рис. 1.3) і гідравлічної крильчатки 2, вісь обертання якої рівнобіжна напрямку потоку. Її лопатки вигнуті під деяким кутом щодо осі крильчатки.

Частота n обертання ненавантаженої крильчатки пропорційна швидкості V протікання палива, тобто

, (1.1)

де k - коефіцієнт пропорційності, що залежить від конструкції крильчатки.

Тому що витрата палива через поперечний розріз S трубопроводу залежить від швидкості протікання палива, то

(1.2)

Підставивши перший вираз у другий одержимо

. (1.3)

Частота обертання крильчатки пропорційна об'ємній витраті палива. Звичайно вимірюють масову витрату Q_М, то з урахуванням зв'язку між Q і Q_м це рівняння має вигляд:

 (1.4)

де с - щільність палива.

Рис. 1.3. Турбінний перетворювач витрати

Це рівняння є статичною характеристикою ненавантаженого турбінного перетворювача витрати палива. Реальна статична характеристика перетворювача трохи відрізняється від описаної рівнянням через наявність моментів тертя в підшипниках крильчатки і протидіючих моментів, що навантажують крильчатку.

Кількість палива, спожита двигуном за час його роботи

, (1.5)

де t - час роботи двигуна від його пуску до зупинки.

Проінтегрувавши ліву і праву частини рівняння за інтервал часу від 0 до t, одержимо

, (1.6)

де - кут повороту крильчатки (число обертів).

Якщо вимірювати не частоту обертання крильчатки, а загальне число її обертів, то така система може бути використана для побудови лічильника кількості

1.3 Оптичні витратоміри

Оптичними називаются витратоміри, основані на залежності від витрат речовини того чи іншого ефекту в потоці. Існує декілька різновидностей цих приладів:

1) допплеровські витратоміри, основані на вимірюванні різниці

частот, що виникає при відбитті світлового променю рухомими частинками потоку;

2) витратоміри, основані на ефекті Фізо-Френеля, у яких вимірюється який-небудь параметр, зв'язаний з залежністю швидкості світла в рухомій прозорій речовині від швидкості останньої;

3) витратоміри, основані на особливих оптичних ефектах, наприклад, залежності оптичних властивостей світловода від швидкості обтікаючого його потоку;

4) витратоміри, основані на вимірюванні часу переміщення на певній ділянці шляху оптичної мітки, введенної в потік;

5) кореляційні оптичні витратоміри.

Оптичні витратоміри мають багато переваг: високу точність і швидкість дії, відсутність контакту з вимірюваною речовиною й ряд інших.

Доплеровскі витратоміри застосовуються для вимірювання місцевих швидкостей рідини й газу в різних дослідних роботах по вивченню турбулентності, зняттю поля швидкостей і т. п. Для вимірювання витрат вони застосовуються рідше. Прилади, основані на эфекті Фізо-Френеля, призначені для вимірювання витрат. Оптичні витратоміри, як правило застосовуються в трубах невеликого діаметру.

Доплеровські витратоміри

Принцип дії доплеровських оптичних витратомірів

Ці прилади основані на вимірюванні різниці частот Дf, що виникає при відбитті світлового променю рухомими частинками потоку. Тому й для оптичних витратомірів справедливе рівняння:

,

з врахуванням того, що швидкість світла у вимірюваній речовині дорівнює с/п, де п - показник заломлення даної речовини, а відношення , де - довжина хвилі випромінювана в пустоті.

Тоді одержимо

(1.7)

Звідки

(1.8)

де - градуйовочний коефііцієнт.

Середня квадратична похибка, %, вимірювання швидкості визначається рівнянням:

(1.9)

де - максимальні похибки величин

Похибки і занадто малі, так як швидкість світла в рідині чи газі, а також і показник заломлення п відрізняються високою стабильністью, а джерела монохроматичного випромінювання - лазери - забезпечують стабільність частоти f, а отже, і з відомо високим ступенем точності. Тому похибка буде залежати лише від похибки градуйовочного коефіцієнта , що визначається точністю вимірювання кутів б' і б» і похибкою вимірювання різниці частот. Похибка рівна 0,1ч0,25%. Похибка у випадку застосування високоточного цифрового частотоміра буде дуже мала. Тому загальна похибка буде дуже близька до похибки.

Відбиття (чи розсіювання) світла відбувається від великого числа природніх (мікробульбашки, пил і т. п.) чи штучних (наприклад, полістирольні кульки діаметром 0, 5-1 мкм) неодноріодностей вимірюваної речовини. Внаслідок випадкового характеру сумування амплітуд і фаз елементарних відбиттів на приймач буде поступати сигнал, що вміщує випадкові складові спектра. Цей сигнал має деяку когерентну з вихідним випромінюванням складову, достатню для вимірювання доплеровського зсуву, хоч потужність сигналу й невелика.

Побудова доплеровських оптичних витратомірів

Ряд принципових схем доплеровских оптичних анемометрів зображений на рис. 1.4, а-г. В схемі на рис. 1.4, а. промінь, утворений лазером і зфокусований лінзою Л1 у точці О, відбиває частину своєї енергії, яка збирається лінзою ЛЗ і направляється дзеркалом З1 через діафрагму D на фотокатод фотоелектронного умножувача ФЭУ, куди також поступає промінь від лінзи Л2 через напівпрозоре дзеркало П3. З2 - друге дзеркало.

Недолік схеми - труднощі регулювання положення робочої точки О. Інші схеми, зображені на мал. 1.4., позбавлені цього недоліку. У них розділення променю відбувається до входу в потік, що дозволяє легко міняти положення робочої точки. На рис. 1.4., б промінь після виходу із ОКГ падає на напівпрозоре дзеркало ПЗ і частково відбивається останнім, утворюючи опорний промінь, що проходить через лінзу Л1, потім через рідину перпендикулярно рухові останній без доплеровського зсуву, і через діафрагму D поступає на фотокатод ФЭУ. Друга частина променя, що йде із ОКГ, проходить через дзеркало ПЗ, фокусується лінзою Л2 у рабочій точці, де частково розсіюється, утворюючи робочий промінь, що проходити через діафрагму D і поступає на фотокатод ФЭУ. Переміщенням дзеркала 3 можна регулювати положення робочої точки О.

Рис. 1.4. Схеми доплеровських оптичних витратомірів

На рис. 1.4., г показана схема, в якій промінь із ОКГ розділяється напівпрозорим дзеркалом ПЗ на дві частини, що проходять через діафрагму D1 і велику лінзу Л1, яка фокусує їх в одній робочій точці О. Потім обидва

промені збираються лінзою Л2 і через діафрагму D2 поступають до ФЭУ.

У цій схемі кожен із поступаючих до ФЭУ променів включає і опорний i робочий сигнали. Промінь 1 як продовження променю 1 буде опорним, але разом з ним на ФЭУ приходить розсіяна частина променя 2 з доплеровським зсувом. Це також відноситься і до променю 2'.

Як видно із наведених схем, оптичні витратоміри складаються з джерела випромінювання, оптичного пристрою, який утворює опорний і робочий промінь з доплеровським зсувом частот і приймально-вимірюючого цей зсув пристрою.

У витратомірах знайшли застосування газові лазери, переважно неоново-гелієві з довжиною хвилі випромінювання л = 0,6328 мкм (4,74 · 10¹⁴ Гц). Термін служби біля 500 год. Вони мають дуже високу стабільність частоти (10^-7-10^-8, а у випадку, автопідстройки резонатора 10^-10), але недолік більшості із них - мала потужність випромінювання, декілька міліват. Тому при дуже поглинаючих і розсіюючих середовищах, а також при великих діаметрах труб більше підходять аргонові, що мають потужність до 1000 мВт, і лазери на вуглекислому газі. Довжини хвиль випромінювання в них л = 0,48 мкм и л = 0,51 мкм, що поглинаються в воді значно слабіше, чим хвилі з л = 0,6328 мкм (у неоново-гелієвих ОКГ). Стабільність частоти і когерентність випромінювання аргонових лазерів гірше, чим у неоново-гелієвих, атермін службы дуже обмежений (30 год).

Схеми оптичних пристроїв в анемометрах і витратомірах Допплера, як це про видно йз мал. 1.4., можуть бути різними.

Вимірювання доплеровського зсуву частоти при звичайних швидкостях основане на вимірюванні частоти биття двох когерентних оптичних сигналів, з яких один опорний, а другий розсіюваний неоднорідностями речовин, що рухаються.

Обидва ці випромінювання треба подати на фотоприймальний пристрій строго паралельно, для чого служать спеціальні регулювальні пристрої. Як правило першим ступенем схеми вимірювання зсуву f₁ - f₂ частот служать фотоелектронні помножувачі ФЭУ, що виконують функції прийому, отоелектронні умножувачі ФЭУ, що виконують функції прийому, змішування і перетворення поступаючих сигналів.

Особливості вимірювання витрат оптичними методами.

Вимірювання витрат оптичними методами з допомогою эфекту Доплера. можна здійснити двома способами. Перший полягає у вимірюванні з допомогою лазерного доплеровського анемометра середньої швидкості потоку й помноження результату вимірювань на площу потоку. Другий метод полягає в застосуванні лазерного доплеровського витратоміру особливої конструкції.

При першому методі вимірюється місцева швидкість, співвідношення якої із середньою швидкістю відоме. Як правило вимірюється швидкість або в центрі труби, або на відстані 0,758r (де r - внутрішній радіус труби) від осі труби. У цьому випадку вимірюється безпосередньо середня швидкість, але в цьому випадку потрібна більша довжина прямої дільниці труби, ніж при вимірюванні швидкості в центрі. Крім того, великий градієнт швидкості в даній точці приводить до небажаного расширення спектру доплеровського сигналу, що затрудняє вимірювання його середньої частоти. Цього недоліку не має точка в в центрі труби, але співвідношення її швидкості з середньою швидкістю залежить від коефіцієнта гідравлічного тертя л труби, який повинний бути відомий. Установка, яка містить трубу звужуючого пристрою типу сопла Вітошинського, в якій формується рівномірне поле швидкостей, і вимірювання швидкості відбувається на виході із сопла. У цьому випадку не тільки зменшиться похибка вимірювань середньої швидкості, але й похибка вимірювання площі потоку. При цьому може бути отримана висока точність вимірювання витрат, близька до точності зразкових витратомірних установок.

Як приклад на мал. 1.5. наведена схема витратоміру. У трубопроводі перед соплом Вітошинского розміщені сотовий струєвипрямляч і сітки, що турбулізують потік. За соплом розташований дифузор, який знижує втрату тиску і запобігає можливому порушенню епюри швидкостей після виходу із сопла. Оптична частина складається із передавального І і приймального ІІ блоків. У передавальний блок входить лазер і формуюча оптика, виконана по диференціальній схемі. Приймальний блок складається із приймальної оптики й фотоприймача.

Рис. 1.5. Схема доплеровського витратоміра

1-лазер; 2-2 - поворотні дзеркала; 3-3 - напівхвильова фазова пластинка; 4-4 - коліматор; 5-5 - призми; 6-6 - розширювач пучки; 7-7 - вихідний об'єктив; 8-8 - сопло Вітошинського; 9,10 - об'єктиви прийомного блоку; 11 - фотоприймач

Доплеровський сигнал поступає в широкополосний підсилювач, проходить через фільтри низьких і високих частот, де звільняється від шумів і подається на двопороговий формувач імпульсів, частота яких відповідає частоті доплеровського сигналу. Демодулятор перетворює частоту імпульсів в аналоговий сигнал, пропорціональний витратам. Діапазон вимірювань витрат рідини 0, 1-100 м³/год (при трьох змінних гідроканалах), похибка ± (0,25 * 0,3)%.

В другому методі необхідні пристрої, які дозволяють або одночасно вимірювати доплеровський зсув частот у декількох точках, розташованих на різних відстанях від осі труби, або ж робити цю операцію послідовно, з допомогою двигуна, який з постійною швидкістю переміщує фокусуючу лінзу а, отже, переміщує робочу точку. На мал. 1.6. показана схема приладу, що вимірює допплеровский зсув частот у декількох точках. У випадку вісесиметричного потоку прилад може вимірювати витрати.

Світловий промінь від лазера 1 падає на напівпрозоре дзеркало 2. Частина променя відбивається від дзеркала і направляється безпосередньо в потік 5, а друга частина поступає на дзеркало 3 і потім на розщіплювач 4, із якого виходить у вигляді ряду пучків. Останні інтерферують з прямим пучком в окремих точках потоку, проходять через лінзу 6 і діафрагму 7 і поступають на протяжний фотоприймач 8. Для одержання вимірюваної інформації застосовується багатоканальний швидкодіючий аналізатор спектра.

Рис. 1.5. Схема багатопроменевого доплеровського витратоміру вимірювача масових витрат

Якщо доплеровський оптичний витратомір доповнити коректором, що враховує густину вимірюваної речовини, те можна забезпечити вимірювання масових витрат. Схема такого витратоміра показана на рис. 1.6. Вимірювана рідина проходити через дифузор 8, турбулізуючу сітку 9 і звужуючий пристрій 10, який утворює на виході у вимірювальну камеру 11 рівномірний профіль швидкостей. Промінь від лазера 1 падає на розщіплювач 2, де разділяється на дві частини. Потім обидва промені (один з них попередньо проходить через фазозсуваючий елемент 4, компенсуючий постійну складову сигнала) через вихідне вікно-меніск 3 входять у вимірювану речовину і фокусуються на осі потоку. В точці перетину променів утворюється просторова інтерференційна картина. Частинки, що рухаються, розсіюючи світло, модулюють його по інтенсивності. Розсіяне світло проходить через вікно 5 і надходить на фотодетектор 6 пов'язаний з вимірювальним приладом 7.

Вимірювання витрат приладами, які засновані на ефекті Фізо-Френеля

Швидкість світла в нерухомій прозорій речовині дорівнює с/n де с - швидкість світла в пустоті, а n - коефіцієнт заломлення речовини. Швидкість же світла с_n в речовині, що рухається з швидкістю с_n більше с/ n, якщо вона співпадає з х і менша при протилежному напрямі. Швидкість с_n визначається рівнянням, яке теоретично вивів Френель, а Фізо експериментально підтвердив його.

(1.10)

Для вимірювання швидкості х на певній ділянці шляху довжиною l треба пропускати світло по потоку і проти нього і вимірювати різницю часу проходження світлом даної ділянки шляху. Для цього створюється замкнутий контур довжиною L, по якому світло циркулює в протилежних напрямах. На частині цього контуру довжиною l рухається вимірювана речовина. Обидва світлові потоки після проходу замкнутого контуру L поступають на фотоприймальний пристрій, з допомогою якого вимірюється або зсув інтерференційних смуг Дх, або зсув частоти Дf світлових коливань між обома потоками, причому як Дх, так і Дf пропорціональні швидкості х вимірюваної речовини. Залежність зсуву Дх інтерференційних смужок від швидкості х визначається рівнянням

(1.11)

де л - довжина хвилі світла; и - кут між світловим променем і віссю труби. Відмітимо, що вимірювання сили фотоструму Ді прямо пропорціональне Дх при роботі на лінійній ділянці характеристики інтерферометра.

Залежність зсуву Д f частот від швидкості х виражається рівнянням

х (1.12)

Схема оптичного інтерференційного витратоміру приведена на рис. 1.7. Світло від джерела 11 проходить через світлофільтр 12 і напівпрозорим дзеркалом 10 ділиться на два потоки, що проходять через прозорі вставки 6 і 13, установлені в корпусі 1. Після відбиття від дзеркал 3 і 4 (укріплених у трубі за допомогою струменевипрямлячів 2 і 5) один світловий промінь проходить шлях L в напрямі потоку вимірюваної речовини, а інший проти нього. Потім вони знову відбиваються від дзеркал 3 і 4 і повертаються до дзеркала 10, де змішуються й утворять інтерференційну картину. Частина інтерференційної смуги проходить через діафрагму 7 і надходить до фотоприймача 8. Фотострум вимірюється приладом 9.

Рис. 1.7. Схема інтерференційного витратоміру Фізо-Френеля

Схема оптичного витратоміру, у якому виміряється не інтерференційний зсув Дх, а зсув частот Дf світлових коливань, що поширюються по замкнутому контурі в протилежних напрямках, показана на рис. 1.8.



Рис. 1.8. Схема частотного витратоміру Фізо-Френеля

Джерело випромінювання - гелієво-неоновий лазер 4 утворює разом із трьома дзеркалами 1, 3 і 11 замкнутий світловий контур, який завдяки чотирьом прозорим вікнам 2 двічі перетинає трубопровід 12. При цьому один світловий промінь рухається проти, а інший в напрямі потоку газу. Обидва світлових промені, пройшовши весь контур у протилежних напрямках і потім дзеркало 11, направляються дзеркалами 10 і 9 до фотоприймача 8, зв'язаному через підсилювач 7 і електронний фільтр 6 із приладом 5, що вимірює зсув частоти Дf.

Схема витратоміра газу, яка вимірює Дf показана на рис. 1.9. Канал 4 квадратного перетину інвару зі стороною 50 мм поміщений у резонатор 3 із ситалу. Ці матеріали мають дуже малий коефіцієнт температурного розширення. Канал утворений кварцевими вікнами для вводу променів. Кут введення для зменшення втрат дорівнює куту Брюстера г. Лазерна трубка 5 довжиною 200 мм (діаметр капіляра 2 мм) заповнена сумішшю гелію й неону. Живлення від стабілізатора 6. Для зменшення нестабільності характеристики кільцевого газового лазера служить система стабілізації частоти 7. Промені, пройшовши по потоку й проти нього по замкнутомуконтуру, надходять на фотопомножувач 8, що живиться від джерела 10. Далі вимірюваний сигнал подається на цифровий частотомір 9, що інтегрує частоту биття зустрічних хвиль за визначений проміжок часу. Для зменшення нечутливості можливості вимірювання малих швидкостей у схему вводиться невзаємний елемент Фарадея 2, який створює зсув частот лазерних променів. Магнітне поле в элементі 2, виконаному за диференційною схемою, створюється постійним магнітом 1, для термостабілізації якого служить схема 11. Незважаючи на невелике відношення 1/L = 0,17, витратомір має високу чутливість (300 Гц на 1 м/с).

Рис. 1.9. Схема витратоміру Фізо-Френеля з Фарадеєвим чутливим елементом

1.4 Електромагнітні витратоміри

В основі електромагнітних витратомірів лежить взаємодія електропровідної рідини, що рухається, з магнітним полем, що підлягає закону електромагнітної індукції.

Основне застосування одержали такі електромагнітні витратоміри, у яких вимірюється ЕРС, що індукується в рідині, при перетинанні нею магнітного поля. Для цього рис. 1.10. на ділянці 2 трубопроводу, виготовленого з немагнітного матеріалу, покритого усередині неелектропровідною ізоляцією й поміщеного між полюсами 1 і 4 магніту або електромагніту, вводяться два електроди 3 і 5 у напрямку, перпендикулярному як до напрямку руху рідини, так і до напрямку силових ліній магнітного поля. Різниця потенціалів Е на електродах 3 і 5 визначається рівнянням

Е = BDх= 4BQ₀ /рD, (1.13)

де В - магнітна індукція; D - відстань між кінцями електродів, що дорівнює внутрішньому діаметру трубопроводу; х і Q₀ - середня швидкість і об'ємна витрата рідини.

Рис. 1.10. Принципова схема перетворювача витрат в електромагнітного витратоміра

При вимірюванні витрати звичайних рідин з іонною провідністю для запобігання поляризації електродів застосовують змінне магнітне поле, створюване електромагнітами. У випадку живлення їх струмом промислової частоти поле має синусоїдальну форму і його індукцію

В = В_тахsin2рft. У цьому випадку ЕРС, пропорційна витраті, змінюється за рівнянням

Е = 4В_тахQ₀sin2рft/рD (1.14)

Переваги електромагнітних витратомірів: незалежність показів від в'язкості й густини вимірюваної речовини, можливість застосування в трубах будь-якого діаметра, відсутність втрати тиску, лінійність шкали, необхідність у менших довжинах прямих ділянок труб, чим в інших витратомірів, висока швидкодія, можливість вимірювання агресивних, абразивних і в'язких рідин. Але електромагнітні витратоміри не застосовуються для вимірювання витрати газу й пари, а також рідких діелектриків, таких, як спирти й нафтопродукти. Вони придатні для вимірювання витрати рідини, у яких питома електрична провідність не менш 10^-3 См/м.

Крім вимірювання витрати різних рідин і пульп з іонною провідністю, а також витрати розплавлених металів електромагнітний метод застосовується для виміру витрати крові в медичній і фізіологічній практиці, а також для вимірів швидкості морських течій і води у відкритих руслах.

Перетворювачі електромагнітних витратомірів

Основні елементи перетворювача електромагнітного витратоміра - це відрізок труби з діамагнітного матеріалу, що має внутрішнє ізоляційне покриття; електромагнітна система, розташована зовні, і два електроди для зняття різниці потенціалів, що утворюється при перетинанні рідиною магнітного поля.

У більшості випадків застосовують перетворювачі, внутрішній діаметр яких D_B дорівнює діаметру D трубопроводу. З'єднання - фланцеве, а при малих D - різьбове. Але при малих швидкостях у трубах доцільно мати D_B < D. Це підвищує ЕРС, а значить, і точність вимірювання витрат, знижує масу і вартість перетворювача й, крім того, завдяки збульшеній швидкості рідини сприяє очищенню поверхні електродів. При D_B < D перетворювач з'єднується із трубопроводом за допомогою конічних переходів. Труба перетворювача виготовляється з корозійностійкої сталі.



Рис. 1.11. Електронний вузол

1, 9 - футеровка; 2-стальна труба; 3-ізоляційна прокладка(склотекстоліт); 4-шайба; 5,6 - гайки; 6,13 - електрод; 7,12,18 - клеми; 8-сферична головка; 10-стінки труби; 11,20 - тарільчаті пружини; 14-металева втулка; 17 - екранний ковпачок; 19-ізоляційна втулка; 21-покриття із фторопласту 40.

На рис. 1.11, а показаний вузол електрода, застосовуваний у багатьох вітчизняних електромагнітних витратомірах. Він простий по конструкції й надійно працює при гумових і поліуретанових покриттях. Щільність досягається конічною головкою при затягуванні електрода за допомогою гайки. Залежно від розміру труби діаметр електрода 5-8 мм, а його головки

6-30 мм. На рис. 1.11, б зображена трохи інша конструкція вузла електрода. Останній має сферичну головку 8 з одним або декількома конічними зубцями на тильній частині, що забезпечують внутрішнє ущільнення при контакті з футеровкой 9. Тарільчасті пружини 11, що опираються через проміжні шайби в стінку 10 труби, забезпечують при затягуванні електрода необхідну щільність з'єднання. Клема 12 служить для приєднання проводу. На рис. 1.11, в показаний вузол електрода при фторопластовій ізоляції й невеликому діаметрі труби. За допомогою кільцевої площини в електрода під впливом

Вимірювальні схеми електромагнітних витратомірів

Електрорушійна сила, створювана первинним nеpeтворювачем електромагнітного витратоміра, невелика. Звичайно вона не перевершує 5-6 мВ. Це вимагає застосування підсилювачів. Для підвищення точності вимірювань сила вимірюваного струму, що протікає через перетворювач, повинна бути мінімальної.

Рис. 1.12. Блок-схема витратоміру

Це досягається застосуванням вимірювальних схем з дуже великим вхідним опором, наприклад за допомогою катодного повторювача на вході підсилювача. У вимірювальній схемі треба мати пристрій, що усуває вплив на результати вимірювання трансформаторної ЕРС, зсунутої по фазі на 90° стосовно основного сигналу.

Схема витратоміра показана на рис. 1.12. Він складається із трьох блоків: перетворювача витрати ПР, узгоджуючого пристрою УС-1 і вимірювального приладу ИП. Електроди 1 перетворювача, включені послідовно з обмоткою компенсаційного трансформатора 3, приєднані до первинної обмотки роздільного трансформатора 2. До іншої обмотки компенсаційного трансформатора 3 підключений блок фазообертачів 13, що дозволяє створювати в компенсаційному колі напругу, зворотну по фазі, але рівну по амплітуді ЕРС на електродах перетворювача витрати. Вторинна обмотка трансформатора 2 пов'язана із входом попереднього підсилювача 8, послідовно з яким з'єднані вузол фазування 9, підсилювач 10 із транзисторним ключем - подавлювачем квадратурної перешкоди й фазочутливий підсилювач 11, Останній управляє реверсивним двигуном 12, що переміщає плунжер диференційно-трансформаторної котушки 6. Її первинна обмотка, шунтована конденсатором 5, з'єднана із вторинною обмоткою трансформатора струму 4, первинна обмотка якого, включена послідовно з обмоткою збудження перетворювача витрати, живиться від мережі. Напруга, що знімається із вторинної обмотки диференційно-трансформаторної котушки 6, подається до блоку фазообертачів 13. Терморезистор 7 служить для компенсації зміни навколишньої температури. Постійна напруга живлення на попередній підсилювач 8 подається від блоку 14 через діод і конденсатор.

1.5 Ультразвукові (акустичні) витратоміри

Акустичними називаються витратоміри, засновані на вимірюванні залежності від витрати того або іншого ефекту, що виникає при проході акустичних коливань через потік рідини або газу.

Вони розділяються на витратоміри, засновані на переміщенні акустичних коливань середовищем, що рухається, і витратоміри, засновані на ефекті Допплера, що з'явилися пізніше. Основне поширення одержали прилади, засновані на вимірюванні різниці часу проходження акустичних коливань в напрямку потоку і проти нього. Значно рідше зустрічаються прилади, у яких акустичні коливання направляються перпендикулярно до потоку й вимірюють ступінь відхилення цих коливань від первинного напрямку. Прилади, засновані на ефекті Допплера, призначені в основному для вимірювання місцевої швидкості, але вони знаходять також застосування й для вимірювання витрат. Вимірювальні схеми в них більш прості.

Ультразвукові витратоміри служать для вимірювання об'ємних витрат, тому що ефекти, що виникають при проходженні акустичних коливань через потік рідини або газу, зв'язані зі швидкістю останнього. Але з додатковим перетворювачем, що реагує на густину вимірюваної речовини, можна вимірювати масові витрати. Наведена похибка ультразвукових витратомірів лежить у широких межах від 0,1 до 2,5%, але в середньому складає 0,5ч1%. Частіше ці витратоміри застосовуються для вимірювання витрат рідини, а не газу, внаслідок малого акустичного опору газу й труднощів одержання в ньому інтенсивних звукових коливань. Ультразвукові витратоміри застосовуються в трубах, діаметр яких від 10 мм.

Існуючі витратоміри дуже різноманітні як по будові первинних перетворювачів, так і по вимірювальним схемам. При вимірюванні витрат чистих рідин застосовують високі частоти (0,1-10 Мгц) акустичних коливань. При вимірюванні забруднених речовин частоти коливань знижують аж до декількох десятків кілогерц щоб уникнути розсіювання й поглинання акустичних коливань. Необхідною умовою є, щоб довжина хвилі була на порядок більше діаметра твердих часток або повітряних бульбашок. Низькі частоти застосовують також при вимірюванні витрати газів.

Для введення акустичних коливань у потік і для прийому їх на виході з потоку необхідні випромінювачі й приймачі коливань - головні елементи первинних перетворювачів ультразвукових витратомірів.

При стиску й розтяганні в певних напрямках деяких кристалів (п'єзоэлементів) на їхніх поверхнях утворяться електричні заряди, і навпаки, якщо до цих поверхонь прикласти різницю електричних потенціалів, то п'єззоэлемент розтягнеться або стиснеться залежно від того, на який з поверхонь буде більше напруга - зворотний п'єзоефект. На останньому заснована робота випромінювачів, що перетворюють змінну електричну напругу в акустичні (механічні) коливання тієї ж частоти. На

На прямому п'єзоефекті працюють приймачі, що перетворюють акустичні коливання в змінні електричні напруги. Випромінювачі характеризуються п'єзоелектричним модулем d = S/E (м/В), а приймачі - п'єзоконстантою по деформації h = E/S (В/м), де Е - напруга на п'єзоэлементі; S - розмір пружної деформації. Ефективність випромінювача росте з ростом d. Між h і d є залежність h = (Е_ю /ее₀) d, де Е_ю - модуль Юнга; е - діелектрична проникність; е₀ - електрична постійна (діелектрична проникність вільного простору). Отже, з ростом п'єззомодуля d зростає й п'єзоконстанта h.

В якості випромінювачів і приймачів акустичних коливань у витратомірах застосовують п'єззокерамічні матеріали, головним чином титанат барію ВаТіО₃ і цирконат титанату свинцю - твердий розчин цирконату Pb₂O₃ і титанату PbTi₃ свинцю, що мають великий п'єзомодуль d і високу (1100-1500) діелектричну проникність, у кілька сотень раз більшу, ніж у кварцу. Після спеціальної обробки поверхні випромінювачів і приймачів їх покривають шаром металу (у більшості випадків шляхом сріблення). До цього шару припаюють з'єднувальні провідники.

Для одержання інтенсивних акустичних коливань треба працювати на резонансній частоті f_р пьезоэлемента

f_р = (2у)^-1 (E_ю/с)^0,5 = с_п/2у, (1.15)

де у-товщина п'єзоелемента; у_п = (E_ю/с)^0,5 - швидкість ультразвуку в п'єзоэлементі. Отже, f_р зворотньо пропорційна товщині у. З огляду на те, що с_п = fл, де л - довжина акустичної хвилі, одержимо, що при f_р л/2 = у, тобто половина довжини хвилі л дорівнює товщині у п'єзоелемента.

При у = 1 мм f_р = 2,85 МГц для кварцу, 2,25 для титанату свинцю, 1,8 для цирконата титанату свинцю й 2,0 МГц для ниобата титанату свинцю. У чистих рідинах працюють на високих резонансних частотах f_р і тому застосовують тонкі п'єзокерамічні пластини. Для речовин, що містять механічної домішки або газові бульбашки, коли необхідна невелика частота f_р, застосовують п'єзокераміку великої товщини або із двох сторін тонкої п'єзокерамічної пластини наклеюють товсті металеві накладки. Випромінювачі й приймачі в більшості випадків виготовляють у вигляді круглих дисків діаметром 10-20 мм, іноді менш.

У більшості випадків площини випромінюючих й приймаючих п'єзоелементів розташовані під деяким кутом и до осі труби. Тоді акустичні коливання під кутом б = 90°- и до осі труби проходять у вимірюваній речовині шлях довжиною L. Позначимо через х_L швидкість потоку, усереднену по довжині L. Її проекція на напрямок L буде х·cos а. Якщо звуковий промінь спрямований в сторону руху потоку, то час ф₁ проходження їм відстані L визначиться з рівняння L₁ = L/(c + хcosб), де c - швидкість поширення акустичних коливань у нерухомій вимірюваній речовині. При зворотному напрямку звукового променя час ф₂ проходження їм тієї ж відстані L буде більше, як це випливає з рівняння

ф₂ = L/(c - х cosб). (1.16)

Надавши цим рівнянням вид ф₁ = (L/c) (1 + (х_L cosб)/с)^-1

і ф₂ = (L/c) (х_L cosб)/с)^-1 (1.17)

і віднімаючи одне з іншого, одержимо

(1.18)

З огляду на те, що х_L cos а/c < 10^-3, знайдемо

Дф = 2L cos бх_L//c². (1.19)

Якщо акустичні коливання спрямовані вздовж осі труби, то cos б = 1 і Дф = 2L х_c /c², де х_c - осьова швидкість потоку.

Таким чином, різниця часу Дф прямо пропорційна швидкості х_c або х.

Є кілька способів вимірювання дуже малого значення Дф: фазовий, при якому виміряється різниця фазових зсувів акустичних коливань, що направлені в напрямі потоку й проти нього (фазові витратоміри); часоімпульсний метод, заснований на безпосередньому вимірюванні різниці часу проходження коротких імпульсів по потоці й проти нього (часоімпульсні витратоміри); частотний метод, при якому виміряється різниця частот повторення коротких імпульсів або пакетів акустичних коливань, що направляються в напрямі потоку й проти нього (частотні витратоміри). Найбільше поширення одержав останній метод і його різновиди.

По числу акустичних каналів ультразвукові витратоміри підрозділяються на однопроменеві або одноканальні, двопроменеві або двоканальні й багатопроменеві або багатоканальні. У перших є тільки два п'єзоелементи, кожний з яких по черзі виконує функції випромінювання й прийому. Їхня істотна перевага - відсутність просторової асиметрії акустичних каналів, що залежать від розходження їхніх геометричних розмірів, а також розходження температур і концентрації потоку в них. Другі мають два випромінювачі й два приймачі, що утворять два незалежних акустичних канали, які розташовуються паралельно або перехрещуються один з одним. Багатоканальні застосовуються при необхідності вимірювання витрати деформованих потоків або ж для досягнення підвищеної точності, зокрема, у випадку застосування ультразвукового витратоміра в якості зразкового.

Фазові ультразвукові витратоміри

Фазовими називаються ультразвукові витратоміри, засновані на залежності фазових зсувів ультразвукових коливань Дц, що виникають на приймальних п'єзоелементах, від різниці часу Дф проходження цими коливаннями однієї й тієї ж відстані L в напрямі потоку рідини, що рухається, або газу й проти нього. Дійсно, за умови, що початкові фази обох коливань, що мають період Т и частоту f, зовсім однакові, одержимо

Дц = 2рДф/Т = 2рfДф. (1.20)

Підставляючи звідси значення Дф у рівняння, одержимо залежність між Дц і середньою швидкістю потоку х_L по довжині L для кутових перетворювачів

Дц = 2Lщcos бх_L/c², (1.21)

де щ = 2рf - кругова частота коливань.

Для перетворювачів з осьовим напрямком випромінювання б = 0 і Дц = 2L щ х_L/c².

При відсутності кишень, заповнених речовиною, що вимірюється L = D/sin б і х_L = х_D. Тоді одержимо

Дц = 2 D щ х_D/c².· c² tg б (1.22)