Витратомір палива

М_н = М_н + М_ж + М_пр. (2.8)

Якщо момент навантаження зрівняти з моментом, що розвивається крильчаткою М_д, то порушиться пропорційність. Для зменшення цих похибок варто вибирати параметри датчика так, щоб

М_д ? М_н. (2.9)

Температурні інструментальні похибки тахометричного вимірювача в миттєвому витратомірі компенсуються термомагнітним шунтом.

Інструментальні похибки схеми підсумовуючого витратоміра практично відсутні, оскільки число імпульсів пропорційно витраті.

Розрахунок швидкісних витратомірів.

Вихідними даними для розрахунку швидкісних витратомірів служать діапазон вимірювання по миттєвих і сумарних витратах, необхідна точність і припустимий перепад тисків. Розглянемо розрахунок чутливого елемента (крильчатки) витратоміра.

Завданням розрахунку крильчатки є визначення залежності швидкості обертання й похибок вимірювання від миттєвої витрати палива, оцінка правильності вибору параметрів крильчатки з погляду забезпечення необхідної точності й допустимого перепаду тисків.

Розрахунок можна робити за наступною схемою.

1. Вибір параметрів крильчатки.

Визначаємо прохідний перетин

(2.10)

де Q - максимальне значення миттєвих витрат в Г/сек;

г - питома вага палива в Г/см;

V - швидкість протікання палива в см/сек.

Знаходимо габаритні параметри крильчатки:

см^2, (2.11)

де R - зовнішній радіус у см;

r - внутрішній радіус (вибраний з конструктивних міркувань) у см;

h - довжина лопасты в см.

Вибираємо гідравлічний крок крильчатки. В існуючих авіаційних витратомірах гідравлічний крок приймається рівним

К_к = 5 ч 20 см

Визначаємо кут нахилу лопастей крильчатки

. (2.12)

Знаходимо довжину крильчатки

, (2.13)

де z - число лопастей

2. Розрахунок моменту навантаження.

Працездатність витратоміра визначаємо нерівністю

М_Д > М_Н (2.14)

де М_Д - рушійний момент; М_Н - момент навантаження.

Момент тертя М_тр обчислюємо по відомих формулах, величина його залежить від виду опори крильчатки.

Момент М_пр, так само як і момент тертя М_ТР, залежить від типу перетворювача.

Для наближеного розрахунку моменту М_ж можна скористатися співвідношенням

Г·см, (2.15)

де - напруга тертя в Г/см².

Розрахунок навантажувального моменту закінчується визначенням залежності сумарного моменту від витрати, тобто

M_n = M_H(Q). (2.16)

3. Визначення похибки від навантаження е_н при вимірюванні витрат без обліку витоку:

(2.17)

де - швидкість обертання ідеальної крильчатки в об/хв;

- швидкість обертання крильчатки з врахуванням навантажувального моменту;

- швидкість закручення потоку.

Швидкість обертання ідеальної крильчатки.

об/хв.

де S - прохідний переріз в см;

Q - миттєві витрати в см³/сек;

К_К - гідравлічний крок в см.

Швидкість закручення потоку

об/хв..

Критерієм оцінки правильності зробленого вибору параметрів крильчатки служить забезпечення необхідної точності у всьому діапазоні виміру миттєвих витрат.

2.3 Електромагнітні витратоміри

Електромагнітний витратомір дозволяє вимірювати витрати агресивних, отрутних, займистих і інших небезпечних рідин, питомий електричний опір яких не перевищує 100 000 ом/см³.

Принцип дії електромагнітного витратоміра заснований на прямому використанні закону електромагнітної індукції. При цьому роль провідника, що рухається в магнітному полі, виконує сама рідина, яка повинна бути провідної. Магнітне поле, вісь якого повинна бути перпендикулярна напрямку руху рідини (осі трубопроводу); може бути створене за допомогою електромагніта (рис. 2.18).

Рис. 2.18. До пояснення принципа дії електромагнітного витратоміру

ЕРС, що наводиться в приладі:

E=10^-8BlV

B - магнітна індукція;

l - довжина провідника (ljрівн.' діаметру трубопроводу);

V - швидкість плину рідини (швидкість провідника). Якщо магнітна індукція В постійна, то ЕРС пропорційна швидкості потоку, а отже, об'ємним витратам рідини. Проінтегрувавши величину Е, одержимо сумарну витрату рідини.

Електромагнітні витратоміри мають слідуючі переваги:

1. В трубопровід не вводятся ніякі пристрої, що визивають втрату напору.

2. Вихідні сигнали пропорціональні швидкості потоку.

3. В датчику відсутні рухливі частини, що дозволяє вимірювати швидкозмінні витрати.

4. Показання приладу не залежать від в'язкості й густини рідин.

Рис. 2.19. Принципова схема електромагнітного витратоміру

На рис. 2.19. показана принципова схема приладу. Датчиком приладу є відрізок трубопроводу (патрубок) 1 з обмотками електромагніту 2 і електродами 3, вмонтованими в корпус патрубка. Патрубок виготовляється з немагнітного неструмопровідного матеріалу (наприклад, з немагнітної сталі з відповідною ізоляцією). Електромагніт живиться змінним струмом, тому що постійний струм спричинює електроліз.

Електричний сигнал, що знімається з електродів, подається на катодний повторювач 4, що служить для узгодження імпедансів датчика й підсилювача У. Підсилений сигнал подається на міліамперметр А, який дає покаазання миттєвих витрат. Для одержання сумарних витрат застосований інтегратор у вигляді лічильника ват-годин 5. Електромагнітні витратоміри знаходять застосування на літальних апаратах з рідинно-реактивними двигунами.

3. Розробка структурної схеми витратоміра

Вибір та розрахунок елементів структурної схеми витратоміра

В результаті проведення аналізу методів вимірювання втрат вибираємо частотний ультразвуковий витратомір.

Цей безконтактний метод не має похибок від дії сил тертя крильчатки в осях опори, тому має більш високу точність.

3.1 Розробка структурної схеми витратоміра

Пропонується застосовувати двоканальний витратомір, схема якого зображена на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Частотно-пакетний двоканальний витратомір

а - схема витратоміра; б-коливання на тракті П1-Пр1, в-коливання на тракті П2-Пр2,

г-робота модулятора М1; д - робота модулятора М2

Витратомір працює наступним чином. Генератор Г створює коливання високої частоти, які проходять модулятори М1 і М2 та надходять на п'єзоелементи П1 і П2. П'єзоелементи випромінюють пакети ультразвукових коливань, які направляються в потік палива під кутом б. Паливо рухається зі швидкістю х.

П'єзоелементи П1 і П2 розташовані по різні сторони паливо проводу на відстані L. Ультразвукові коливання від п'єзоелемента П1 розповсюджуються в потоці палива за потоком, а ультразвукові коливання від п'єзоелемента П2 розповсюджуються проти потоку. Тому час проходу акустичних коливань між п'єзоелементом П1, який випромінює коливання та п'єзоелементом Пр1, який приймає коливання дорівнює:

де с - швидкість розповсюдження ультразвуку в паливі;

L - відстань між п'єзоелементами;

х - швидкість палива;

б - кут між напрямком розповсюдження ультразвукових коливань та вектором швидкості потоку палива.

Час проходу акустичних коливань в напрямку проти потоку палива між п'єзоелементами П2 та Пр2 дорівнює

Сигнал від п'єзоелементів, які приймають ультразвукові коливання Пр1 і Пр2 поступають на підсилювачі Пс1 та Пс2 відповідно. Після підсилення сигнали надходять на детектори Д1 та Д2 і потрапляють на другі входи модуляторів М1 і М2. Модулятори М1 і М2 працюють в тригерному режимі, тому при надходженні сигналів від п'єзоелементів Пр1 та Пр2 вони перекривають доступ напруги від генератора до п'єзоелементів П1 і П2. Часові діаграми сигналів витратоміра зображені на рис 3.1б.

Модулятори М1 і М2 відкриваються знову після того, як останні акустичні коливання пройдуть трубопровід, перетворяться в електричні сигнали та поступлять на входи модуляторів М1 і М2.

Таким чином між п'єзоелементами П1 і Пр1 будуть проходити пакети акустичних коливань, які мають період проходження 2Т₁ (рис. 3.1 а.), а між п'єзоелементами П2 і Пр2 будуть проходити акустичні коливання, які мають період проходження 2Т₂ (рис. 3.1 б.).

Частота перемикання модулятора М1 буде дорівнювати (рис. 3.1 г.):

Частота перемикання модулятора М2 буде дорівнювати (рис. 3.1 д.):

Вихідні сигнали модуляторів М1 і М2 поступають на прилад вимірювання різниці частот (змішувальний пристрій).

Покази частотних витратомірів не залежать від значення с і тому тут не потрібно корекції на швидкість ультразвуку. Але якщо частотний витратомір вимірює масову витрату, то необхідний п'єзоелемент, що працює на резонансній частоті. З його допомогою утворюється сигнал А_с, пропорційний сс, з якого треба виключити множник с. Для цього в схему вводять блок додавання частот F₁ + F₂ повторення імпульсів або пакетів акустичних коливань по потоку F₁ і проти нього F₂, маючи на увазі, що сума F₁ + F₂ пропорційна с. Ділячи сигнал Ар на сигнал А_с і множачи його потім на основний сигнал А різниці частот F₁ - F₂, пропорційний х, одержимо на виході схеми сигнал АА_с/А_с, пропорційний х_с, тобто масовим витратам. На виході цього блоку утворюється сигнал, пропорційний щільності палива Потім цей сигнал подається в блок обробки та індикації, на другий вхід якого подається сигнал, пропорційний швидкості потоку палива.

Таким чином в цьому блоці розраховується масова миттєва та сумарна витрата палива. Інформація про витрату також подається в обчислювальну систему управління тягою двигуна.

Схема такого частотно-пакетного витратоміра показана на рис. 3.2.

Час проходження сигналу через електричну схему також малий в порівнянні з часом проходження акустичних коливань через трубопровід.

Тому покази витратоміра не залежать від зміни швидкості ультразвуку в паливі с та матеріалах мембрани с_м і звукопроводі с_з.

Рис. 3.2. Схема частотно-пакетного масового витратоміра

(П1 - П3, Пр1, Пр2 - п'єезоелементи; Пс1, Пс 2 - підсилювачі; Д1, Д2 - детектори;

Ml, M2 - модулятори; Г - генератор, В-змішуючий пристрій, БД-блок додавання частот, ПП - перетворюючий пристрій, БОІ-блок обробки та індикації)

На рис. 3.3 представлена конструкція вузла п'єзоелемента перетворювача. Всередині трубки 3, закріплної НП сітці 2, проходять провідники 4, із яких один з'єднаний з центром дискового п'єзоелемента 7, а другий за допомогою контактів 6 із фольги - з його краями. Все це залите епоксидним компаундом 5 і захищене фторопластовою оболонкою.

Рис. 3.3. Схема вузла п'єзоелемента перетворювача

1 - фторопластова оболонка, 2 - сітка, 3 - трубка, 4 - провідники, 5 - епоксидний компаунд, 6 - контакти, 7 - дисковий п'єзоелемент

На рис. 3.4. показана схема двохканального перетворювача ультразвукових коливань. Довжину вільних кутових кишень l, товщину п'єзоелементів l_п та товщину звукопроводів в порівнянні з відстанню між п'єзоелементами L можна не враховувати.

Рис. 3.4. Схема перетворювача ультразвукових коливань

3.2 Розрахунок акустичного каналу витратоміра

витратоміри акустичний обтікання

Якщо врахувати час проходження акустичних коливань через мембрани п'єзоелементів товщиною l_м і звукопроводи товщиною l₃, а також час t₃ проходження сигналу через електричну схему, то

T₁ = L/(c + хcosб) + 2l_м /с_м + 2l₃ /c₃ + t₃

Т₂ = L/(c - хcosб) + 2l_м /с_м + 2l₃ /c₃ + t₃

де с_м і c₃ - швидкості звуку в матеріалах мембрани й звукопроводу відповідно. Очевидно,

f₁ - f₂ = х_L cosб (L +2l_м /с_м + 2l₃ /c₃ + t₃ c)^-2

де L = D/sinб +2l; l - довжина вільних кутових кишень.

Якщо l = 0; l _м = 0, l ₃ = 0 і t₃ = 0, то одержимо

f₁ - f₂ = х_D sinб/2D.

Вихідні дані:

щільність палива змінюється в діапазоні від 0,7 до 0,9 г/см³;

діапазон вимірювання миттєвої витрати палива від 600 до 7000 кг/год;

діаметр паливо проводу 8 мм;

кут утворений напрямами швидкостей ультразвукових коливань і палива відповідно.

Виконаємо розрахунки швидкості:

;

;

;

;

.

Швидкість знаходимо з виразу:

; .

Звідки:

;

;

3.3 Вибір та обґрунтування схеми генератора

Для живлення п'єзоелементів у витратомірі необхідно застосовувати генератори. Пропонується використовувати генератор зі стабілізацією струму через резонатор. Каскад з резонатором і датчиком струму працює в лінійному режимі. Потужність, що розсіюється в резонаторі, регулюється.

Для зменшення довгострокової нестабільності необхідно обмежити потужність, що розсіюється, Pq у кварцовому резонаторі на можливо більш низькому рівні. Навпроти, P_q необхідно істотно збільшити, якщо потрібно зменшити короткочасну нестабільність частоти. Останнє викликано тим, що компоненти короткочасної нестабільності, зв'язані з власними шумами елементів кварцового генератора, у тому числі і кварцовому резонаторі, залежать від P_q:

,

де А - розмірний коефіцієнт, Q_qэ - добротність кварцового резонатора з урахуванням утрат, обумовлених іншими елементами схеми.

Стабілізація рівня порушення кварцового резонатора здійснюється системами автоматичного регулювання амплітуди, що є невід'ємною частиною прецизійних кварцових генераторів.

Принцип виконання найбільш відомих систем автоматичного регулювання амплітуди полягає в тому, що автоколивання підсилюють, детектують і отриману постійну напругу використовують для зміни середньої крутості активного елемента кварцового генератора. У результаті підтримується задана напруга на ділянці ланцюга з кварцовим резонатором. Якщо за допомогою автоматичного регулювання амплітуди стабілізують напруга на ланцюзі кварцового резонатора з послідовно включеним коректором частоти (наприклад, варикапом), то при підстроюванні частоти через зміну еквівалентного опору кварцового резонатора можуть спостерігатися істотні зміни струму через резонатор I_q, а отже, і потужності P_q. Труднощі визначення P_q зв'язані з тим, що потужність P_qр, що розсіюється в реальному кварцовому резонаторі, відрізняється від потужності P_q, обумовленої втратами тільки в пластині резонатора:

,

де R_q і R_qР - опору утрат власне кристала кварцу й електродів з кварцеутримувачем. Зміна частоти в кварцовому генераторі визначає тільки перший доданок, тобто P_q. Тому при різній потужності P_qp, але однаковому струмі I_q можуть спостерігатися однакові флуктуації частоти. При великих рівнях порушення кварцового резонатора необхідність стабілізації струму I_q зростає. Це зв'язано з нелінійними властивостями кварцового резонатора, у першу чергу, з його так називаною токовою характеристикою, що описує залежність f_q - частоти послідовного резонансу кварцового резонатора - від струму:

,

де f_q0 - частота при I_q0; - коефіцієнт, обумовлений типом кварцового резонатора. З ростом I_q виправлення до f_q0 збільшується і при тих же відносних варіаціях I_q нестабільність частоти зростає. Стабілізація I_q (чи P_q) за допомогою згаданих систем автоматичного регулювання амплітуди скрутна через залежність опору R_q від струму через кварцовий резонатор:

,

де I_q0 - струм I_q, при якому R_q досягає мінімального значення R_q0, - коефіцієнт пропорційності. Для кварцових резонаторів зрізу з товщинозсувними коливаннями, що працюють на першій і третьої механічних гармоніках, , А^-2, а струм I_q дорівнює одиницям - десяткам мікроампер.

Таким чином, струм I_q є більш об'єктивним показником, чим потужність розсіювання в кварцовому резонаторі при оцінці його параметрів у робочому режимі. Заданий рівень I_q однозначно визначає потужність P_q, а стабілізація струму обумовлює незмінність P_q навіть в умовах підстроювання частоти коректором.

На рис. 3.6. представлена схема генератора для живлення п'єзоелементів.

Генератор - двокаскадний. Перший каскад містить транзистори Т₁ і Т₂, включені за каскадною схемою. Його навантаженням є LC-контур, налаштований на задану механічну гармоніку кварцового резонатора й виключаючий можливість перескоку частоти на побічний резонанс кварцу. За допомогою ємнісного дільника контур зв'язаний із другим каскадом, який зібраний на транзисторі Т₃ за схемою з загальним емітером. Навантаження Т₃ утворене резистором R₁, паралельно якому підключений опір каналу польового транзистора Т₄, електрично кероване по затворі. Опір R₃ досить малий, щоб забезпечити резистивний характер навантаження. Виділений на ній сигнал надходить на вхід першого каскаду (на базу Т₁), замикаючи ланцюг позитивного зворотнього зв'язку генератора.

Поряд з позитивним в схемі присутній і негативний зворотній зв'язок, утворений резистором R₁, паралельно якому підключений ланцюг із кварцового резонатора, елементів корекції частоти і датчика струму - резистора R₂. Під час відсутності ланцюга позитивного зворотного зв'язку негативний зворотній зв'язок переважає й автоколивання в схемі не виникають. При її наявності на частоті, близькій до частоти послідовного резонансу кварцового резонатору, глибина негативного зворотного зв'язку зменшується і забезпечується виконання умови самозбудження К₁К₂ > 1, де К₁ і К₂ - коефіцієнти передачі першого і другого каскадів генератора.

Система автоматичного регулювання амплітуди працює в такий спосіб. Сигнал з датчика струму U = Iq₂ надходить на вхід трьокаскадного аперіодичного підсилювача Т₅ Т₇. Вихідний сигнал підсилювача, коефіцієнт передачі якого К регулюється за допомогою потенціометра R₄, надходить на вхід детектора (транзистор Т₈). Постійна напруга з детектора через підсилювач постійного струму Т₉ подається на затвор Т₄. З ростом I_q збільшується напруга на вході детектора. Як тільки вона почне перевищувати напругу затримки Е₃, відбувається зменшення опору каналу Т₄ і виконання умови балансу амплітуд К₁К₂ = 1. Приблизно амплітуда струму через кварцовий резонатор дорівнює Е₃/КR₂. Зміною К в генераторі здійснюється плавне регулювання струму, у межах якого перший каскад кварцового генератора, що містить кварцовий резонатор, працює в стаціонарному режимі, близькому до лінійного (без відсічення струмів транзисторів). У генераторі можна забезпечити мікропотужності розсіювання в кварцовому резонаторі. Вище відзначалося, що для зменшення короткочасної нестабільності частоти струм I_q збільшують. Однак у цьому випадку зростає частотне виправлення, обумовлене струмовою характеристикою кварцового резонатора. Починаючи з деякого рівня, варіації цього виправлення через флуктуацію в системі автоматичного регулювання амплітуди істотно збільшують нестабільність.

4. Метрологічне забезпечення дипломного проекту

Склад і зміст робіт по метрологічному забезпеченню визначається на основі нормативно-технічних документів.

Основними роботами по метрологічному забезпеченню на стадії «Завдання на проектування» є розробка програми метрологічному забезпеченню і вимог до нього; експертиза завдання.

Програма метрологічного забезпечення конкретизує склад і зміст робіт на всіх стадіях проектування.

Основними розділами програми метрологічного забезпечення є наступні: формування вимог до метрологічного забезпечення; розробка документації проекту; експертиза документів проекту; атестація методик виконання вимірювань; повірка вимірювальних приладів; відомчий контроль і аналіз стану метрологічного забезпечення в умовах експлуатації.

Програма метрологічного забезпечення розробляється проектувальником і є невід'ємною частиною завдання.

Вимоги до метрологічного забезпечення оформляються у вигляді розділу документа «Завдання на проектування» і містять перелік вимірювальних параметрів з зазначенням номінальних і гранично-допустимих значень параметрів, вимог до складу, точності, швидкодії і періодичності виконання вимірювальних функцій; вимог до засобів вимірювань, вимог до метрологічних характеристик для нормальних і робочих умов експлуатації витратомірів, до різного роду сумісності, до стійкості від впливу навколишнього середовища та інше.

Метрологічну експертизу завдання проводить головна чи базова (по спеціалізації) організація метрологічної служби.

В склад проекту входить розділ «Метрологічне забезпечення», що включає вимоги до надійності вимірювальної техніки, оцінки похибок вимірювань.

4.1 Вимоги до характеристик витратовимірювальної техніки

Потреба у високій точності обліку витрат перед витратовимірювального технікою (ВВТ) чимало вимог, задовольнити які одночасно досить складно і не завжди можливо.

Потреба у високій точності обліку витрат перед витратовимірювального технікою (ВВТ) чимало вимог, задовольнити які одночасно досить складно і не завжди можливо. Зупинемось на основних із них, якими є:

висока точність;

значний (як можна більший) діапазон вимірювань, а також вимога «достатності» нижньої межі вимірювань;

незалежність результатів вимірювання від впливових факторів (мінімізація додаткових похибок);

збереження роботоздатності і заданих характеристик після залишкових впливів зовнішніх збурень (природний вплив зовнішніх факторів);

- висока надійність (в т.ч. метрологічна) і технічний ресурс;

мінімізація впливів (реакція ВВТ на газовий потік);

мінімізація габаритно-масових характеристик, енергоспоживання;

безпечність експлуатації.

Однією із основних вимог до ВВТ є висока точність вимірювання об'єму та витрати. Залежно від нормування меж допустимих значень основної похибки ВВТ можна умовно поділити на 3 групи:

прецизійні - з межами похибок менше ±0,5%;

точні - з межами похибок від ±0,5 до ±1,0%;

нижчої точності - з межами похибок більше ±1,0%.

Підвищення точності досягається як за рахунок застосування нових методів вимірювань і приладів (ультразвукових, вихрових, термоанемометричних), так і за рахунок вдосконалення існуючих (роторних, мембранних, турбінних).

Вимоги до діапазону вимірювань ВВТ переважно зводяться до забезпечення відповідної кратності діапазону вимірювань об'ємної витрати, під якою розуміють відношення мінімальної вимірювальної витрати (нижня межа діапазону вимірювання) до максимальної (верхня межа діапазону вимірювання).

Важливою (особливо для побутової ВВТ) є вимог «достатності» нижньої межі вимірювання, при якій за допомп. гою ВВТ ведеться достовірний облік газу з нормованою похиб. кою при мінімальній витраті споживача. Як правило, це міні. мальне значення повинно в 3-5 разів перевищувати поріг чутливості ВВТ.

Важливою вимогою до ВВТ є незалежність результатів вимірювань від впливових факторів і збереження роботоздат-ності і заданих характеристик після дії цих факторів. Як правило, ці характеристики (функції впливу та залишковий вплив зовнішних збурень) відображають реакцію ВВТ на зміну умов експлуатації. Функції впливів використовуються як інструмент введення поправок в результати вимірювань при експлуатації ВВТ, а залишкові впливи зовнішніх збурень відображають зміну характеристик ВВТ після дії на нього впливових величин.

Класифікація умов використання ВВТ за впливовими факторами передбачає їх групування за такми ознаками:

технологічними;

механічними;

кліматичними;

конструктивними.

До технологічних впливових величин належать збурення, зумовлені технологічними причинами, які мають зв'язок з структурою і властивостями газового потоку: розподіл швидкостей по перерізу потоку, пульсації витрати і тиску в гідравлічні удари, фізичні та фізико-хімічні властивості газу-параметри стану потоку.

Розподіл швидкості по перерізу потоку залежить, як правило, від конструкції трубопроводу, наявності місцевих гідроопорів.

Пульсація витрати та тиску, як правило, зумовлені роботою компресорів та насосів і інших технологічних агрегатів, включених в гідравлічну схему трубопроводів.

Гідравлічні удари виникають в момент запуску та зупинки потоку, і їх інтенсивність зумовлена режимом роботи відсікаючи клапанів клапанів.

Фізичні і фізико-хімічні властивості газу залежать від якості його підготовки (фільтрація, сушіння) і змінюються від температури і меншою мірою від тиску.

Параметри стану потоку залежать від дії технологічних агрегатів: температури нагрівання (при стискуванні на компресорі) а тиск може змінюватись залежно від місцевих опорів, а також віддії оточуючого середовища.

При експлуатації ВВТ мають місце також механічні впливи.

До механічних впливів належать механічні вібрації, акустичний шум, механічні удари і лінійні прискорення. Як правило дія впливових величин цієї групи оцінюється як залишкові реакції. Оцінити функції впливу цих величин, тобто провести градуювання ВВТ при їх дії, поки що не вдавалось.

До кліматичних впливових величин відносять температуру навколишнього середовища, атмосферний тиск, вологість, теплові сонячні потоки, атмосферні опади. Як правило, ці фактори впливають на блоки, що мають електронні радіоелементи, і оцінюються як залишкові впливи.

Конструктивні впливові величини - це орієнтація ВВТ в просторі, режим живлення, напруга джерела живлення, опір і ємність кабельних ліній. Для цих величин оцінюються функції впливу.

Для зменшення і обліку додаткових похибок від функцій впливу використовують:

наближення умов градуювання до умов експлуатації ВВТ;

впровадження конструктивних заходів захисту ВВТ від дії впливових факторів;

введення поправок в результати вимірювання при експлуатації ВВТ, отриманих в результаті додаткових синхронних вимірювань впливових величин.

Основним показником надійності ВВТ є час, протягом якого вона зберігає роботоздатність і регламентовану точність.

Вимоги до надійності ВВТ, як правило, задаються ймовірністю безвідмовності роботи (0,9-0,99), або інтервалом часу, впродовж якого гарантується безвідмовна робота.

Вимоги до технічного ресурсу Т задають в одиницях часу і можуть бути в широких межах (від 2000 до 20000 год.).

Вимоги до метрологічної надійності, як правило, характеризуються встановленням (заданням) міжповірочного інтервалу як величини, пропорційної терміну роботи ВВТ і інтенсивності режиму її експлуатації.

Вимоги до впливу ВВТ на потік (реакція ВВТ на потік) формуються у вигляді допустимих максимальних втрат тиску Р_max. Ця характеристика служить для оцінки дійсного гідравлічного опору газопроводу і використовується для розрахунку і підбору напірних пристроїв (насосів, компресорів, трубопроводів).

Габаритно-масові характеристики та характеристики енергоспоживання можуть змінюватись в дуже широкому діапазоні (з різницею на декілька порядків) і не можуть бути узагальнені, оскільки вони є залежними від пропускної спроможності газопроводу, параметрів потоку газу (особливо надлишкового тиску) тощо. При цьому повинна простежуватись загальна тенденція мінімізації цих характеристик без погіршення вимог до інших.

Безпечність експлуатації ВВТ зумовлена необхідністю охорони життя та здоровя людей, майна, навколишнього середовища тощо.

Таким чином, призначення і умови використання ВВТ дають змогу встановити номенклатуру їх характеристик, достатню для вирішення питання вимірювання. З метою уніфікації вимог до характеристик стає очевидною доцільність проведення їх класифікації.

Вся ВВТ має сукупність характеристик, які відображають її властивості. Експериментальна оцінка цих характеристик проводиться під час випробувань. Отже, під сертифікаційною моделлю ВВТ будемо розуміти сукупність характеристик, які відображають його властивості і експериментально оцінюються під час випробувань.

Всі характеристики ВВТ можна умовно поділити за своїм призначенням на такі групи:

метрологічні;

експлуатаційні;

конструктивні;

ресурсні (або характеристика надійності);

характеристика безпеки.

До метрологічних характеристик ВВТ відносяться:

межі основної відносної похибки;

варіація;

поріг чутливості;

ціна поділки;

збіжність показів;

максимальна різниця похибок у певному діапазоні витрат (від витрати Q₁, яка називається перехідною до Q_max);

зміни основної похибки або додаткові похибки ВВТ, спричинені зміною температури вимірюваного середовища, штучно створеними перешкодами, скручувальним та згинальними моментами тощо.

Велика група характеристик ВВТ безпосередньо не впливає на її метрологічні властивості, але суттєво відбивається на експлуатації. До неї належать конструктивні та експлуатаційні характеристики.

До конструктивних характеристик відносяться:

габаритні розміри;

номінальні діаметри;

діаметри приєднувальних елементів (штуцерів);

робоче положення;

допустимі значення скручувальних та згинальних моментів;

стійкість до дії різних факторів, в тому числі і у пакуванні (механічних, кліматичних, електричних тощо).

До експлуатаційних характеристик відносяться:

діапазон об'ємних витрат, в якому нормуються відносні похибки вимірювання об'єму;

втрати тиску на ВВТ залежно від витрати;

діапазон робочих температур навколишнього та вимірюваного середовища;

максимальний робочий тиск тощо.

До ресурсних характеристик відносяться:

показники безвідмовності;

міжповірочний інтервал;

середній термін служби;

гарантійний термін експлуатації та зберігання. До характеристик безпеки відносяться:

стійкість та міцність до дії надлишкових тисків;

опір і міцність ізоляції;

допустимий рівень шуму;

пожежостійкість;

вибухонебезпечність.

4.2 Похибки витратомірів, заснованих на акустичних коливаннях

Перерахуємо основні джерела похибок: неправильне врахування впливу профілю швидкості; зміна швидкості ультразвуку у вимірюваній речовині; паразитні акустичні сигнали; асиметрія електронно-акустичних каналів. Крім цих джерел, є ще похибки, внесені електронною схемою. Вони залежать від характеру схеми і повинні оцінюватися індивідуально.

Неправильне врахування профілю швидкостей

Ця похибка виникає від нерівності середньої швидкості потоку вимірюваної речовини середньої швидкості по шляху переміщення акустичних коливань. Цю нерівність враховують поправочним коефіцієнтом k, визначити точне значення якого важко. Крім того, у межах шкали приладу число Re змінюється, а при десятикратному його збільшенні в турбулентній області коефіцієнт k зростає на 1,4%. У перехідній же області від ламінарного до турбулентного режиму зміна k ще більш значно. Тому, якщо при градуюванні приладу прийняте постійне значення k, що відповідає середньому або іншому значенню витрат, то при інших витратах виникає додаткова похибка виміру. При деформованих потоках реальне значення k особливо важко визначити. У цьому випадку варто застосовувати перетворювачі витрати, у яких акустичні коливання направляються по чотирьох хордах або ж встановлювати сопло або конфузор, що випрямляють епюру швидкостей.

Зміна швидкості ультразвуку.

Швидкість ультразвуку с у рідинах і газах залежить від щільності останніх, котра змінюється зі зміною температури, тиску й сокладу або змісту (концентрації) окремих компонентів. Для рідин швидкість с практично залежить лише від температури й змісту. Для води й водяних розчинів при невисоких температурах температурний коефіцієнт b зміни c лежить у межах (l, 0 ч2,5) 10^-3°C^-1. При 74° він досягає максимуму, а потім стає негативним. Для більшості органічних рідин b= - (2ч5) 10^-3°C^-1. Коефіцієнт зміни з від состава водяних розчинів звичайно позитивний і дорівнює (0, 8-М, 5) 10^-3 г/л.

Зміна швидкості має істотне значення для фазових і часоімпульсних витратомірів, у рівняння виміру яких входить множник с². У них похибка виміру витрат від зміни с може легко досягти 2-4% і більше, тому що при зміні швидкості на 1% похибка зростає на 2%. У витратомірів з випромінюванням, перпендикулярним до осі труби, похибка у два рази менша, тому що у формулу виміру входить множник с, а не с². У частотних витратомірів зміна значення с дуже мало позначається на результатах виміру.

Усунути вплив зміни швидкості с на показах фазових і часоімпульсних витратомірів, а також витратомірів з випромінюванням, перпендикулярним до осі труби, можна, застосовуючи або відповідні схеми корекції або ж переходи на вимір масових витрат.

У першому випадку вводиться додатковий акустичний канал, перпендикулярний до осі труби. При вимірі масових витрат вводиться додатковий п'єзоелемент, що служить для виміру акустичного опору середовища, пропорційного сс.

У перетворювачах з переломленням можлива часткова компенсація впливу с шляхом підбора матеріалу звукопроводу й кута б його розташування відповідно до формули sinб = (с₃/с) (b + b ₃)^0,5/2 b^0,5, де с₃ - швидкість звуку в матеріалі звукопроводу; b₃ і b - температурні коефіцієнти швидкостей с₃ і с. Компенсація відбувається тому, що температурний вплив зміни показника переломлення с/с₃ на різницю часу Дф у фазових й часоімпульсних витратомірах протинаправлено безпосередньому впливу на Дф зміни швидкості с. Але при значних змінах температури цей спосіб малоефективний через нестабільність температурних коефіцієнтів b и b₃. Трохи більші можливості даний спосіб має при установці п'єзоелементів зовні труби й застосуванні рідинних звукопроводів.

Паразитні акустичні сигнали.

Паразитні акустичні сигнали можуть мати різне походження. При розташуванні п'єзоперетворювачів зовні труби частина акустичної енергії відбивається від поверхні розділу труба-рідина й поширюється у вигляді акустичних коливань у стінці труби. При цьому утворюються як поздовжні, так і поперечні хвилі. Останні можуть досягти приймального п'єзоелементу раніше акустичних коливань, що проходять через рідину. Для виключення цього пропонується розміщувати п'єзоелементи з різних сторін фланцевого з'єднання, обладнаного неметалевою прокладкою. Зміна форми стінки труби шляхом створення утовщень, виточок або відбивачів також може перешкоджати проходженню паразитних сигналів.

Інше джерело паразитних сигналів - виникнення ревербаційної хвилі в результаті відбиттів ультразвуку від границь рідини зі звукопроводами або п'єзоелементами. Основне значення має перший паразитний сигнал, що приходить на приймальний п'єзоелемент після дворазового відбиття спершу від приймального, а потім від випромінюючого елемента. Амплітуда Ар і фаза ц_р ревербераційної хвилі відрізняються від амплітуди А и фази ц основної хвилі. Приймальний п'єзоелемент сприймає результуючі коливання, що мають амплітуду А_п і фазу ц_п. У результаті виникає зсув фази Дц ц_р = ц_п -ц особливо неприємний для фазових витратомірів. Щоб цей зсув був незначний (не більше 0,5% від вимірюваної різниці фаз), варто мати Ар < 0,01А. У частотних витратомірах ревербераційний імпульс може спотворити фронт основного імпульсу й передчасно включити частотну схему. Для виключення цього запропоновано зсувати робочі імпульси стосовно відбитого за допомогою електронної лінії затримки. Крім того, для боротьби з бічними відбиттями в трубах малого діаметра допомагає футеровка внутрішньої поверхні труби звуковбирним матеріалом (наприклад, фторопластом). Щоб уникнути сильного зниження амплітуди прийомного сигналу й для частотних витратомірів рекомендується мати Ар ? 0,01 А

Асиметрія електронно-акустичних каналів

У двопроменевих витратомірах неминуча деяка асиметрія акустичних каналів, що може викликати істотну похибку виміру різниці часу переміщення в напрямку потоку й проти нього. Похибка Дф складається з похибки Дф _г, викликаної розходженням геометричних розмірів каналів, і похибки Дф_с, обумовленої розходженням у них густини вимірюваної речовини. Похибка Дф_с= ДL/c + 2Дl_м /с_м + 2Дl_з /с_з, де L, l_м, l_з - довжина акустичного шляху у вимірюваній речовині, мембранах п'єзоэлементів і звукопроводах відповідно; с, с_м і с₃ - відповідні швидкості ультразвуку. Похибка Дф_с = LДc/c² + 2l_мДс_м/с_м² + 2l_зДс_з/с_з², де Дс - зміна швидкості ультразвуку через різницю густин вимірюваної речовини в акустичних каналах; Дс_м і Дс₃ - зміна швидкості ультразвуку в мембранах і звукопроводах відповідно через різницю температур мембран і звукопроводів. З урахуванням рівняння одержимо вираз для відносних похибок д_тг і д_тс, в%:

8_тг = 50с² (ДL/с + 2Дl_мс/с_м + 2Дl_зс/с_з)/Lх cos б;

б_тс = 50с² (L Дс/с² + 2l_м сД с_м / с_м² + 2l_з сД с_з / с_з²)/L Lх cos б;.

Навіть при досить малих значеннях ДL/L і Дс/с похибки д_тг і д_тс можуть бути більшими внаслідок дуже великого значення відносини c/х. Так, при ДL/L і Дс/с, рівних усього 0,01%, похибки д_тг і д_тс можуть досягти 4-5%.

Похибка д_тг від геометричної асиметрії може бути компенсована при нульовій витраті. Але при відхиленні швидкостей с, с_м і с₃ від тих значень, при яких ця компенсація вироблялася, похибка д_тг знову виникне, хоча й у значно меншій мірі. Для зменшення похибки д_тс обоє акустичних канали розташовують можливо ближче один до одного. Щодо цього схеми з каналами, розташованими паралельно, краще схем з пересічними акустичними каналами. Найбільша похибка д_тс може виникнути в схемі із трьома п'єзоелементами. При малих діаметрах труби й низькочастотному, а отже, погано спрямованому випромінюванні, коли важко застосувати перетворювач кутового типу, доводиться застосовувати особливі міри для підтримки рівності температур в обох каналах. Так, при вимірі невеликої витрати кам'яновугільної смоли, що містить тверді частки й вологу, частота акустичних коливань дорівнювала 0,1 МГц, Для вирівнювання температури в каналах, віддалених один від одного, вони просвердлені в масивному металевому блоці, покритому теплоізоляцією.

Незважаючи на всі перераховані заходи, усунути повністю похибку від асиметрії при двоканальних витратомірах не можна. Це причина переважного застосування сьогодні одноканальних схем, особливо при необхідності точного виміру витрат.

Усе, що було сказано про похибки б_1Г и б_тс, стосується не тільки часоімпульсних, але також і фазових і частотних витратомірів, причому в останніх внаслідок уже згадуваних паразитних ревербераційних сигналів може виникнути похибка від асиметрії фронтів основних імпульсів.

Сумарна похибка виміру витрати

Для переважної більшості ультразвукових витратомірів, у яких акустичні коливання направляються в діаметральній площині, об'ємні витрати Q_o визначаються рівнянням

Q_o = рD²kх_D /4,

де k = х_c/х - відношення середньої швидкості х_с по перетині до середньої швидкості по діаметру х_D. Підставляючи сюди значення v з раніше отриманих рівнянь і вважаючи L = D/sin б (перетворювачі без кишень), знайдемо:

для фазових витратомірів

Q_o = рДk tg бс²Дц/8щ;

для частотних витратомірів (з обліком лише часу проходження ультразвуку у вимірюваній речовині)

Q_o = = рD³kДf /2sin2б,

для часоімпульсних витратомірів

Q_o = nDk tg ac²Дt/8.

Обмежуючись останнім рівнянням, одержимо виходячи з нього, вираз для середньої квадратичної похибки виміру витрат

у_Q = (у_D² +4у_б² /sin² б + у_k² + 4 у_c² + у_Дt² + у_п² + у_а²)^0,5.

У це рівняння крім середньоквадратичних похибок (діаметра труби у_D, кута виміру у_б, коефіцієнта у_k, швидкості ультразвуку у_c і вимірюваний інтервал часу у_Дt введені ще додатково середньоквадратичні похибки від паразитних сигналів у_п й від асиметрії каналів у_а.

Якщо витратомір градуюється за допомогою зразкової установки, то у_D і у_б залежать лише від можливої зміни D і а при зміні температури t і тиску р вимірюваної речовини. При при не дуже великих змінах t і р зазначені значення у_D ? 0.01% і у_б ? 0,005%. У випадку безрідинного градуювання приладу при ретельному вимірі D і б значення у_D = 0, 054-0,1% і у_б = 0,02ч0,1%.

Якщо при градуюванні приймається постійне значення коефіцієнта k, що відповідає середнім витратам, то при десятикратному діапазоні зміни витрат у_k = д_k = 0,7/2 = 0,35%.

Похибка від нестабільності ультразвуку у_c залежить від зміни температури, складу й тиску вимірюваної речовини й може бути оцінена в середньому значенням 0,5-1,0%. Похибка у_Дt виміру інтервалу часу залежить від вимірювальної схеми витратоміра. В середньому

у_Дt = 0, 14-0,15%.

Похибка у_п залежить від передачі акустичного імпульсу по стінці труби й від реверберації ультразвуку. Перше джерело може бути усунутий шляхом конструктивних заходів, а вплив другого може бути знижене згідно до у_п = 0,01%.

Похибка у_а від асиметрії відсутня в одноканальних перетворювачах.

З наведеного аналізу видно, що основними складовими похибки будуть у_k і у_c, особливо остання. У частотних витратомірах у_c практично відсутня, що й пояснює більше високу точність цих витратомірів. Точність фазових і часоімпульсних витратомірів можна істотно підвищити шляхом введення в схему вузла виміру швидкості ультразвуку у вимірюваній речовині. Їхня гранична похибка звичайно дорівнює 0,5-1%.

Висновки

Так як ПК негативно впливає на навколишнє середовище, необхідно враховувати дані особливості при плануванні і проведення робіт з його використанням. Обов'язковим є виконання санітарних норм щодо розміщення ПК та користувача, розміщення сусідніх ПК та вимоги щодо перерв у роботі з ПК. Порівнянно з використанням в процесі навчання стндів, тільки на використанні електоенерій заощаджуємо близько 109 грн. І це не враховуючи, що на виготовлення навчального стенду потрібно набагато більше матеріалів та ресусів. Отже, використання ПК для навчання, завдає набагато менше шкідливого впливу на навколишнє середовище.

Література

1. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества веществ СПб. Политехника, 2002.

2. Расчет и конструирование расходомеров (под редакцие П.П. Кремлевского) Л. Машиностроение, 1978.

3. Бобровников Г.Н., Новожилов Б.М., Сарафонов В.Г. Бесконтактны расходомеры М. Машиностроение 1985.

4. Корсунский Л.М. Электромагнитные гидрометрические прибор М. Стандартгиз. 1985.

5. Биргер Г.И. Ультразвуковые расходомеры М. Металлургия 1984.

6. Гуревич В.М. Труман С.Г. Современные ультразвуковых расходомеры. М ЦНИИТЭИприбооростроения, 1984.

7. Киясбелли А.Ш., Измайлов А.М., Гуревич В.М. Частотно-временные ультразвуковые расходомеры и счетчики, М. Машиностроение 1984.

8. Филатов В.И. Ультразвуковой расходомер (Расчет и конструирование ультразвуковых расходомеров Л. Машиностроение, 1978.

9. Шафрановская З.М., Журавлев Л.И., Крысанова Е.С. Ультразвуковые частотно-импульсные расходомеры М. 1972.

10. Боднер В.А., Фридлендер Г.О., Чистяков Н.И. Авиационные приборы, Оборонгиз 1982

11. Браславский Д.А., Логунов С.С., Пельпор Д.С. Авиационные приборы, М. Машиностроение 1987

12. Чистяков Н.И. Электрические авиационные приборы, Оборонгиз 1968

13. Охрана труда и техника безопасности в авиации М. Транспорт,

1983

14. Правила техники безопасности при эксплуатации авиационных приборов. М. Приборостроение 1986

Размещено на Allbest.ru