Вещества на основе метода переменного перепада

 

В настоящее время в отечественной технике и медицине, в большинстве случаев, применяются измерители и преобразователи расхода, основанные на методе переменного перепада. При этом в качестве приемника расхода (расходомерной трубки) используются

Рис. 3.2. Общий вид трубок Флейша

 

трубки Флейша (рис.3.2) или трубки Лилля, отличающиеся линейной зависимостью перепада давления от измеряемого расхода. Кроме того, применяются сужающие устройства, выполненные в виде сопел и трубок Вентури, реализованные на основе эффекта дросселирования, или трубки Пито, реализованные на основе эффекта торможения.

Отличительной особенностью этих устройств является нелинейность функции преобразования. Информативным параметром в измерительных устройствах, реализующих этот метод, является перепад давления на сужающем устройстве или динамический напор, поступающий от трубки Пито.

Вывод уравнения измерения для первичного преобразователя расхода и скорости на основе метода переменного перепада можно выполнить на основе следующей модели течения потока вещества на измерительном участке трубопровода как показано на рис. 3.3.

Для сечений I-I можно записать уравнение Бернулли

 

(3.4)

 

уравнение неразрывности струн

 

. (3.5)

 

Учитывая несжимаемость жидкостей и r₁=r₂=r

 

Þ . (3.6)

Умножим в (6) v ₂ на F ₂ и получим

. (3.7)

Практически для измерения Q _v отбор давления осуществляется у торцов сужающего устройства, и в расчет принимают не F ₂ (площадь поперечного сечения потока), а площадь сужающего устройства F ₀. Кроме того, формула (3.7) не учитывает неравномерность распределения скорости по сечению и потери на трение D р _x.

Если все это учесть, то формула (7) принимает вид

 

, (3.8)

где F ₀ – площадь отверстия СУ; D р – перепад давления у торцов СУ.

 

(3.9)

. (3.10)

Если учитывать сжимаемость жидкости (чаще газа), то

, (3.11)

[кг³/час] (3.12)

для пульсирующих потоков

, (3.13)

где F ₁ и F ₂ площади поперечного сечения сопла на расстоянии x и x +D x от входа соответственно.

, (3.14)

где [D р ] = кгc/м³, (a - коэффициент расхода).

Сужающее устройство (СУ) не может охватить все диапазоны и все виды рабочих веществ при измерении расхода. В частности их нельзя применять при измерении малых расходов жидкостей и газов. Ограничения на применение СУ определяются границами постоянства a.

a = f(m, остроты кромки, состояние внутренних поверхностей трубопровода).

, (3.15)

где d – диаметр диафрагмы; D – диаметр трубопровода.

Лучшие результаты дает сопло с профилем “четверть круга”: a = const при m =0, 05 –0, 49.

Для оперативного контроля и управления (регулирования) расхода жидкой или газовой среды, как правило, измеряется мгновенное значение расхода. Для его измерения наиболее часто используют метод переменного перепада (МПП), который часто реализуется при использовании вторичного преобразователя дифманометра, для измерения пневматического сигнала в пределах от 20 до 100 Па.

При обработке выходного сигнала дифманометра с СУ с целью получения абсолютного значения расхода, наряду с масштабированием требуется выполнение операций извлечения квадратного корня из величины пневматического информативного сигнала. Функция преобразования для СУ

D р=K_GG_m ², (3.16)

где К_G – коэффициент прямопорциональности: K_G =1/2r(ae F₀) ² (обозначено: a – коэффициент расхода сужающего устройства, e – коэффициент сжимаемости, F₀ – площадь отверстия сужающего устройства); G_m. – массовый расход.

Этот перепад давления измеряется в большинстве случаев посредством датчиков перепада давления (дифманометров) прямого или уравновешивающего преобразования.

Достоинства расходомеров на основе метода переменного перепада:

– отсутствие движущих частей;

– простота серийного изготовления;

– поверка методом расчета (безпроливочный метод);

– низкая стоимость.

Недостатками такого расходомера являются:

– требования к длине прямоугольных участков до и после сужающего устройства (СУ);

– сравнительно большая погрешность измерения;

– большие погрешности при измерении пульсирующих потоков.

Для получения линейной выходной характеристики расходомера перепад давления удобно измерять при помощи дифманометра с ферродинамическим обратным преобразователем, уравновешивающая сила которого пропорциональна квадрату силы тока в его обмотках [12]. Более точными являются расходомеры, в которых разность давления D р создаваемая сужающим устройством уравновешивается давлением, создаваемым компрессором (рис.3. 4).

Рис.3. 4. Структурная схема расходомера, основанного на методе переменного перепада: 1 – компрессор; 2 – двигатель; 3 – тахометр; 4 – счетчик.

Поскольку давление, развиваемое компрессором 1 пропорционально квадрату угловой скорости w вращения его ротора, то частота вращения двигателя 2, измеряемая тахометром 3, пропорциональна массовому расходу, а общее число оборотов ротора, определяемое счетчиком 4, указывает на количество вещества, прошедшего через трубопровод.

Метод переменного перепада давлений является одним из наиболее распространенных методов измерения расхода как жидких, так и газообразных веществ, находящихся при давлениях до 100 МПа и температурах до нескольких сотен градусов. Метод позволяет независимо тарировать сужающее устройство и датчик дифференциального перепада давления.

Рис.3.5. Конструктивная схема пневмотахографа ПТ-1(ПТ-2):

1– приемная трубка; 2 – сужающее устройство; 3-7, 10 – пневмоканалы и их

вспомогательные элементы; 9 – корпус пневмотахометра; 11 – мембрана;

12 – поводок; 13 – тяга; 14 – ось; 15 – сектор; 16 – трибка; 17 – стрелка указателя.

 

К ограничениям этого метода можно отнести сравнительно низкую точность (1-2%), обусловленную демпфирующим действием сужающего устройства, нелинейной зависимостью между расходом и перепадом , неравномерным распределением давления, износом сужающего устройства, изменением плотности при градуировке по объемному расходу G_V. Последняя причина особенно существенна при измерении расхода G_V газообразных веществ.

В настоящее время в отечественной технике и медицине, в большинстве случаев, применяются измерители и преобразователи расхода, основанные на методе переменного перепада. При этом в качестве приемника расхода (расходомерной трубки) применяется трубки Флейша (рис.3.2) или трубки Лилля, отличающиеся линейной зависимостью перепада давления от измеряемого расхода. Кроме того, применяются сужающие устройства, выполненные в виде сопел и трубок Вентури, реализованные на основе эффекта дросселирования, или трубки Пито, реализованные на основе эффекта торможения.

Отличительной особенностью этих устройств является нелинейность функции преобразования. Информативным параметром в измерительных устройствах, реализующих этот метод является перепад давления на сужающем устройстве или динамический напор, поступающий от трубки Пито.

Один из вариантов измерителей расхода, применяемых в медицинских (пневмотахографы) показан на рис.3.5. Устройство работает следующим образом. При прохождении воздушного потока, создаваемого системой дыхания человека, через сужающее устройство возникает перепад давлений, который через пневматические каналы 3 – 7, 10 передается на упругий чувствительный элемент 11. Линейное перемещение жесткого центра мембраны 11 преобразуется посредством измерительного механизма в угловое положение стрелки 17, относительно которой происходит считывание значений объемного расхода. Основным недостатком этого устройства являются ограниченные динамические характеристики и отсутствие выходного электрического сигнала. Поэтому, в настоящее время, более известно применение пневмотахометров, в которых информативный перепад давлений преобразуется в электрический сигнал с помощью тензорезистивных, емкостных, индуктивных, оптоэлектронных (в т.ч. и волоконно-оптических) преобразователей.

Широкое распространение в последние 12 – 15 лет получили гидродинамические частотные методы измерения объемного расхода, основанные на возникновении вихрей (газо- или гидродинамических колебаний) и потоке вещества.