3.3 Расходомеры переменного перепада давления и уровня (конструкции, принципы работы).

Принцип измерения расхода расходомером переменного перепада давления основан на том, что в зависимости от расхода вещества изменяется перепад давления на неподвижном сужающем устройстве, установленном в трубопроводе или элементе трубопровода (колено).

Расходомеры переменного перепада давления состоят из трех элементов: сужающего устройства, дифференциального манометра для измерения перепада давления и соединительных линий с запорной и предохранительной арматурой.

Применяются следующие стандартные сужающие устройства: диафрагмы, сопла, сопла Вентури и трубы Вентури.

Установленное в трубопроводе сужающее устройство (рис. 3.6) приводит к увеличению скорости в суженом сечении. В результате часть потенциальной энергии давления переходит в кинетическую, поэтому статическое давление в суженом сечении становится меньше статического давления перед сужающим устройством. Перепад давлений зависит от скорости движения жидкости, а следовательно, и от расхода. При преобразовании уравненя Бернули уравнение расхода примет вид где С – постоянная расходомер

4.1

Термопары и методы измерения термоэдс

Термопа́ра (термоэлектрический преобразователь) — устройство, применяемое для измерения температуры в промышленности, научных исследованиях, медицине, в системах автоматики. Принцип действия: Принцип действия основан на эффекте Зеебека или, иначе, термоэлектрическом эффекте. Между соединёнными проводниками имеется контактная разность потенциалов; если стыки связанных в кольцо проводников находятся при одинаковой температуре, сумма таких разностей потенциалов равна нулю. Когда же стыки находятся при разных температурах, разность потенциалов между ними зависит от разности температур. Коэффициент пропорциональности в этой зависимости называют коэффициентом термо-ЭДС. У разных металлов коэффициент термо-ЭДС разный и, соответственно, разность потенциалов, возникающая между концами разных проводников, будет различная. Помещая спай из металлов с отличными коэффициентами термо-ЭДС в среду с температурой Т1, мы получим напряжение между противоположными контактами, находящимися при другой температуре Т2, которое будет пропорционально разности температур Т1 и Т2.

Измерение термо-ЭДС термопары прямым путем, по силе тока в цепи постоянного сопротивления, с помощью милливольтметра, можно осуществить сравнительно просто. Однако этот метод обладает рядом недостатков, создающих дополнительные погрешности, что в большинстве случаев не позволяет получить высокой точности измерения.

В измерительной технике кроме прямых методов измерения известны компенсационные метода или методы противопоставления (сравнения) неизвестной величины величине известной. Компенсационные методы позволяют провести измерения более точно, хотя и не всегда так просто, как прямое измерение.

Основное преимущество компенсационного измерения термо-ЭДС, по сравнению с прямым, с помощью милливольтметра, состоит в том, что в момент измерения ток в цепи термопары равен 0. Это означает, что величина сопротивления внешней цепи не имеет значения: никакой подгонки сопротивления внешней цепи делать не надо и беспокоиться о влиянии температуры окружающей среды на внешнюю цепь нет необходимости.

4.2

Термомагнитный концентратомер для измерения концентрации кислорода (конструкция, измерительная схема, принцип работы).

Из всех газов только кислород обладает магнитными свойствами, т. е. способностью намагничиваться под действием внешнего магнитного поля. При нагревании кислорода эта способность существенно уменьшается. Эти две особенности кислорода использованы в термомагнитных газоанализаторах.

В таких газоанализаторах газовую смесь подают в камеру 1, которая расположена между полюсными наконечниками магнитной системы 2, создающими в камере неоднородное магнитное поле. В месте его максимального значения (под серединами полюсных наконечников) помещен терморезистор 3, разогреваемый током. Если в газовой смеси содержится кислород, его молекулы под действием магнитного поля движутся к середине полюсных наконечников. Там они нагреваются терморезистором и теряют свои магнитные свойства. Холодные молекулы кислорода, непрерывно поступающие в камеру 1 с газовой смесью, вытесняют нагретые молекулы из магнитного поля.

Таким образом, в камере 1 образуются два газовых потока: кислорода, обдувающего терморезистор, и остальных газов, не реагирующих на наличие магнитного поля. При увеличении концентрации кислорода увеличивается интенсивность обдува терморезистора. Это приведет к уменьшению его температуры и сопротивления, которое измеряется мостовой схемой.

Термомагнитные газоанализаторы применяют только для измерения содержания кислорода в бинарных и многокомпонентных смесях.

4.3

Приборы для измерения уровня (конструкции, принципы работы).

Для измерения уровня жидкости применяют поплавковые, буйковые, гидростатические, ультразвуковые и акустические приборы, для измерения уровня жидкости и твердых сыпучих материалов — емкостные и радиоизотопные.

Поплавковые уровнемеры

В поплавковых уровнемерах имеется плавающий на поверхности жидкости поплавок, в результате чего измеряемый уровень преобразуется в перемещение поплавка. В таких приборах используется легкий поплавок, изготовленный из коррозионно-стойкого материала. Показывающее устройство прибора соединено с поплавком тросом или с помощью рычагов. Поплавковыми уровнемерами можно измерять уровень жидкости в открытых емкостях.

Буйковые уровнемеры

В буйковых уровнемерах применяется неподвижный погруженный в жидкость буек. Принцип действия буйковых уровнемеров основан на том, что на погруженный буек действует со стороны жидкости выталкивающая сила. По закону Архимеда эта сила равна весу жидкости, вытесненной буйком. Количество вытесненной жидкости зависит от глубины погружения буйка, т. е. от уровня в емкости. Таким образом, в буйковых уровнемерах измеряемый уровень преобразуется в пропорциональную ему выталкивающую силу. Поэтому зависимость выталкивающей силы от измеряемого уровня линейная. В буйковых уровнемерах буек передает усилие на рычаг промежуточного преобразователя. Выходной сигнал первого уровнемера — унифицированный пневматический, второго — унифицированный электрический сигнал (постоянный ток).

Принцип действия буйковых уровнемеров позволяет в широких пределах изменять их диапазон измерения. Это достигается как заменой буйка, так и изменением передаточного отношения рычажного механизма промежуточного преобразователя.

Гидростатические уровнемеры

Гидростатический способ измерения уровня основан на том, что в жидкости существует гидростатическое давление, пропорциональное глубине, т. е. расстоянию от поверхности жидкости. Поэтому для измерения уровня гидростатическим способом могут быть использованы приборы для измерения давления или перепада давлений. В качестве таких приборов обычно применяют дифманометры.

При включении дифманометра перепад давлений на нем будет равен гидростатическому давлению жидкости, которое пропорционально измеряемому уровню.

При измерении уровня агрессивных жидкостей дифманометр защищается разделительными сосудами или мембранными разделителями, что позволяет заполнить его камеры и трубки неагрессивной жидкостью.

При измерении уровня суспензий и шламов, осадки которых могут забивать импульсные трубки дифманометров, их непрерывно продувают сжатым воздухом. Импульсные трубки все время заполнены продуваемым воздухом. При небольшом расходе воздуха его давление в минусовой камере оказывается равным давлению над жидкостью в емкости, а в плюсовой — давлению в жидкости. Поэтому перепад давлений в дифманометре будет равен гидростатическому давлению жидкости и, следовательно, пропорционален измеряемому уровню.

Емкостные уровнемеры

Работа таких уровнемеров основана на различии диэлектрической проницаемости жидкостей и воздуха. Простейший первичный преобразователь емкостного прибора представляет собой электрод (металлический стержень или провод), расположенный в вертикальной металлической трубке. Стержень вместе с трубой образуют конденсатор. Емкость такого конденсатора зависит от уровня жидкости, так как при его изменении от нуля до максимума диэлектрическая проницаемость будет изменяться от диэлектрической проницаемости воздуха до диэлектрической проницаемости жидкости.

Емкостные уровнемеры могут измерять уровень не только жидкостей, но и твердых сыпучих материалов: цемента, извести и т. п.

Большое распространение получили емкостные сигнализаторы уровня. Для повышения чувствительности их электроды устанавливают в горизонтальном положении.

Радиоизотопные уровнемеры

Такие уровнемеры применяют для измерения уровня жидкостей и сыпучих материалов в закрытых емкостях. Их действие основано на поглощении у-лучей при прохождении через слой вещества.

В радиоизотопном уровнемере источник и приемник излучения подвешены на стальных лентах , на которых они могут перемещаться в трубах по всей высоте бака . Ленты намотаны на барабан, приводимый в движение реверсивным электродвигателем.

Если измерительная система (источник и приемник у-лучей) расположена выше уровня измеряемой среды, поглощение излучения слабое и от приемника по кабелю на блок управления будет приходить сильный сигнал. По этому сигналу электродвигатель получит команду на спуск измерительной системы. При снижении ее ниже уровня среды поглощение Y-лучей резко увеличится, сигнал па выходе приемника уменьшится, и электродвигатель начнет поднимать измерительную систему.

Таким образом, положение измерительной системы будет отслеживать уровень в емкости (точнее, она будет находиться в непрерывном колебании около измеряемого уровня). Это положение в виде угла поворота ролика преобразуется измерительным устройством в унифицированный сигнал — напряжение постоянного тока U.

Ультразвуковые и акустические уровнемеры

Действие уровнемеров этого типа основано на измерении времени прохождения импульса ультразвука от излучателя до поверхности жидкости и обратно. При приеме отраженного импульса излучатель становится датчиком. Если излучатель расположен над жидкостью, уровнемер называется акустическим; если внутри жидкости — ультразвуковым. В первом случае измеряемое время будет тем больше, чем ниже уровень жидкости, во втором — наоборот.

5.1

Аналого-цифровые преобразователи (схемы, принципы работы).

Аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) - один из самых важных электронных компонентов в измерительном и тестовом оборудовании. АЦП преобразует напряжение (аналоговый сигнал) в код, над которым микропроцессор и программное обеспечение выполняют определенные действия. Даже если Вы работаете только с цифровыми сигналами, скорее всего Вы используете АЦП в составе осциллографа, чтобы узнать их аналоговые характеристики.

Параллельные АЦП

Большинство высокоскоростных осциллографов и некоторые высокочастотные измерительные приборы используют параллельные АЦП из-за их высокой скорости преобразования, которая может достигать 5Г (5*109) отсчетов/сек для стандартных устройств и 20Г отсчетов/сек для оригинальных разработок. Обычно параллельные АЦП имеют разрешение до 8 разрядов, но встречаются также 10-ти разрядные версии.

АЦП последовательного приближения

Когда необходимо разрешение 12, 14 или 16 разрядов и не требуется высокая скорость преобразования, а определяющими факторами являются невысокая цена и низкое энергопотребление, то обычно применяют АЦП последовательного приближения. Этот тип АЦП чаще всего используется в разнообразных измерительных приборах и в системах сбора данных. В настоящий момент АЦП последовательного приближения позволяют измерять напряжение с точностью до 16 разрядов с частотой дискретизации от 100К (1х103) до 1М (1х106) отсчетов/сек.

Сигма-дельта АЦП

Для проведения большинства измерений часто не требуется АЦП со скоростью преобразования, которую даёт АЦП последовательного приближения, зато необходима большая разрешающая способность. Сигма-дельта АЦП могут обеспечивать разрешающую способность до 24 разрядов, но при этом уступают в скорости преобразования. Так, в сигма-дельта АЦП при 16 разрядах можно получить частоту дискретизации до 100К отсчетов/сек, а при 24 разрядах эта частота падает до 1К отсчетов/сек и менее, в зависимости от устройства.

Обычно сигма-дельта АЦП применяются в разнообразных системах сбора данных и в измерительном оборудовании (измерение давления, температуры, веса и т.п.), когда не требуется высокая частота дискретизации и необходимо разрешение более 16 разрядов.

Интегрирующие АЦП

И последний тип АЦП, о котором пойдет здесь речь - АЦП двухтактного интегрирования. В цифровых мультиметрах, как правило, используются именно такие АЦП, т.к. в этих измерительных приборах необходимо сочетание высокого разрешения и высокого помехоподавления. Идея преобразования в таком интегрирующем АЦП гораздо менее сложна, чем в сигма-дельта АЦП.

5.2

Погрешности приборов

Действительное значение измеряемой величины может отличатся от полученного из опыта значения. Это может быть обусловленно несовершенством технологии изготовления прибора, конструктивными недостатками, неправильной градуировкой, влиянием различных внешних факторов.

Разность между показанием прибора X и истинным значением измеряемой величины называется абсолютной погрешностью измерительного прибора:

Относительная погрешность измерения определяется обычно в процентах к истинному значению , но так как отклонение x от сравнительно малы, то

Оценить качество прибора по значению абсолютной и относительной погрешностей измерений невозможно, так как x во время измерения может принимать любые значения от 0 до , где - нормирующее значение прибора, т.е. верхний предел его диапазона измерений или арифметическая сумма двух верхних значений диапазона (если нулевая отметка находится внутри диапазона измерений).

Поэтому было введено понятие приведенной погрешности.

Значение предела приведенной погрешности, выраженной в процентах:

определяет класс точности прибора.

5.3.

Расходомеры с крыльчаткой (конструкция, принцип измерения и работы).

Принцип действия расходомеров заключается в измерении пропорциональной расходу вещества скорости вращения крыльчатки, помещенной в поток и вращающейся под давлением

потока. Крыльчатка может быть аксиальной или тангенциальной. В том и другом случае она тщательно балансируется и устанавливается и подшипниках, обладающих малым трением.

Измерение скорости вращения крыльчатки может производиться самыми различными способами (рисунок): частотным, электромагнитным, фотоэлектрическим, стробоскопическим и радиоактивным, в каждом из этих случаев зависимость между величиной полученного сигнала и расходом вещества определяется с помощью градуировки. Следует отметить, что угловая скорость этих приборов прямо пропорциональна расходу, поэтому при применении для измерения скорости вращения устройств с равномерной шкалой шкала этих устройств будет равномерна и по отношению к расходу.

6.1

Манометры пружинные, мембранные, сильфонные, кольцевые, колокольные (конструкции, принципы работы)

Пружинные манометры просты по конструкции, надежны и пригодны для измерения давления в широких пределах.

Пружинные манометры изготовляют в виде показывающих приборов, а также с устройствами для дистанционной передачи показаний, регистрации и сигнализации.

В качестве чувствительного элемента в пружинных манометрах используют трубчатые одновитковые и многовитковые пружины, гармониковые (сильфонные), коробчатые и плоские мембраны. На рисунке показаны некоторые схемы измерительных механизмов пружинных манометров.

Мембранные манометры ( манометрические датчики) имеют в качестве чувствительного элемента гофрированную мембрану. Прогиб ее - функция давления и зависит также от диаметра, толщины, упругих свойств материала, числа и формы гофров. Таким образом зависимость между давлением р и перемещением ( выгибом) мембраны Я достаточно сложна. Разновидностью мембранных манометров являются сильфонные манометры. Приборы для измерения разности ( перепада) давлений и разрежений по конструкциям подобны манометрам.

Мембранные манометры выпускаются в основном показывающими, сильфонные и манометры с трубчатыми пружинами - как показывающими, так и самопишущими.

Сильфонные манометры

Сильфонные манометры предназначены для измерения разрежения и небольших избыточных давлений до 40 кПа.

Сильфонный манометр — это деформационный манометр, в котором чувствительным элементом является сильфон, представляющий собой гофрированную тонкостенную металлическую трубку, изготовленную из высокопрочного сплава.

Принцип действия сильфонного манометра основан на уравнивании избыточного давления силами упругой деформации сильфона. Избыточное давление подводят внутрь сильфона, при этом длина сильфона увеличивается, вследствие чего стрелка прибора через систему рычагов движется по шкале.

Сильфонные манометры выпускаются как показывающие, так и самопишущие (МСС) с часовым механизмом или электроприводом.

Класс точности — 1 %, 1,5 %.

Кольцевой манометр, называемый кольцевыми весами, представляет собой металлическую трубку, согнутую в кольцо и установленную на призме. Нижняя половина кольца заполнена жидкостью, в верхней имеется перегородка. При разности давления Ризб и Ратм жидкость будет перетекать в сторону меньшего давления. Перетекание жидкости приведет к изменению центра тяжести и повороту кольца, а вместе с ним и стрелки прибора, которая по шкале покажет изменение давления. Чтобы получить шкалу прибора равномерной, предусмотрено специальное лекальное устройство.

Приборами «кольцевые весы» измеряют давление, разрежение и перепад давления, в последнем случае их называют дифференциальными манометрами (дифманометрами). Давление подводят к кольцу посредством гибких резиновых и пластмассовых трубок 8, а при измерении высоких давлений применяют металлические трубки, выполненные в виде спирали.

6.2

Приборы для измерения электрического сопротивления (конструкции, принципы работы).

Измерение электрического сопротивления

Электрическое сопротивление в цепях постоянного тока может быть определено косвенным методом при помощи вольтметра и амперметра. В этом случае:

R = U / I

Приборы для измерения электрического сопротивления

Можно использовать омметр — прибор непосредственного отсчета. Существуют две схемы омметра:

Схемы включения омметра

Рис. 1: а — последовательная; б — параллельная

Логометр

Измерение сопротивлений можно также осуществлять логометрами. На рисунке 2 приведена принципиальная схема логометра.

Схема логометра

Для этой схемы имеем:

Отклонение подвижной части логометра:

Таким образом, показание прибора не зависит от напряжения источника питания и определяется величиной измеряемого сопротивления Rx.

6.3

Расходомеры индукционные и ультразвуковые (конструкции, принципы измерения и работы).

Индукционными расходомерами называются расходомеры, принцип действия которых основан на измерении пропорциональной расходу электродвижущей силы, индуктированной в потоке электропроводной жидкости под действием внешнего магнитного поля.

Существенным и основным недостатком индукционных расходомеров с постоянным магнитом, ограничивающим их применение для измерения расхода квазистацианарных потоков, является поляризация измерительных электродов, сопровождающаяся изменением сопротивления датчика, что искажает показания прибора.

Действие ультразвуковых расходомеров основано на том, что фактическая скорость распространения ультразвука в движущей среде равна геометрической сумме средней скорости движения среды и собственной скорости звука в этой среде.

На рисунке при ведена принципиальная схема такого расходомера.

На патрубке, по которому протекает измеряемое вещество, расположены пьезоэлементы 2, 3 и 4 Генератор 1 ультразвуковых колебаний возбуждает пьезоэлемент 2, который является излучателем. Пьезоэлементы 3 и 4 являются приемниками ультразвуковых колебаний, прошедших через жидкость.

При измерении быстро меняющихся расходов применяются электронные коммутаторы, так как требуется большое число переключений в единицу времени.