13. методы Измерения параметров жидкостей и газов icon

13. методы Измерения параметров жидкостей и газов



Назва13. методы Измерения параметров жидкостей и газов
Дата конвертації30.12.2012
Розмір135.37 Kb.
ТипДокументи
джерело
1. /KONSPEKT/Копия Часть15.doc
2. /KONSPEKT/Полный конспект 2005.doc
3. /KONSPEKT/ЧАСТЬ12.DOC
4. /KONSPEKT/ЧАСТЬ1_2.DOC
5. /KONSPEKT/ЧАСТЬ3.DOC
6. /KONSPEKT/ЧАСТЬ4.DOC
7. /KONSPEKT/ЧАСТЬ5_6.DOC
8. /KONSPEKT/ЧАСТЬ7.DOC
9. /KONSPEKT/Часть13_14.DOC
10. /KONSPEKT/Часть8_11.DOC
Коммутаторы аналоговых сигналов
1. Введение Основные термины и определения
12. инструментальные усилители
1. Введение Основные термины и определения
3. Преобразователи напряжения в ток (пнт)
4. активные фильтры
5 Идеальный однополупериодный выпрямитель
7. Интегральный четырехквадрантный перемножитель напряжения
13. методы Измерения параметров жидкостей и газов
8. Цифро-аналоговые преобразователи Классификация цап

13.методы Измерения параметров жидкостей и газов



Широкое распространение систем регулирования параметров жидкостей и газов в настоящее время обусловлено использованием жидкостей и газов в качестве носителей энергии и для других технологических целей. К механическим свойствам жидкостей и газов, которые необходимо контролировать при разработке различного класса систем автоматического регулирования следует отнести:

  1. расход;

  2. давление;

  3. температура;

  4. уровень заполнения (для жидкостей);

  5. влажность (удельное содержание воды).

13.1.Измерение расхода


Расход — это количество реагента (жидкости или газа), проходящее через мерное сечение в единицу времени. Расходомеры — это преобразователи, которые используются для измерения потока. Они реагируют на скорость и расход жидкого или газообразного вещества за заданный период времени.

Массовый расход представляет собой массу вещества, протекающую в единицу времени, и измеряется в кгс –1.

Объемный расход, м 3с –1, равен объему вещества, протекающего в единицу времени.

Расход оценивают в массовых единицах или в объемных единицах при известной плотности реагента. При фиксированном сечении трубопровода измерение расхода может быть сведено к измерению скорости потока реагента.

Основными методами измерения расхода являются:

  1. применение механических расходомеров;

  2. применение расходомеров на основе избыточного давления;

  3. применение термоанемометрических принципов;

  4. применение ультразвуковых методов измерения;

  5. вихревые расходомеры.

Механические расходомеры


Простейшими и наиболее распространенными являются методы определения расхода с использованием чувствительных механических элементов, в которых поток перемещает или вращает чувствительный орган.





Рис. 12.1

На рис.1.1 показаны основные механические методы измерения расхода.

а) Применение подвижной заслонки — конструктивно наиболее простой способ создания датчика расхода. Измеряемой величиной является угол отклонения заслонки. Зависимость угла отклонения от величины расхода нелинейна, что является существенным недостатком расходомеров такого типа.

б) Расходомеры на основе подвижного штуцера преобразуют величину расхода в перемещение штуцера. Выбор определенного профиля чувствительного элемента позволяет линеаризовать характеристику зависимости его перемещения от величины расхода. Динамический диапазон чувствительного элемента может составлять 60 – 80 дБ. Преобразование механического перемещения в электрический сигнал осуществляется емкостным или электромагнитным датчиками. Недостаток — сильная зависимость показаний чувствительного элемента от свойств измеряемого реагента (вязкость, плотность). На точность влияет изменение жесткости, зависящей от температуры.

в) Расходомеры на основе крыльчатки преобразуют расход в угловую скорость вращения. Такие расходомеры являются наиболее точными, однако создают значительное сопротивление протекающему потоку реагента.

Расходомеры на основе избыточного давления


Если жидкость или газ нагнетаются через некоторое препятствие в трубопроводе, то изменение их скорости вызывает перепад давления, пропорциональный расходу. Для измерения разности давлений используются дифференциальные манометры. Они могут преобразовывать информацию о избыточном давлении как в показания шкалы, так и в электрический сигнал.



Рис. 12.2

Расходомеры на основе избыточного давления строятся по двум основным принципам:

  1. Трубки Пито (рис.1.2, а). Трубка датчика вводится через стенку основного трубопровода и направляется своим отверстием навстречу потоку жидкости или газа. Разность давлений Р1 и Р2 (Р1 < Р2) определяет расход.

  2. Закон Бернулли (рис.1.2, б). Если S2 < S1, то P1 > P2. Точность измерения расхода при применении этого метода зависит от точности дифференциальных манометров. Недостаток: нелинейная зависимость дифференциального давления от скорости протекающего потока.

Термоанемометрические расходомеры


Термоанемометрические расходомеры работают на принципе пропорциональности тепла, переносимого веществом от одной точки к другой, массовому расходу этого вещества.

На рис.1.3,а показано, как два измерительных преобразователя температуры определяют температуру вещества до и после нагревания (t0 < t1), которое осуществляется нагревательным элементом, расположенным между ними.



Рис. 12.3

На рис.1.3,б расход вещества измеряется с помощью одиночного нагревательного элемента, расположенного в его потоке. Чем больше скорость протекания реагента, тем больше охлаждается нагревательный элемент.

Ультразвуковые расходомеры


Ультразвуковые расходомеры используют эффект Доплера, возникающий при распространении ультразвуковых колебаний в подвижной среде.



Рис. 12.4

Эффект Доплера заключается в том, что частота принимаемого сигнала f2 увеличивается по сравнению с f1, если среда – переносчик сигнала – перемещается по направлению от передатчика к приемнику (рис.1.4,а).

Для повышения точности ультразвуковые расходомеры строятся по дифференциальной схеме (рис.1.4,б). Такой расходомер позволяет определить не только скорость, но и направление движения потока реагента.

Вихревые расходомеры


Вихревые расходомеры (рис.1.5) используют в своей работе свойства распространения вихревых возмущений в среде движущегося реагента. Отличие от ультразвуковых расходомеров заключается в том, что изменения давления в среде реагента создаются специальным механическим устройством — вихревой форсункой, которая представляет собой возбужденную механическую систему, использующую при своей работе энергию протекающего реагента. Частота генерируемых колебаний зависит от скорости потока и улавливается приемником.



Рис. 12.5

13.2.Измерение давления


Измерители давления широко используются в различных системах автоматизированного контроля параметров технологических процессов, связанных с применением жидких или газообразных реагентов.

Основными чувствительными элементами, которые используются при измерении давления, являются:

  1. мембраны;

  2. анероидные коробки;

  3. сильфоны;

  4. трубки Бурдона.

Все эти устройства преобразуют разность давлений между двумя невзаимосвязанными полостями в механическое или угловое перемещение. Давление в одной из полостей считается опорным. В качестве опорного давления может выбираться вакуум, атмосферное давление или некоторая опорная величина давления технологического процесса.

При этом в независимости от вида чувствительного элемента измерители давления подразделяются:

  1. Измерители абсолютного давления (давление вещества относительно вакуума);

  2. Измерители дифференциального или разностного давления (давление вещества относительно некоторого ненулевого опорного давления);

  3. Измерители избыточного давления (давление вещества относительно атмосферного давления).

Типовые устройства для измерения давления показаны на рис.1.6 и 1.7.



Рис. 12.6

На рис.1.6,а изображена диафрагма, которая смонтирована так, что измеряемое давление действует только на одну ее сторону. Если две диафрагмы устанавливаются задними сторонам друг к другу (рис.1.6,б) и измеряемое давление подводится к их середине, то образуется анероидная коробка. На рис.1.6,в показан сильфон.

На рис.1.7,а показана одиночная трубка Бурдона, на рис.1.7,б — двойная трубка Бурдона. Трубки Бурдона перемещаются при приложении к ним давления.



Рис. 12.7

13.3.Измерение влажности


Чувствительные элементы, у которых в зависимости от влажности изменяются некоторые свойства, используются в измерительных преобразователях влажности.

Относительной влажностью считается отношение текущей концентрации водяного пара и концентрации насыщенного пара при данной температуре. Абсолютной влажностью считается массовое содержание воды в воздухе. Измерители влажности по принципу действия подразделяются на:

  1. абсорбционные;

  2. емкостные;

  3. электрохимические.



Абсорбционные датчики


В абсорбционных датчиках чувствительный элемент использует свойства определенных химических соединений абсорбции (поглощения) влаги, содержащейся в окружающем воздухе. К таким веществам относятся хлористый литий (LiCl), серная кислота (H2SO4), силикогель.

При построении абсорбционных датчиков используются два основных принципа:

  1. Преобразование влажности в сопротивление приповерхностного слоя абсорбционного материала. На основе этого принципа строятся датчики прямого преобразования (рис.1.8,а). Они очень недолговечны, т.к. абсорбент испаряется.

  2. Обычно абсорбционные датчики строятся на основе использования обратной точки росы (рис.1.8,б).

Емкостные датчики


Емкостные датчики являются более точным средством измерения влажности. Они строятся на основе измерения изменения емкости воздушного конденсатора. Изменение емкости происходит вследствие изменения концентрации влаги в воздухе. Изменение влажности воздуха от 0% до 100% изменяет диэлектрическую проницаемость среды примерно на 1%. Емкостные датчики определяют массовое содержание влаги в среде. Для получения сигнала об относительной влажности выходной сигнал должен быть пронормирован температурой окружающей среды в соответствии с психрометрической таблицей.



Рис. 12.8

Электрохимические датчики


Электрохимические датчики (рис.1.9) строятся на основе материалов, имеющих значительную толщину оксидной защитной пленки (например, алюминий и титан). При этом поверхность материала покрывается тонким слоем золота (достаточно тонким, чтобы иметь поры), благодаря чему между золотой пленкой и основой материала возникает конденсатор, роль диэлектрика в котором выполняет оксидная пленка. Структура окиси алюминия такова. Что этот слой является пористым и впитывает пары воды, проникающие через отверстия золотого покрытия. Вследствие этого изменяется диэлектрическая постоянная и, следовательно, емкость конденсатора. Благодаря малой толщине оксида емкость конденсатора получается значительной (десятки-сотни пФ). Такой датчик имеет нелинейную характеристику и может использоваться в релейных системах.



Рис. 12.9

13.4.Измерение уровня


Наиболее распространенные способы определения уровня:

  1. поплавковый;

  2. измерение проводимости;

  3. емкостной;

  4. ультразвуковой.

Поплавковые преобразователи


Поплавковые преобразователи (рис.1.10,а) применяются в основном для непрерывного определения уровня, когда положение поплавка вызывает изменение какого-либо параметра преобразующего элемента. Их выходной сигнал отображает текущее значение уровня.

Определение уровня путем измерения проводимости


Если электроды поместить в жидкость, уровень которой измеряется, то изменение проводимости будет отражать ее уровень. Этот метод может быть реализован лишь при измерении уровня электропроводящей жидкости.

Емкостной метод определения уровня жидкости


Электроды погружены в жидкость (рис.1.10,б), уровень которой измеряется. Жидкость используется как диэлектрик между двумя электродами, которые образуют конденсатор. Изменение уровня жидкости означает, что изменяется диэлектрическая постоянная и, следовательно, емкость преобразователя. Этот метод может быть реализован при измерении уровня лишь не проводящих электрический ток жидкостей.



Рис. 12.10

Ультразвуковой метод определения уровня жидкости


Ультразвуковой метод определения уровня жидкости применяется для измерения как дискретных, так и непрерывных значений уровня.

Принцип действия датчиков для определения дискретных уровней жидкостей заключается в том, что ультразвук в жидких средах распространяется иначе, чем в газе. Излучатель (И) и детектор (Д) монтируются в емкости так, что между ними образуется прямой путь волны в газе (рис.1.11,а). Когда уровень жидкости поднимается и она перекрывает преобразователь, ультразвуковые волны существенно поглощаются при прохождении к ранее определенной точке переключения.

Принцип действия датчиков для определения непрерывных уровней жидкостей основан на отражении ультразвуковых волн от поверхности жидкости (рис.1.11,б). Импульсы излучения попадают на поверхность жидкости, отражаются от нее и попадают в детектор. Промежуток времени между излучением и приемом импульса характеризует расстояние от поверхности жидкости до преобразователя.



Рис. 12.11

13.5.Измерение температуры


Для измерения температуры наиболее часто используются резистивные или полупроводниковые датчики, термопары. Для измерения высоких температур используются пирометры.

Полупроводниковые датчики, для линейности характеристики которых в них используется p-n-переход в режиме прямого смещения, позволяют получить термометры для измерения температур в диапазоне от –50 до +150С.

Чтобы ослабить влияние технологического разброса величины начального значения напряжения на p-n-переходе и для увеличения коэффициента передачи чувствительного элемента, несколько p-n-переходов в чувствительном элементе могут включаться последовательно.

В качестве резистивных датчиков температуры в промышленности широко применяются платиновые или медные сопротивления. Наиболее широко распространенными стандартами являются стандарты, представленные в табл.1.1.

Таблица 12.1

Стандарт

R| t = 0C, Ом

R/C, Ом

50М

50

0,2

100М

100

0,4

50Р

50

0,2

100Р

100

0,4

Для преобразования информации от резистивных датчиков обычно используются схемы измерительных преобразователей, которые имеют компенсацию начального значения сопротивления датчика. К таким схемам относятся мостовые или дифференциальные схемы включения. В схеме (рис.1.12, а) в качестве дифференциального усилителя (DA1) используют схему ОУ с высокоимпедансным входом.

   

Рис. 12.12


Баланс моста соблюдается при Rд = Rо, т.е.

, (12.1)

где RL — сопротивление линии связи. Для получения полностью сбалансированного моста обычно R1 = R2 = R3 = Ro.

Влияние сопротивления линии связи RL на выходное напряжение моста будет существенно ослаблено благодаря автоматическому перераспределению тока I между плечами моста (I1, I2). Входное напряжение усилителя DA1 при этом будет пропорционально изменению сопротивления датчика.

Медные датчики позволяют измерять температуру в пределах от -100 до +200С, платиновые — от -200 до +500С. Для измерения температуры в более широком диапазоне используются датчики на основе термопар. Учитывая, что термо-ЭДС пропорциональна разности температур горячего и холодного спаев датчика, при построении приборов необходимо компенсировать температуру холодного спая, для чего могут использоваться медные или полупроводниковые измерители температуры холодного спая. Такие типы датчиков (рис.1.12,б) позволяют измерять температуры до 1000С.

14.Интеллектуальные датчики


Термин "интеллектуальные" относится к измерительным преобразователям с подключенной системой датчиков, которые способны выполнять одну из перечисленных ниже функций.

Функции интеллектуальных датчиков:

  1. расширение динамического диапазона преобразования измеряемой величины за счет автоматического выбора предела измерения;

  2. возможность согласования измерительного преобразователя с системой разнородных чувствительных элементов для создания первичного измерительного комплекса;

  3. оптимизация потока измерительной информации, передаваемой по линии связи, за счет использования алгоритмов сжатия и блокирования измерительного процесса;

  4. первичная обработка измерительной информации в виде применения фильтрующих алгоритмов или алгоритмов быстрого преобразования Фурье.

Автоматический выбор пределов измерения


Автоматический выбор пределов измерения используется в настоящее время в большинстве измерительных приборов.



Рис. 13.1

Усилитель с переменным коэффициентом (рис.2.1) передачи собран на микросхеме DA1.изменение коэффициента осуществляется ступенчато с декадным шагом при помощи прецизионных декадно взвешенных резисторов и идеализированных ключей. В качестве идеализированных ключей обычно применяются герконовые реле, имеющие повышенный ресурс срабатываний. Напряжение с выхода усилителя DA1 подано на пару компараторов с различными пороговыми напряжениями. Значения пороговых напряжений определяют диапазон удержания выходного напряжения усилителя DA1 и могут быть выбраны в соответствии с двоичным или декадным законами. Выходные напряжения компараторов управляют состоянием счетчика, причем изменение состояния тактируется генератором опорной частоты.

Если выходное напряжение усилителя лежит в диапазоне между опорными напряжениями, то состояние счетчика неизменно, происходят измерения на выбранном диапазоне.

Если выходное напряжение усилителя больше большего опорного напряжения (uВЫХ > -0,1u0), то состояние счетчика увеличивается, увеличивая коэффициент усиления.

Если выходное напряжение усилителя меньше меньшего опорного напряжения (uВЫХ < -u0), то состояние счетчика уменьшается, уменьшая коэффициент усиления.

Информация о текущем состоянии управляемого делителя напряжения может быть получена в двоичном виде с выхода счетчика или в позиционном коде с выхода дешифратора. Тактирование режима переключения состояния счетчика позволяет избавиться от помех, вызванных процессами установления напряжений на выходах усилителя и компараторов.

Блокирование измерительного процесса


При проведении измерений в динамической системе существуют такие интервалы времени, когда значения входного измеряемого параметра остаются неизменными. Поэтому интеллектуальные датчики, как правило, имеют схему, регистрирующую отличия текущего отсчета от предыдущего (предыдущих). Если отличия в измеренных данных невелики (единицы младших разрядов), то информация в ОЗУ датчика не обновляется.

Согласование измерительного преобразователя с различными чувствительными элементами


При установке измерительного преобразователя в непосредственной близости от объекта измерения, в котором контролируются несколько разнородных параметров (давление, температура и т.д.), функции преобразования этих параметров в нормализованный измерительный сигнал могут возложены на один преобразователь (ИП). При этом на входе преобразователя устанавливается коммутатор (К) и совокупность первичных преобразователей информации (ПИПn) от датчиков в нормализованные электрические сигналы, пригодные для дальнейшего использования (рис.2.2).



Рис. 13.2

Противошумовая обработка


При измерении параметров реальных технологических процессов в измерительных сигналах неминуемо присутствуют шумы, которые загружают линии связи и снижают достоверность измерительной информации. Для борьбы с шумами в схемы измерения могут вставляться противошумовые процессоры. Которые представляют собой фильтры с адаптивно изменяемой полосой пропускания.

Шумовая ЭДС (в В) может быть вычислена по формуле:

, (13.1)

где fB, fH — соответственно верхняя и нижняя заданные частоты в кГц; R — сопротивление цепи в кОм.

Отношение номинального уровня сигнала Us к уровню шумового напряжения Un получило название сигнал-шум:

Н = Us/Un. (13.2)

Любое устройство для обработки сигнала характеризуется коэффициентом шума:

F = H1/H2, (13.3)

т.е. F показывает, во сколько раз увеличивается уровень шумов в сигнале. Иногда F выражается в дБ.

При построении тракта передачи измерительной информации из разнородных блоков (рис.2.3), которые характеризуются своими значениями коэффициента шума и коэффициента передачи по мощности сигнала.



Рис. 13.3

Результирующее значение сигнал-шум:

. (13.4)

Для улучшения соотношения сигнал-шум усилительный элемент должен быть установлен в тракте передачи сигнала в непосредственной близости от чувствительного элемента (датчика).



Схожі:

13. методы Измерения параметров жидкостей и газов iconОбзор цикла проектирования и анализа Создание геометрической модели (cad)
Анализ и моделирование течений жидкостей и газов c использованием комплекса ansys cfx
13. методы Измерения параметров жидкостей и газов iconСодержание Запуск ansys cfx-pre
Анализ и моделирование течений жидкостей и газов c использованием комплекса ansys cfx
13. методы Измерения параметров жидкостей и газов iconСодержание Главное меню ansys cfx-pre
Анализ и моделирование течений жидкостей и газов c использованием комплекса ansys cfx
13. методы Измерения параметров жидкостей и газов iconСхема файлов Файлы ansys cfx-pre *. cfx gtm
Анализ и моделирование течений жидкостей и газов c использованием комплекса ansys cfx
13. методы Измерения параметров жидкостей и газов iconОбеспечение высокой работоспособности школьника за счет научной организации туда
Предмет исследования методы обучения ( методы организации и осуществления учебно-воспитательной деятельности; методы стимулирования...
13. методы Измерения параметров жидкостей и газов iconДевиз урока: Давайте, ребята, учиться считать
Дроби были нужны, чтобы выразить результат измерения длины, массы, площади в случае, когда единица измерения не укладывается в измеряемой...
13. методы Измерения параметров жидкостей и газов iconУрок по истории на тему: «История родного края» Преподаватель: Десятириченко О. И. Под высокою горою
...
13. методы Измерения параметров жидкостей и газов icon9383 Измерения и измерительные приборы

13. методы Измерения параметров жидкостей и газов iconТехнические характеристики Mobil Pegasus 610
Это масло может также применяться для смазки поршневых компрессоров газов, образующихся из отходов и биомассы
13. методы Измерения параметров жидкостей и газов iconРасчёт параметров пожарной нагрузки
Определить массу горючих материалов. Плотность древесины условно принять за 500 кг/м3
13. методы Измерения параметров жидкостей и газов iconСписок використаних джерел гузеев В. В., Методы обучения и организационные формы уроков, Москва, 1999 С. 97 Прищепа Т. А
Гузеев В. В., Методы обучения и организационные формы уроков, Москва, 1999 С. 97
Додайте кнопку на своєму сайті:
Документи


База даних захищена авторським правом ©lib.znaimo.com.ua 2000-2014
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання відкритою для індексації.
звернутися до адміністрації
Документи