Датчики потока

Министерство образования и науки

Республики Беларусь

Белорусская государственная

политехническая академия

Кафедра “Информационно-измерительная

техника”

Курсовой проект

по дисциплине “ Первичные измерительные преобразователи ИИС ”

на тему “Конструкция и схема применения датчика температуры для измерения скорости потока жидкости или газа ”

Исполнитель:

Меньшиков С.В.

Руководитель:

Яржембицкий В.Б.

Минск 1997
Содержание

Введение ..............................................................................................................................3

Литературный обзор .............................................................................................5

Механические измерители потока ........................................................5

Вращающиеся измерители...........................................................................6

Измерители с тормозящим элементом..............................................7

Гидродинамические (аэродинамические) измерители .......8

Трубки Пито...............................................................................................................9

Измерители на потокорезистивных элементах......................10

Электромагнитные измерители потока .....................................12

Ультразвуковые датчики потока ........................................................16

Преобразователи.................................................................................................17

Принцип измерения времени прохождения сигнала.........19

Датчики непрерывного действия..........................................................23

Импульсные датчики.......................................................................................26

Методологическая часть ...............................................................................31

Тепловые измерители потока ...................................................................31

Инжекционные измерители......................................................................31

Конвекционные датчики...............................................................................32

Схема обратной связи для поддержания

постоянной температуры.............................................................................36

Типы зондов.............................................................................................................38

Заключение ...................................................................................................................39

Литература .....................................................................................................................40

Введение.

Стремительное развитие электроники и вычислительной техники оказалось предпосылкой для широкой автоматизации самых разнообразных процессов в промышленности, в научных исследованиях, в быту. Однако реализация этой предпосылки в значительной мере определяется возможностями устройств для получения информации о регулируемом параметре или процессе. Разумеется, применение датчиков не ограничивается только автоматизированными системами, поскольку они могут выполнять также функции элементов просто измерительных систем.

По определению к датчикам относятся все основные узлы электронной схемы для измерения неэлектрических величин, расположенные непосредственно у объекта. Необходимость преобразования измеряемой неэлектрической величины в адекватный ей электрический сигнал послужила позднее основанием для введения термина «измерительный преобразователь».

Совершенствование полупроводниковой технологии позволило также расширить сферы применения датчиков и к тому же повысить их точность, быстродействие, надёжность, долговечность, удобство сопряжения с электронными измерительными схемами. Массовый характер производства датчиков способствует снижению их цены, что также является немаловажным фактором, определяющим их внедрение в практику. Техника конструирования и применения датчиков в последние годы развилась в самостоятельную ветвь измерительной техники. С ростом автоматизации к датчикам физических параметров стали предъявляться всё более высокие требования. При этом особое значение придаётся следующим показателям:

миниатюрность (возможность встраивания),

механическая прочность,

воспроизводимость,

дешевизна и др.

В русле общего направления технического прогресса существенные изменения претерпели также и датчики. На смену электромеханическим и электровакуумным устройствам пришли твёрдотельные (полупроводниковые, сегнетоэлектрические и т.п.) элементы и приборы, которые затем всё больше и больше стали вытесняться интегральными схемами. Развитие техники детектирования магнитных и электрических полей, электромагнитных волн (от ИК- до УФ-диапазона), малых количеств примеси в жидких и газообразных средах существенно расширили возможности измерений на удалённых, труднодоступных, движущихся и т.п. объектах. Это сделало не обязательным расположение датчиков непосредственно у объекта.

Литературный обзор.

В данной работе рассматриваются датчики (измерители) потока. В настоящее время существует множество методов реализующих измерение потока жидкости или газа, которые можно разделить на несколько групп: тепловые, механические, гидродинамические (аэродинамические), электромагнитные, ультразвуковые и другие. Различные датчики обеспечивают измерение различных характеристик потока. Метод измерения, основанный на стационарной инжекции тепла в поток, позволяет получить информацию о среднем массовом расходе жидкости или газа (кг/с). Гидродинамические (аэродинамические) методы и механический турбинный метод обеспечивают измерение среднего объёмного расхода (м³ /с). Электромагнитные и ультразвуковые датчики предназначены для измерения средней скорости потока (м/с). Тепловой конвекционный метод и гидродинамический метод с использованием трубки Пито позволяют измерить локальную скорость жидкости или газа в потоке. Разработчик измерительной системы должен точно знать, какая из перечисленных характеристик потока подлежит измерению.

Механические измерители потока.

Механические измерители потока работают на принципе физического воздействия жидкости или газа на измерительный элемент, например на крыльчатку турбины или элемент, тормозящий поток.

Вращающиеся измерители потока.

Турбины. Турбинные измерители потока измеряют средний объёмный расход жидкости или газа. Скорость вращения крыльчатки (колеса) турбины, занимающей полное сечение потокопровода, и объёмный расход связаны следующей зависимостью:

(1.1)

где Q – средний объёмный расход (м³ /с); n – скорость вращения ротора турбины (об/с); D – диаметр потокопровода (м); v – кинематическая вязкость текучей среды (м² /с). Как видно из графика на рис. 1, учёт конкретного вида функции f важен только при низких скоростях вращения турбины. Обычно турбина работает в линейной области, где величина Q/nD³ постоянна, так что скорость вращения турбины прямо пропорциональна среднему объёмному расходу жидкости или газа. Поскольку при мощностях потока износ подшипников ротора турбины очень быстро выводит турбину из строя, рабочий диапазон турбинного измерителя потока обычно ограничивается предельными значениями расхода жидкости или газа, соотносящимися приблизительно как 10:1. Заметим, что из-за нелинейности рабочих характеристик при малых потоках турбинные измерители не пригодны для измерения потоков, изменяющих своё направление.

Пропеллеры. Принцип его работы ничем не отличается от принципа работы турбинного измерителя потока. Однако, в отличие от турбины пропеллер не охватывает всё сечение потока и скорость его вращения скорее пропорциональна скорости потока, а не объёмному расходу. Рабочий диапазон пропеллерного измерителя потока в относительном выражении шире, чем 10:1, так как эффект вязкости для него менее важен, чем для турбины.

При соответствующей калибровке и правильной эксплуатации вращающиеся измерители потока обеспечивают довольно точное измерение характеристик потока (нелинейность не превышает 0.005%). Однако эти устройства не обладают достаточной механической прочностью и быстро выходят из строя при измерении мощных потоков и наличия в потоке посторонних твердых частиц. Для компенсации погрешностей, связанных с износом подшипников, необходимо периодически повторять процедуру калибровки измерителя, особенно если он эксплуатируется в коррозийной или агрессивной среде.

Измерители потока с тормозящим элементом .

На рис. 2 показан измеритель потока с тормозящим элементом. Сила торможения, действующая на подвешенный в потоке элемент, определяется выражением

(1.2)

где C_d - коэффициент торможения; А - площадь поперечного сечения элемента (м² ); r - плотность текучей среды (кг/м³ ); u - скорость потока (м/с).

Коэффициент торможения зависит от формы тормозящего элемента и практически постоянен, если форма элемента выбрана должным образом. Сила торможения чаще всего измеряется с помощью тензодатчика, закрепляемого на несущем рычаге тормозящего элемента.

Измерители потока с тормозящим элементом имеют хорошие частотные характеристики (типичное значение верхней границы частотного диапазона - 100 Гц), хотя для проведения точных измерений на повышенных частотах весьма важно обеспечить соответствующее демпфирование.

Симметричные тормозящие элементы устройства этого типа являются двунаправленными измерителями потока, хорошо работающими вблизи точки изменения направления потока. Измерители с тормозящим элементом - прочные устройства. Они часто используются в тех случаях, когда текучая среда содержит взвешенные твердые частицы, что исключает возможность применения многих других типов измерителей потока. С их помощью можно измерять скорость потока как жидкости, так и газа.

Гидродинамические (аэродинамические) измерители потока .

В измерителях этого типа используется возможность установления связи между разностью давлений в двух характерных точках потока и скоростью потока. Эта разность давлений измеряется с помощью дифференциального преобразователя давления, связанного с микро ЭВМ. Если требуется линеаризация, она может быть выполнена программным способом.

Трубки Пито

Трубка Пито ( рис. 3) обеспечивает измерение локальных скоростей жидкости или газа в потоке. В трубке имеется два типа отверстий, открытых для текучей среды. На статических входах (или входе), выполненных в виде отверстий, оси которых перпендикулярны направлению потока, действует статическое давление текучей среды p_s . Вход (отверстие) на конце трубки собирает заторможенную массу жидкости или газа, находящуюся под полным давлением p_t . Если трубка Пито расположена параллельно потоку, то разность этих двух давлений находится из уравнения Бернулли

, (1.3)

где р - разность давлений (Па); p_s - давление на статическом входе (Па); p_t - полное давление (Па); r - плотность текучей среды (кг/м³ ); u - скорость потока (м/с); Отсюда для скорости потока несжимаемой текучей среды получаем

. (1.4)

Для сжимаемой текучей среды (например, воздуха) скорость потока определяется по формуле

, (1.5)

где k=c_p /c_v (отношение удельных теплоемкостей).

Трубка Пито чаще всего применяется для измерения скорости воздуха в вытяжных трубах и на самолетах, хотя ее можно использовать в любой текучей среде. Это очень точное и прочное устройство, требующее минимального технического обслуживания. Главный недостаток трубки Пито - низкая чувствительность при малых скоростях потока и нелинейность связи между разностью давлений и скоростью.

Измерители на потокорезистивных

элементах.

Устройства этого типа определяют объемный расход жидкости или газа. В потокопроводе размещается препятствие с известными характеристиками и с помощью дифференциального преобразователя давления измеряется разность давлений по обе стороны от этого препятствия.

Сопло с острыми кромками. На рис. 4 показаны структура измерителя потока, в котором используется сопло с острыми кромками, и профиль давления вдоль потокопровода в таком измерителе. Несмотря на то что профиль давления весьма сложен, он воспроизводим, хорошо описан и протабулирован. Объемный расход для несжимаемой, текущей без трения среды описывается выражением

, (1.6)

где Q - объемный расход (м³ /с); A_u и A_d - площади поперечных сечений потокпровода и сопла (м² ); p_u и p_d - давление до и после препятствия (сопла) в текучей среде (Па); r - плотность текучей среды (кг/м³ ). Поскольку значения A_u и A_d постоянны, формула (1.6) фактически задает туже функциональную зависимость (т.е. пропорциональность объемного расхода потока величине (p_u -p_d )^1/2 ), что и формула (1.5) для трубки Пито.

С целью оптимизации рабочих характеристик таких измерителей потока для конкретных текучих сред и профилей потока используются различные модификации сопла с острыми кромками. При этом во всех случаях тип функциональной зависимости, определяемой формулой (1.6), остается неизменным, изменяются только значения констант.

Измерители потока данного класса могут использоваться практически с любыми текучими средами. Они просты по конструкции и надежны. При тщательной калибровке эти измерители обеспечивают точность порядка 1%.

Линейные потокорезистивные элементы. Существует два типа линейных потокорезистивных элементов, используемых для измерения объемного расхода воздуха при обследовании дыхательной системы. Узкие каналы обеспечивают однородность профиля потока воздуха, благодаря чему реализуется линейная взаимосвязь между разностью давлений и потоком. Дифференциальный преобразователь давления измеряет перепад давлений на элементе, пропорциональный объемному расходу воздуха.

Главный недостаток таких элементов - возможность быстрой закупорки узких каналов грязью, конденсируемой водой и т.п., что приводит к неточным показаниям.

Электромагнитные измерители потока.

Электромагнитные измерители потока используются для измерения скорости потока, усредненной по его поперечному сечению, и пригодны почти для всех проводящих жидкостей. Их работа основана на том хорошо известном факте, что в любом проводнике, движущемся перпендикулярно направлению силовых линий магнитного поля, индуцируется напряжение, величина которого прямо пропорциональна скорости проводника (в нашем случае - скорости жидкости).

Принцип работы . Магнитное поле В приложенное перпендикулярно направлению потока жидкости. Индуцируемое электрическое поле, определяющее ЭДС электромагнитной индукции, перпендикулярно как направлению тока, так и направлению магнитного поля. Величина ЭДС определяется законом Фарадея

, (1.7)

где v_у - индуцируемая ЭДС между точками a и b(); B- магнитная индукция (Тл); a, b - точки, в которых и находятся электроды; L - расстояние между точками а и b (м); u - скорость жидкости (м/с).

Предполагая, что пространственные распределения поля В и скорости u однородны и что векторы В, u и L ортогональны, получаем следующее простое выражение для ЭДС

v_e =BLu. (1.8)

Индуцируемая ЭДС v_e измеряется с помощью двух электродов, контактирующих с жидкостью. Тип используемых электродов зависит от типа жидкости. Для многих жидкостей, включая жидкие металлы, используются электроды, изготавливаемые из сравнительно химически неактивных металлов, например платины.

Источники погрешностей. Тщательно сконструированные электромагнитные измерители потока при правильной эксплуатации могут иметь погрешности, не превышающие 1%, но тем не менее реально существует большое число возможных источников погрешностей. Например, в биологических исследованиях погрешность измерения потока крови может легко превышать 10%.

Соотношения (1.7) и (1.8) справедливы только для аксиально-симметричного потока; именно этот случай часто встречается на практике. Для потока с известным асимметричным профилем в показания измерителя потока необходимо вводить поправочный коэффициент.

Между электродами, находящимися в жидкости, может возникнуть разность потенциалов (как в обычном гальваническом элементе), проявляющаяся в наличии напряжения смещения нуля для измеряемой ЭДС. Эта проблема не возникает при использовании переменного магнитного поля. Электроды могут подвергнуться воздействию коррозии, на них постепенно могут осаждаться инородные материалы, что влияет их сопротивление и, возможно, на измеряемую ЭДС.

Неоднородность магнитного поля вдоль или перпендикулярно оси потока может приводить к существенным погрешностям из-за образования локальных токов, циркулирующих в жидкости.

Два метода измерения: в постоянном и переменном магнитных полях.

Сравнение методов. Соотношение (1.8) справедливо как для постоянных, так и для переменных магнитных полей; форма сигнала индуцируемой ЭДС v_e повторяет форму сигнала возбуждения магнитного поля В. В тех случаях, когда поляризация электродов и напряжения смещения играют незначительную роль, предпочтительнее всего использовать постоянное магнитное поле для минимизации проблем, связанных с поляризацией электродов, приходится использовать переменное магнитное поле.

Контурная ЭДС . Проводники, используемые для снятия сигнала с электродов, вместе с проводящей жидкостью образуют замкнутый контур, находящийся в магнитном поле. Поскольку на практике не удается точно выполнить условие перпендикулярности вектора магнитного поля и нормали к плоскости этого контура, в последнем индуцируется контурная ЭДС v_t . Величина этой ЭДС может в несколько раз превышать полезный сигнал от электродов.

Контурная ЭДС пропорциональна производной от индукции магнитного поля и поэтому сдвинута на 90 по фазе относительно полезного сигнала, снимаемого с электродов. Реально измеряемое напряжения равно сумме двух сигналов

v_s =v_e +v_t =V_e sin(t)+V_t cos(t), (1.9)

где v_e - полезный сигнал с амплитудой V_e и v_t - контурная ЭДС с амплитудой V_t .

Один из способов разделения этих двух сигналов: значения v_s отсчитываются в те моменты, когда v_e максимально, а v_t проходит через нуль. Однако такой способ трудно реализовать на практике, поскольку любая погрешность фазы приводит к значительному вкладу v_t в измеряемый сигнал.

Лучшим методом является метод фазочувствительной демодуляции сигнала. Суть этого метода заключается в том, что мы умножаем v_s на ток электромагнита i_m , который всегда находится в фазе как с магнитным полем, так и с полезным сигналом v_e . В результате имеем

v_p =v_s i_m =(V_e sin(t)+V_t cos(t))I_m sin(t)= I_m V_e sin² (t)+

I_m V_t cos(t)sin(t). (1.10)

Интегрируя затем этот сигнал-произведение по одному периоду колебания (что эквивалентно низкочастотной фильтрации v_p ), получаем напряжение v_f , пропорциональное потоку, в то время как контурная ЭДС в конечном результате исчезает:

. (1.11)

В некоторых конструкциях фазочувствительный демодулятор используется также для выделения контурной ЭДС и добавления ее как сигнала отрицательной обратной связи к исходному сигналу v_s . Это позволяет исключить контурную ЭДС еще до прихода сигнала к фазочувствительному демодулятору для выделения сигнала v_f . Существуют конструкции, в которых магнитное поле возбуждается не гармоническим, а прямоугольным или трапецеидальным сигналом. Поскольку в этом случае контурная ЭДС равна нулю большую часть периода (за исключением моментов перехода тока i_m через нуль), то можно использовать описанный выше способ отсчётов полного сигнала v_s .

Ультразвуковые датчики потока.

Ультразвуковые датчики эффективно используются для измерения потока во многих медико-биологических и промышленных применениях. Основным элементом конструкции ультразвукового датчика является пьезоэлектрический излучатель коротких посылок акустических (упругих) волн. Для измерения потока используются частоты, лежащие за пределами слышимого акустического диапазона - в ультразвуковой области. Работа ультразвуковых датчиков потока основана на одном из двух физических принципов. В датчиках первого типа (измерение времени прохождения сигнала) используется тот факт, что скорость звука, распространяющегося в движущейся среде, равна скорости относительно этой среды плюс скорость движения самой среды. В датчиках второго типа используется изменение (доплеровский сдвиг) частоты ультразвуковой волны при ее рассеянии движущейся средой. В данном разделе мы опишем эти основные типы ультразвуковых измерителей потока, принципы их работы и применение.

Преобразователи.

В ультразвуковых измерителях потока используются электроакустические преобразователи из пьезоэлектрических материалов, осуществляющие преобразование электрической мощности в акустические колебания. Идеальным пьезоэлектрическим материалом для электроакустического преобразователя является такой материал, который обеспечивает низкий уровень шума, высокую эффективность преобразования и позволяет создать преобразователь с высокой добротностью. Чаще всего в электроакустических преобразователях используется цирконат – титанат свинца (ЦТС). Преимущество этого материала - очень высокая эффективность электроакустического преобразования и высокая температура Кюри (приблизительно 300 ^o C); последнее уменьшает вероятность деполяризации материала в процессе припаивания выводов преобразователя.

Можно изготовить ультразвуковой преобразователь любой формы посредством расплавления материала и последующей его формовки. Пьезоэлектрические кристаллы подвергаются искусственной поляризации путем помещения их в сильное электрическое поле при высокой температуре и охлаждения в этом поле ниже температуры Кюри. Обычно формируются преобразователи в виде дисков, на противоположные плоские поверхности которых наносятся металлические электроды. Через эти электроды генератор колебаний возбуждает кристалл-излучатель. Электроды кристалла-приемника присоединены к высокочастотному усилителю. Для обеспечения максимальной эффективности толщина кристалла обычно выбирается равной половине длины ультразвуковой волны.

Выбор рабочей частоты преобразователя определяется фундаментальными физическими факторами. Конечное значение диаметра преобразователя обуславливает


29-04-2015, 04:01