Принцип действия этих ультразвуковых расходомеров основан на измерении частот импульсно-модулированных ультразвуковых колебаний, направляемых одновременно по потоку жидкости или газа и против него.
Рис. 2. Структурная схема частотно-пакетного ультразвукового расходомера
Генераторы Г (рис. 2) создают синусоидальные колебания высокой частоты (10 МГц) и подают их через модуляторы М на излучающие пьезоэлементы П1 и ПЗ, Пьезоэлемент П1 создает направленные ультразвуковые излучения (с частотой 10 МГц), которые воспринимаются пьезоэлементом П2. При неподвижной жидкости время распространения излучений при расстоянии L между пьезоэлементами равно.
Если жидкость перемещается по трубе со скоростью v, то составляющая скорости в направлении движения ультразвуковых колебаний равна, следовательно, время перемещения колебаний между пьезоэлементами П1 и П2 по потоку жидкости.
Соответственно время перемещения колебаний между пьезоэлементами П3 и П4 против направления потока. Модулятор совместно с двумя пьезоэлементами и усилителем-преобразователем УП включены в схему периодического модулирования.
Как только первые колебания, поступающие на приемные пьезоэлементы П2 и П4, достигнут модуляторов, работающих в триггерном режиме, произойдет отключение генераторов от пьезоэлементов П1 и ПЗ, и излучение ультразвуковых колебаний прекращается. Оно возобновляется в те моменты, когда последние ультразвуковые колебания первых пакетов достигнут приемных пьезопреобразователей и генерация электрических колебаний прекратится.
В эти моменты модуляторы вновь пропускают электрические колебания от генератора к приемным пьезоэлементам и процесс повторяется. Частота модулирования сигналов зависит от скорости потока и направления ультразвуковых колебаний (по потоку или против него).
Разность частот, определяемая пересчетной схемой ПС, пропорциональна скорости потока и не зависит от скорости распространения звука в среде. Это является преимуществом частотного метода, так как исключается воздействие физических параметров среды (плотность, температура) на показания прибора.
Разность Δƒ регистрируется прибором РП. Диапазон измерения расхода приборами данного типа теоретически неограничен. Погрешность ультразвуковых расходомеров примерно ±2 % скорости движения жидкости:
Для конкретной конструкции прибора и L постоянны, поэтому:
(1.7)
Счетчики количества.
Счетчики количества жидкости по принципу действия подразделяют на скоростные, объемные и весовые. Скоростные бывают со спиральной горизонтальной (для измерения больших расходов) и с вертикальной (малых расходов) вертушкой. Счетчики с вертикальной вертушкой, а также весовые не получили широкого распространения в промышленности, поэтому их рассматривать не будем.
Скоростные счетчики со спиральной горизонтальной вертушкой устанавливают в закрытых трубопроводах таким образом, чтобы через них проходил весь поток измеряемой жидкости. Протекающий через счетчик поток измеряемой жидкости воздействует на вертушку: чем больше средняя скорость протекающей жидкости, а, следовательно, и ее количество, тем быстрее вращается вертушка. Вертушка механически связана со счетным механизмом, шкала которого отградуирована в единицах количества (как правило, в м3).
Счетный механизм прибора может быть помещен непосредственно в измеряемой жидкости или защищен от нее сальником. В приборах, счетный механизм которых находится в измеряемой жидкости, показания отсчитывают через защитное стекло, отделяющее камеру расходомера от наружной среды. Такие приборы по своей конструкции более просты, однако их детали быстро изнашиваются от воздействия жидкости.
Поток поступающей жидкости выравнивается струевыпрямителем 2 (рис. 10.17) и направляется на лопатки вертушки 3, которая выполнена в виде многозаходного винта. Вращение вертушки через червячную пару и передаточный механизм 4 передается счетном механизму 5.
Рис. 10.17. Скоростной счетчик со спиральной горизонтальной вертушкой: 1 - корпус; 2 - струевыпрямитель; 3 -вертушка; 4 - передаточный механизм; 5 - счетный механизм
Объемные счетчики делятся на приборы с овальными шестернями, поршневые и дисковые. Рассмотрим принцип действия наиболее распространенного в промышленности счетчика с овальными шестернями (рис. 10.18). Его действие основано на вытеснении из измерительной камеры 1 прибора определенных объемов жидкости вращающимися овальными шестернями 2.
Обе шестерни находятся в непрерывном зацеплении и обкатывают друг друга. При этом на них действует разность давлений: между большим со стороны входа жидкости и меньшим со стороны выхода. В результате перепада давлений в трубопроводе (до и после счетчика) образуется сила, заставляющая шестерни вращаться. При этом каждая из шестерен при полном обороте проталкивает половину объема жидкости, поступающей в камеру, а обе шестерни за один оборот пропускают количество жидкости, равное полному объему камеры прибора.
Рис. 10.18. Схемы (I-III) работы объемного счетчика с овальными шестернями: 1 - камера; 2 - шестерни
Частота вращения овальных шестерен неравномерна и зависит в каждый момент времени от их взаимного расположения. Но это не влияет на процесс измерения, так как счетчик подсчитывает только число оборотов шестерен.
Вращение шестерен передается посредством магнитной муфты и передаточного механизма стрелочному указателю и счетному механизму. Магнитная муфта отделяет внутренние полости камеры от внешней среды, что дало возможность отказаться от сальниковых уплотнений, которые увеличивают трение.
Вихревые расходомеры
При определенных условиях движения потока среды, часть кинетической энергии потока может преобразовываться в пульсации (завихрения). Частота следования этих пульсаций пропорциональна скорости потока.
Общие характеристики для большей части вихревых расходомеров:
1. Стандартный выходной частотный сигнал.
2. Широкий динамический диапазон (от 1:10 до 1:40).
3. Достаточно высокая точность измерений.
4. Независимость точности измерения расхода от изменений температуры, давления и плотности измеряемой среды.
5. Высокая повторяемость и стабильность показаний.
6. Простота конструкции, легкость в монтаже, низкая стоимость обслуживания.
7. Универсальность принципа – измерение жидкостей, газа и пара.
Существует несколько основных типов вихревых расходомеров, отличающихся по способу образования вихрей. Наиболее распространенный тип, у которого поперек потока измеряемой среды установлено плохообтекаемое тело (тело обтекания, вихревое тело, вихреобразователь), за которым поочередно с разных сторон образуются вихри.
Принцип действия. При обтекания потоком неподвижного препятствия (тела обтекания) образуются вихри. Образование вихрей и их отрыв от тела обтекания происходит поочередно с разных его сторон.
Рис. 10.10. Принцип работы вихревых расходомеров
Развитие вихря с одной стороны препятствует его образованию с противоположной стороны. За телом обтекания образуется двойная дорожка из вихрей, называемая «дорожкой Кармана».
Частота вихреобразования (частота отрыва вихрей) пропорциональна скорости потока, а значит и расходу. Зависимость между частотой вихреобразования и скоростью (расходом) определяется критерием Струхаля:
St = f*d/W,
где f – частота вихреобразования,
d – характерный размер тела обтекания,
W – средняя скорость потока.
Частота вихреобразования определеяется формулой:
f = St*W/d.
Для характеристики вихревых расходомеров вместо числа Струхаля используется К-фактор. Производители под К-фактором подразумевают либо:
- число вихрей, приходящихся на единицу объема среды:
Кф = n/V
- объем среды, приходящийся на один вихрь:
Кф = V/n,
где n – число вихрей за время t;
V – объем среды за время t.
Основное уравнение вихревого расходомера:
f = Kф*W/d.
К-фактор условно постоянен в определенном диапазоне чисел Re и не зависит от плотности, вязкости, скорости потока и др. свойств среды. Диапазон чисел Рейнольдса, при которых К-фактор постоянен называется рабочей областью (областью измерений) вихревых расходомеров.
Рис.10.11. К-фактор
Конструкция вихревых расходомеров. В общем виде, вихревой расходомер состоит из двух частей: первичного преобразователя и вторичного преобразователя (электронного блока или конвертера).
Рис.10.12. Общие элементы конструкции вихревых расходомеров
Первичный преобразователь включает в себя вихреобразователь (тело обтекания) и устройство детектирования вихрей (сенсор). Электронный блок состоит из фильтра, усилителя, АЦП и схемы выходных сигналов. С развитием микропроцессорной электроники появились интеллектуальные вихревые расходомеры, в которых сигнал с АЦП проходит обработку. Помимо улучшения точности измерения и сведения к минимуму влияний факторов температуры, давления, нелинейности К-фактора, неравномерности потока и др., появилась возможность использования цифровой коммуникации и добавления дополнительной функциональности (например, функции вычислителя-счетчика) в расходомере.
Газовый анализ
Газовый анализ - качественное обнаружение и количественное определение компонентов газовых смесей. Проводится как с помощью автоматич. газоанализаторов, так и по лабораторным методикам. Как правило, методы газового анализа основаны на измерении физических параметров среды, значения которых зависят от концентраций определяемых компонентов. В избирательных методах измеряемое свойство зависит преимущественно от содержания определяемого компонента. Неизбирательные методы основаны на измерении интегральных свойств пробы (напр. плотности, теплопроводности), которые зависят от относит. содержания всех ее компонентов. Последние методы применяют для анализа бинарных и псевдобинарных газовых смесей, в которых варьируется содержание только определяемого компонента, а соотношение концентраций остальных компонентов не изменяется.
Выбор методов газового анализа, обеспечивающих избирательное определение интересующего компонента непосредственно по измерению физических параметров анализируемого газа, весьма ограничен. В большинстве случаев избирательность достигается предварительной обработкой пробы, напр. фракционированием, концентрированием, конверсией; в частности, применяют мембранные методы, которые служат для выделения определяемой примеси из анализируемого газа, удаления макрокомпонентов при концентрировании, разбавления пробы газом-носителем в заданное число раз.
