Методы и средства измерения

В настоящее время применяются несколько десятков различных способов измерения скорости движения и расхода вещества. В за­висимости от вида, состава и свойств исследуемой среды приме­няют различные методы и средства измерения скорости и расхода.

Наиболее распространены сегодня следующие принципы (и приборы на их основе): манометрические (работающие на пере­менных или постоянных перепадах давления, создаваемых пото­ком измеряемой среды); тахометрические (турбинные, крыльчатые, шариковые); электромагнитные (индукционные, основанные на эффекте электромагнитной индукции); ультразвуковые (осно­ванные на измерении разницы времен прохождения звукового сигнала в движущейся среде или на измерении изменения частоты отраженного ультразвукового сигнала); вихревые (основанные на оценке частоты колебаний завихрений потока); тепловые (осно­ванные на изменении температуры датчика, обтекаемого движу­щейся средой).

Рассмотрим некоторые электрические методы и средства изме­рения скорости и расхода из этих наиболее распространенных.

Тахометрические расходомеры. В обшей массе различных расхо­домеров доля приборов этого типа (Turbine Flowmeter) составляет около 10 %. Тахометрические расходомеры делятся на два типа: ро­торные и безроторные. Работа устройств первого типа основана на измерении частоты вращения роторного устройства (турбинки или крыльчатки), помешенного в поток вещества. Второй тип основан на измерении скорости кругового движения шарика в искусствен­но закрученном потоке измеряемой среды.

Принцип действия наиболее простого и распространенного ва­рианта расходомеров первого типа основан на пропорциональной зависимости частоты вращения турбинки (встроенной в трубопро­вод) от линейной скорости движения потока, т.е. от значения рас­хода. Механическая величина – угловая скорость вала турбинки – может быть измерена тахометром (аналоговым или цифровым) или преобразована с помощью тахогенератора в электрический сиг­нал, который легко поддается измерению. Возможен и частотно-импульсный выход. Такой сигнал также очень просто может быть преобразован в цифровой код.

На рис. 96 показана упрощенная конструкция тахометрического безроторного (и, следовательно, бесподшипникового) ша­рикового расходомера.

Подвижным элементом является шарик (сделанный из ферро­магнитного материала с полимерным или фторо­пластовым покрытием), который под действием закрученного по­тока измеряемой среды совершает вращательное движение вокруг оси трубопровода. Закручивание потока обеспечивает жестко закреп­ленный вдоль оси трубопровода неподвижный многоходовой винт.

Ограничивающее кольцо удержи­вает шарик. Угловая скорость дви­жения шарика пропорциональ­на линейной скорости движения потока (и, следовательно, объем­ному расходу). Периодическое прохождение шарика вблизи ин­дуктивного преобразователя ме­няет магнитное сопротивление магнитопровода преобразовате­ля. При этом на выходе преобра­зователя возникает импульсная последовательность. Таким обра­зом, индуктивный преобразова­тель преобразует механическое движение шарика в частоту им­пульсного электрического сигна­ла, пропорциональную частоте вращения.

 

Рис. 96. Тахометрический шариковый расходомер: 1 – поток; 2 – закрепленный винт; 3 – индуктивный преобразователь; 4 – кольцо; 5 – шарик; 6 – закрученный поток;

7 – трубопровод

Подобные расходомеры ра­ботают в диапазонах 0,025...400 м³/ч при диаметрах трубопровода 20... 150 мм. Клас­сы точности – 1,0...2,5%, тем­пература измеряемой среды – 5...100°С.

Электромагнитные (индукци­онные) расходомеры. Это также один из самых распространен­ных типов в практике промышленных измерений. Около 15 % всех стационарных расходоме­ров в мире – электромагнитные (Electromagnetic Inductance Flowmeter).

Электромагнитный (индукционный) расходомер применяется для электропроводных жидкостей и основан на эффекте электро­магнитной индукции. При движении потока электропроводной жидкости в магнитном поле в нем наводится ЭДС. Упрощенная конструкция такого расходомера показана на рис. 97.

 

Рис. 97. Электромагнитный (индукционный) расходомер: 1 – обмотка;

2 – магнитопровод; 3 – электроды; 4 – трубопровод; 5 – измеритель ЭДС

В трубопроводе из немагнитного материала течет электропро­водная жидкость, которая пронизывается переменным магнитным полем, создаваемым электромагнитом (обмотка на магнитопроводе). Электроды проходят сквозь стенки трубопровода и находятся в контакте с жидкостью. По закону электромагнитной индукции в потоке жидкости (как в любом перемещающемся в магнитном поле проводнике) возникает переменная ЭДС, которую оценивает из­меритель. Значение ЭДС определяется частотой и индукцией маг­нитного поля, внутренним диаметром трубы и, естественно, ско­ростью движения жидкости. Таким образом, найдя скорость и зная сечение трубы, можно оценить расход.

Погрешность таких расходомеров лежит в диапазоне 1...2 %. Расходомеры этого класса малоинерционны, т.е. обеспечивают достаточно высокое быстродействие, что особенно важно для оп­ределения текущих (мгновенных) значений сравнительно быст­ро меняющегося расхода. Преимуществами этих расходомеров является также и то, что они не изменяют проходного сечения трубопровода, не содержат движущихся частей, могут работать с загрязненными и многофазными средами, агрессивными жид­костями.

Единственный их недостаток – требование опре­деленной электропроводности жидкости, обычно – не менее 10 ^{– 8} См/м.

В настоящее вре­мя для измерения скорости и расхода жидкости широко применя­ются ультразвуковые методы и средства. Доля ультразвуковых рас­ходомеров (Ultrasonic Flowmeter) как стационарных, так и пере­носных, в общей массе расходомеров составляет примерно 10 %. Ультразвуковые (УЗ) методы и средства измерения скорости и расхода хорошо отвечают специфическим требованиям экспресс-обследований, поскольку они не требуют «врезки» в трубопровод, остановки технологических процессов, перекрытия вентилей, сня­тия нагрузки и т.п. Датчики автономных переносных приборов – на­кладные. Они легко устанавливаются на внешней поверхности тру­бопровода и снимаются, поэтому вся подготовка к эксперименту занимает всего несколько минут.

Использование УЗ-измерителей скорости и расхода даст ряд серьезных преимуществ:

• не возникает уменьшения давления в трубопроводе и отсут­ствует какое-либо влияние прибора на поток;

• отсутствует возможная коррозия деталей собственно прибора;

• отсутствуют движущиеся части (и как следствие отсутствуют изнашиваемые детали, обеспечены высокая надежность и значи­тельный срок службы приборов);

• простота работы с автономными приборами (установка, пе­ренос, замена).

Кроме того, важными достоинствами УЗ-приборов являются широкие диапазоны измерения скорости и расхода, широкий ди­апазон возможных диаметров трубопроводов, достаточно высокая точность, хорошие эксплуатационные характеристики. Главный недостаток УЗ-расходомеров – сравнительно высокая стоимость (как следствие сложности их устройства).

В современных УЗ-расходомерах применяются два метода, основанные на двух различных принципах измерения скорости по­тока (рис. 98):

 

 

а б

Рис. 98. Принципы УЗ-измерения скорости потока: а – временной; б – частотный;

1 – датчик

 

• измерение разницы времен задержки распространения УЗ-сигнала (Transit Time Technology) в движущейся среде;

• измерение изменения частоты УЗ-сигнала, отраженного от движущихся частиц, основанное на эффекте Доплера.

В первом методе измеряется интервал времени задержки рас­пространения УЗ-спгнала в движущейся среде. Эта задержка за­висит от направления и скорости движения среды (потока). На рис. 98, а приведена иллюстрация варианта этого метода.

На трубопроводе устанавливаются два датчика-приемника (по­очередно выступающих в роли излучателя и приемника сигнала).

Ультразвуковой сигнал (частота которого обычно 0,1... 1 МГц), из­лучаемый левым датчиком и проходящий сквозь среду в направле­нии движения потока (по потоку), достигает приемного (право­го) датчика через меньшее время задержки, чем сигнал, идущий от правого датчика навстречу потоку (против потока), который доходит до приемника через большее время задержки. Измерив разницу этих интервалов времени задержки прохождения сигна­лов, т.е. D t, можно оценить скорость движения среды и затем, зная внутреннее сечение трубопровода, вычислить расход.

Электронная начинка аппаратуры в этом методе, естественно, должна быть достаточно быстродействующей, так как необходима высокая разрешающая способность при измерении очень малых интервалов времени D t – единицы наносекунд. Рас­ход рассчитывается как произведение скорости на внутреннее се­чение трубопровода в месте установки датчиков. Метод измерения времени задержки хорош для чистых жидкостей, без примесей, т.е. гомогенных (однородных).

Второй метод (см. рис. 98, б)основан на известном в физике эффекте Доплера – эффекте изменения частоты сигнала, отра­женного от движущегося объекта. В настоящее время широко при­меняются цифровые допплеровские УЗ-измерители расхода (Digital Doppler Ultrasonic Flowmeter). Сигнал известной частоты распрос­траняется в жидкой среде, отражается от движущихся в потоке твердых частиц, пузырьков воздуха, локальных различий в плот­ностях среды и т.п. Отраженный от движущихся частиц УЗ-сигнал с помощью преобразования Фурье трансфор­мируется из временной области в частотную. Поскольку спектр отраженного сигнала достаточно широк, то находится усреднен­ная частота. Далее вычисляется разница частоты исходного сигна­ла (сигнала передатчика) и полученной усредненной частоты от­раженных сигналов. Эта разница частот в дальнейшем и использу­ется для определения скорости движения потока и затем для вы­числения расхода.

Типичный современный микропроцессорный УЗ-измеритель скорости и расхода является портативным прибором. Он позволяет измерять как мгновенный (текущий), так и суммарный расход жид­кости за некоторый период времени. Накладные датчики прибора легко устанавливаются на поверхности трубопровода. Подготовка к измерению занимает 3...5 мин.

 

 

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Блинов, О.М. Теплотехнические изме­рения и приборы: учебник для вузов / О.М. Блинов, А. М. Беленький, В. Ф. Бердышев. – М.: Металлургия, 1993.

2. Измерения в электронике: справочник / В.А.Кузнецов [и др]; под ред. В.А.Кузнецова. – М.: Энергоатомиздат, 1987.

3. Измерение электрических и неэлектрических величии: учеб. пособие для вузов/ Н.Н. Евтихиев [и др].; под ред. Н.Н.Евтихиева. – М.: Энергоатомиздат, 1990.

4. Мейзда, Ф. Электронные измерительные приборы и методы измере­ний: пер. с англ. – М.: Мир, 1990.

5. Методы электрических измерений: учеб. пособие для вузов / Л.Г.Журавин [и др].; под ред. Э.И.Цветкова. – Л.: Энергоатомиздат, 1990.

6. Метрология и электроизмерительная техника: учеб. пособие для ву­зов / В.И. Диденко [и др].; под ред. В.Н. Малиновского. – М.: Изд-во МЭИ, 1991.

10. Преображенский, В.П. Теплотехнические измерения и приборы: учеб­ник для вузов / В.П.Преображенский. – 3-е изд., перераб. – М.: Энергия, 1978.

11. Тюрин, И. И. Введение в метрологию / И.И.Тюрин. – М.: Изд-во стандартов, 1973.

 

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

Введение…………………………………………………...…………3

 

Глава 1. ОСНОВЫ МЕТРОЛОГИИ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ...…………………………………………………5

1.1. Измерение………………………………………...…………5

1.1.1. Физическая величина…………..…………………….6

1.1.2. Виды средств измерений…..………………………...6

1.1.3. Виды и методы измерений…………….…………….7

1.2. Единство измерений………………………………………..8

1.2.1. Единицы физических величин……..………………..9

1.2.2. Стандартизация……………………………...…...…..10

1.2.3. Эталоны……………………..………………………..12

1.3. Точность измерений……………………………………….14

1.3.1. Погрешность результата измерения…………....….14

1.3.2. Погрешность средств измерений………….……….16

1.3.3. Классы точности средств измерений……..……......18

1.3.4. Основная и дополнительная погрешности…..…….20

1.3.5. Методическая погрешность…………..…………….23

1.3.6. Погрешность взаимодействия………………………24

1.3.7. Динамическая погрешность……………..………….26

1.3.8. Субъективная погрешность………………..………..28

1.4. Обработка результатов измерений……………………….29

1.4.1. Обработка прямых измерений……………..……….30

1.4.2. Многократные прямые измерения………..………..31

1.4.3. Обработка косвенных измерений……………..……32

1.4.4. Расчет погрешности результата косвенного

измерения……………………….…………………………..34

 

Глава 2. АНАЛОГОВЫЕ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ……………………………………...…………..35

2.1. Общие сведения.…………………………………..……....35

2.2. Электромеханические измерительные приборы………...36

2.2.1. Приборы магнитоэлектрической системы…….…..37

2.2.2. Приборы выпрямительной системы………….……40

2.2.3. Приборы термоэлектрической системы…………...42

2.2.4. Приборы электромагнитной системы………….….44

2.2.5. Приборы электродинамической системы………....46

2.2.6. Электростатические вольтметры…………….…….49

2.2.7. Приборы индукционной системы……………….…52

2.3. Электронные измерительные приборы………….……….57

2.3.1. Электронные вольтметры переменного напряже-ния…………………………………………………………..57

2.3.2. Выпрямители (детекторы)………….………………58

2.3.3. Особенности электронных измерительных прибо-ров……………………………………………………….…..64

2.4. Влияние формы сигнала на показания приборов.…….....65

2.4.1. Сигнал без постоянной составляющей…….….…...66

2.4.2. Сигнал – сумма переменной и постоянной

составляющих…..………………………………..……...….67

 

ГЛАВА 3. ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ОСЦИЛЛОГРАФ……….70

3.1. Устройство электронно-лучевого осциллографа…….…..70

3.1.1. Каналы вертикального и горизонтального

отклонения…………..……………………………………...71

3.1.2. Электронно-лучевая трубка…………………………72

3.1.3. Двухканальные электронно-лучевые осциллографы……………………………………………….73

3.2. Формирование изображений на экране электронно-лучевой трубки…………..………………………………………………...74

3.2.1. Режим линейной развертки (режим Y – t)……...…...74

3.2.2. Режим Y – X …………………...………………………77

3.2.3. Растровый режим (режим Y – X – Z)…………...……80

3.3. Метрология осциллографических измерений……..……...81

3.3.1. Инструментальная погрешность……………...……..81

3.3.2. Погрешность взаимодействия……...………………..84

3.3.3. Субъективная погрешность………………...………..89

 

ГЛАВА 4. АНАЛОГОВЫЕ МЕТОДЫ И СРЕДСТВА РЕГИСТРАЦИИ……………………………………….90

4.1. Общие сведения …………………………………………...90

4.2. Самопишущие приборы………….………………………..92

4.3. Светолучевые осциллографы………………...…………...96

4.4. Измерительные магнитографы…………………………....98

4.5. Аналоговые запоминающие осциллографы…………….101

4.6. Сравнение возможностей аналоговых регистраторов…102

 

ГЛАВА 5. Цифровые измерительные приборы…………………103

5.1. Цифровые методы и средства измерений………………103

5.1.1. Характеристики аналого-цифровых

преобразователей…......…………………………………..104

5.1.2. Методы аналого-цифрового преобразования..…...108

5.2. Цифровые частотомеры………………………………….111

5.2.1. Режим измерения частоты…………..……………..112

5.2.2. Режим измерения частоты……………..…………..116

5.3. Цифровые вольтметры и мультиметры…………………118

5.3.1. Структура цифрового вольтметра……..………….119

5.3.2. Структура цифрового мультиметра……..………..120

5.4. Особенности выбора приборов…………….……………122

5.4.1. Выбор приборов по метрологическим

характеристикам…………………………………………..123

5.4.2. Выбор диапазона измерения………………..……..125

 

ГЛАВА 6. ЦИФРОВАЯ РЕГИСТРАЦИЯ И АНАЛИЗ СИГНАЛОВ………………………………...…………..128

6.1. Общие сведения…………………………………………..128

6.2. Цифровая измерительная регистрация……………….…129

6.2.1. Устройство цифрового измерительного

регистратора……………………………………………….129

6.2.2. Дискретизация, квантование и восстановление

сигнала……………………………………………………..131

6.2.3. Задание интервала регистрации………..………….134

6.3. Цифровой анализ сигналов………….…………………...138

6.3.1. Области анализа………………………..……….…..138

6.3.2. Анализ во временной области………….….………139

6.3.3. Анализ в частотной (спектральной) области..……144

6.3.4. Вычисление параметров электропотребления……145

6.4. Характеристики типичных регистраторов/

анализаторов………………………………………………...…147

6.4.1. Регистраторы/анализаторы параметров электропотребления………………………………………147

6.4.2. Мини-логгеры……………………………………….149

6.4.3. Компьютерные средства регистрации и анализа…149

ГЛАВА 7. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН…………………………………………..…..150

7.1. Измерение температуры………………………………....150

7.1.1. Контактные методы и средства измерений…………..152

7.1.2. Бесконтактные методы и средства измерений……….163

7.2. Измерение давления……………………………………...166

7.2.1. Средства измерения давления………..…………...167

7.3. Измерение скорости движения потока вещества и его расхода…..……………………………………………………...171

7.3.1. Основные понятия……..…………………………...171

7.3.2. Методы и средства измерения………..…………....172

 

Используемая литература………………………………………….178

 

 

Учебное издание

 

Васильев Сергей Валерьевич

Недолугов Владимир Ильич

 

ОСНОВЫ ИЗМЕРЕНИЙ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

 

Пособие

 

Редактор Н.Н. Красницкая

Компьютерная верстка: С.В. Васильев

Дизайн обложки: О.В. Канчуга

 

Сдано в набор 00.00.2008. Подписано в печать

Формат 60×84/16. Бумага офсетная.

Печать RISO. Гарнитура Таймс.

Усл.печ.л. 10,93. Уч.-изд.л. 10,34. Тираж 150 экз. Заказ.