Реферат

• ОБЗОР МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ГАЗА
• ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
• ПРИНЦИП РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ И ТЕПЛООБМЕНА
• МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ПО СКОРОСТИ В ОДНОЙ ТОЧКЕ ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ ТРУБОПРОВОДА
• АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ГАЗА

1. ОБЗОР МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ГАЗА.

В сферах народного хозяйства, связанных с использованием и транспортировкой газов и жидкостей (газовой, нефтяной, нефтеперерабатывающей, химической и т. д.) широко используются термоанемометрические преобразователи расхода. Термоанемометры обладают малой инерционностью, высокой чувствительностью, точностью, надежностью, компактностью.

В настоящее время известно свыше 20 методов измерения расхода и большое число их разновидностей. Расходомеры, наиболее широко распространенные в промышленности, по принципу действия разделяются на следующие основные группы: переменного перепада давления; обтекания – постоянного перепада давления; тахометрические; электромагнитные; переменного уровня; тепловые; вихревые; акустические. Кроме того, известны расходомеры, основанные на других принципах действия: резонансные, оптические, ионизационные, меточные и др. Однако многие из них находятся в стадии разработки и широкого применения пока не получили. Наибольшее распространение получили расходометры переменного и постоянного перепада давления. К расходометрам переменного перепада давления относятся дифманометры, при использовании которых перепад давления в трубопроводе создаётся сужающими устройствами (диафрагмами, соплами, трубой Вентури и т.п.).

В расходометрах постоянного перепада давления изменяется площадь проходного сечения, а перепад до и после него остаётся неизменным. Такого типа расходометры выполняются с погруженным поплавком или поршнем.

Недостатком этих способов является необходимость в сверхчувствительном электронном манометре.

В некоторых случаях, когда невозможно применять расходометр, скорость потока измеряют с помощью напорных трубок, гидравлических вертушек и анемометров и вычисляют скорость потока в каком-либо его сечении. Объёмный расход определяют, умножая скорость на площадь сечения.

Во всех отраслях промышленности широко применяются тахометрические расходомеры. Принцип их действия основан на использовании зависимостей скорости движения тел – чувствительных элементов, помещаемых в поток, от расхода веществ, протекающих через эти расходомеры. Из этой группы расходомеров наиболее часто на практике применяются турбинные, шариковые и камерные.

Для измерения скорости и (или) расхода проводящего вещества могут применятся электромагнитные расходомеры. В основу работы электромагнитных расходомеров положена зависимость ЭДС, индуцируемой в электропроводящей среде, движущейся в электромагнитном поле. Конструктивно преобразователь электромагнитного расходомера представляет собой участок трубопровода, выполненного из немагнитного материала, в который вмонтированы два электрода. В месте расположения электродов вне трубопровода размещаются магнитная система или полюса магнита . Основным недостатком этих приборов является невозможность измерения расхода непроводящих сред.

Если необходимо измерять расход загрязненных жидкостей, известкового молока, диффузионного сока, сусла-самотека и т. п., то обычно применяются расходомеры переменного уровня. Принцип действия приборов основан на зависимости уровня жидкости в сосуде от расхода при свободном истечении ее через калиброванное отверстие (щель) в дне или боковой стенке сосуда.

В настоящее время разработаны и имеют весьма широкие перспективы применения вихревые расходомеры, принцип действия которых основан на зависимости от расхода частоты колебаний давления среды, возникающих в потоке в процессе вихреобразования.

Все большее распространение получают акустические расходомеры. Принцип действия таких расходометров основан на зависимости акустического эффекта в потоке вещества от его скорости. Широкому распространению акустических расходомеров способствует возможность их применения для измерения расходов загрязненных и агрессивных сред, безинерционность, бесконтактность измерений, отсутствие движущихся частей в потоке, отсутствие потерь давления в трубопроводах и др

Весьма перспективны тепловые расходомеры. Принцип их действия основан на использовании зависимости эффекта теплового воздействия на поток вещества от массового расхода этого вещества. Различают калориметрические, расходомеры теплового слоя и термоанемометрические расходомеры. Калориметрические расходомеры основаны на нагреве или охлаждении потока посторонним источником энергии, создающим в потоке разность температур. Расходомеры теплового слоя, основанные на создании разности температур с двух сторон пограничного слоя. Термоанемометры принято различать по ряду признаков, характеризующих тепловой режим преобразователя: способу нагрева чувствительного элемента (прямой, косвенный, непрерывный, импульсный); роду тока, питающего мост (постоянный, переменный); особенностям электрической схемы и др.

Термоанемометрический метод основан на зависимости теплоотдачи нагретого чувствительного элемента от скорости потока. В общем случае теплоотдача зависит от многих факторов, а именно – от скорости потока, физических свойств газа (плотности, теплопроводности, теплоемкости и вязкости), разности температур чувствительного элемента и газа, а также от конфигурации преобразователя. Охлаждение чувствительного элемента потоком газа приводит к уменьшению его температуры, изменению электрического сопротивления и Джоулева тепловыделения. Измеряя падение напряжения на ЧЭ и ток в его цепи, можно, при известных физических свойствах материала чувствительного элемента и закономерностях теплообмена, определить локальную скорость потока.

Термоанемометрический метод обладает рядом достоинств: высокая чувствительность обеспечивает возможность измерения в широком диапазоне скоростей потоков; миниатюрные размеры чувствительного элемента обеспечивают возможность измерения быстро изменяющихся локальных скоростей; независимость показаний от плотности газа (измеряется массовая скорость); наличие электрического выходного сигнала с уровнем, не требующем дополнительного усиления; измерительные схемы ПИП предельно просты; дистанционное измерение осуществляется сравнительно просто.

К числу недостатков метода относятся: необходимость индивидуальной градуировки каждого ПИП, обусловленная невозможностью изготовления идентичных преобразователей по электрическим и конструктивным параметрам; нестабильность градуировочной характеристики, обусловленная структурными изменениями материала чувствительного элемента, вызываемыми нагревом, динамическими нагрузками, загрязнением; существенная температурная зависимость показаний термоанемометра, обуславливающая необходимость выполнения градуировки при различных температурах газа.

Режимы работы ТА. В зависимости от теплового режима ЧЭ различают термоанемометры постоянного тока и постоянной температуры. Значительно лучшими динамическими и статическими характеристиками обладают термоанемометры постоянной температуры. Они выполняются по замкнутой измерительной схеме (рис.1) и работают по компенсационному принципу. Разогретый терморезистор Rw составляет с постоянными резисторами R1-R3 мостовую схему. Согласно закону Джоуля-Ленца тепловая мощность Ф1, выделяемая чувствительным элементом в единицу времени, определяется выражением

где I – ток через нить термоанемометра.

В установившемся режиме работы термоанемометра преобразуемая в тепло мощность Ф1 будет равна рассеиваемой в потоке мощности Ф2 :

При этом за счет поддержания определенной величины тока I0 мостовая схема находится в состоянии, близком к балансному, а сигнал рассогласования ? на измерительной диагонали оказывается весьма малым. Изменение массовой скорости ?? потока вызывает изменение теплоотдачи Ф1, а также температуры Tw, сопротивления Rw и сигнала рассогласования ?. Изменение ? через усилитель управляет величиной выделяемой на нити электрической мощности Ф2 путем изменения тока I0 питания моста. Ток I1, проходящий по нити, изменяется до тех пор, пока не наступит баланс мощностей Ф2 и Ф1 а величины сопротивления Rw и температуры Tw нити окажутся достаточно близкими к прежним значениям, при которых сигнал ? станет весьма незначительным.

Рисунок 1- Схема компенсационного принципа.

Таким образом, температура нити Tw будет поддерживаться в известной степени постоянной. Выходным параметром схемы является общий ток I0 или напряжение питания моста Е, однозначно связанные с током I1. Типовой вид семейства градуировочных кривых термоанемометра при разных температурах газа Тg приведен на рис.2. Отметим, что с изменением температуры потока происходит вертикальное смещение градуировочной характеристики, поэтому при измерениях в неизотермических потоках необходимо осуществлять температурную компенсацию показаний ТА.

Рисунок 2 - Семейство градуировочных кривых термоанемометра

2. ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Типы чувствительных элементов ТА. Схемы, характеристики и области применения ТА различного типа в значительной степени определяются свойствами чувствительных элементов, реагирующих непосредственно на изменение газодинамических параметров. Применяют проволочные, пленочные и полупроводниковые ЧЭ. На рис.3 приведены конструкции проволочных преобразователей, предназначенных для измерения одной или двух компонент скорости плоского потока и его температуры. Проволочные ЧЭ весьма ненадежны из-за хрупкости проволоки, диаметр которой составляет единицы микрометров. Область их применения ограничена, главным образом, экспериментальными исследованиями динамических характеристик газовых потоков.

Рисунок 3 - Конструкции проволочных преобразователей

Гораздо более надежны пленочные преобразователи. Они состоят из тонкой пленки, выполненной из платины или никеля, нанесенной на подложку из стекла или кварца. Токоподводами являются либо платиновые электроды, помещенные внутрь подложки, либо серебряные напыленные проводники, расположенные по образующей подложки. На рис.4 приведены наиболее распространенные типы пленочных преобразователей, применяющихся при измерениях характеристик турбулентности.

Рисунок 4 - Типы пленочных преобразователей

Существенным недостатком проволочных и пленочных ЧЭ является сильная временная нестабильность градуировочной характеристики, обусловленная непосредственным контактом с газовым потоком и загрязнением, что требует постоянной тщательной их градуировки.

3. ПРИНЦИП РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ И ТЕПЛООБМЕНА.

Рассмотрим общий вид градуировочной зависимости ТА, устанавливающей связь выходного сигнала от скорости потока. Из трех видов теплообмена (теплопроводность, конвекция, тепловое излучение) основную роль в теплообмене чувствительного элемента с потоком газа играют конвекция и теплопроводность арматуры крепления. Очевидно, что конвективная теплопередача является полезной, в то время как теплопроводность арматуры крепления – сопутствующей, ухудшающей метрологические характеристики первичного преобразователя. Конвективный теплообмен зависит от природы возникновения и режима потока, рода и физических свойств рабочей среды, формы и размера тела. Интенсивность конвективного теплообмена характеризуется коэффициентом теплоотдачи ?, который определяется по формуле Ньютона-Рихмана

Согласно этому закону тепловой поток W пропорционален поверхности теплообмена S и разности температур поверхности и газа (Tf – Tg). Коэффициент теплоотдачи определяется как количество теплоты, отдаваемое в единицу времени единицей поверхности при разности температур между поверхностью и жидкостью, равной одному градусу:

Процессы теплоотдачи неразрывно связаны с условиями движения газа. Как известно, имеются два основных режима течения: ламинарный и турбулентный. При ламинарном режиме течение имеет спокойный, струйный характер. При турбулентном – движение неупорядоченное, вихревое. Изменение режима движения происходит при некоторой «критической» скорости, которая в каждом конкретном случае различна.

Теоретическая постановка задачи теплопроводности с вынужденной конвекцией даже при определенных ограничениях приводит к решению сложной системы совместных уравнений в частных производных относительно температуры и скорости при соответствующих граничных условиях.

Кингом впервые была поставлена и решена задача теплообмена для неограниченного цилиндра. В результате получено выражение для количества тепла Ф на единицу длины цилиндрического провода в единицу времени [28]:

где Тw, Тg – температура проволоки и газа; d – диаметр проволоки; hg – теплопроводность газа; сg – плотность и удельная теплоемкость газа; V – скорость газа.

Определяющей в термоанемометрии является зависимость числа Нуссельта от числа Рейнольдса (в критериях подобия). Представление зависимости в числах подобия позволяет результаты отдельных опытов распространять на все подобные ему процессы. Выражение (5) в безразмерном виде записывается следующим образом:

где Nu, Re – соответственно числа Нуссельта и Рейнольдса; А и В – безразмерные коэффициенты.

Число Нуссельта характеризует интенсивность конвективного теплообмена:

где a – коэффициент теплоотдачи, r – характерный геометрический размер, Hg – коэффициент теплопроводности газа.

Число Рейнольдса определяет гидромеханическое подобие течений теплоносителей:

где p, v, fg – соответственно плотность, скорость и вязкость газа; d – диаметр чувствительного элемента.

Обилие критериальных соотношений обусловлено наличием большого числа конструкций преобразователей, различным качеством эксперимента и различными методиками обработки данных. Однако все они, в итоге, сводятся к общепринятому для проволочных и пленочных ТА выражению вида

Распишем число Нуссельта, получим

4. МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ПО СКОРОСТИ В ОДНОЙ ТОЧКЕ ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ ТРУБОПРОВОДА.

ГОСТ 8.361-79 устанавливает правила измерения расхода для труб диаметром от 300 мм путем определения скорости потока в характерных точках.

Существуют 3 способа измерения расхода по скорости в одной точке поперечного сечения:

1. Способ непосредственного измерения средней скорости в месте ее существования.

2. Способ измерения максимальной скорости вдоль оси круглой трубы с последующим определением по ней средней скорости.

3. Способ измерения местной скорости в произвольной точке сечения, в которой известно соотношение местной и средней скорости.

При выполнении измерений должны быть соблюдены следующие условия:

– поток в трубопроводе должен быть сформировавшимся и турбулентным, а движение – установившимся;

– площадь измерительного сечения в течение всего периода измерений должна оставаться постоянной;

– на стенках трубы не должно быть отложений и наростов измеряемой среды или продуктов коррозии;

– измеряемая среда должна быть однофазной или по своим физическим свойствам близка к однофазной;

– при измерении расхода число Маха не должно превышать 0,25.

При определении расхода данным методом необходимо измерить первичным преобразователем местную скорость в одной точке поперечного сечения трубы и площадь данного поперечного сечения. Расход Q, м3/с определяют по формуле

где Кv – отношение средней скорости потока в данном сечении к скорости потока в точке измерения;

v – местная скорость потока, м/с;

S – площадь поперечного сечения трубы, м2.

При измерении скорости потока на оси трубы значение коэффициента К зависит от гидравлических характеристик труб (шероховатости поверхности, числа Рейнольдса – Re) и его необходимо предварительно определять экспериментально для каждого измерительного сечения.

При измерении в точках средней скорости коэффициент К? остается постоянным и равным единице во всем диапазоне турбулентного течения. Точки средней скорости при развитом турбулентном течении измеряемой среды расположены на расстоянии (0,242?0,013)r от внутренней поверхности стенки трубы, где r – внутренний радиус трубы в измерительном сечении (рис.5).

5. АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ГАЗА.

Основываясь на собранном материале можно сделать вывод, что основным недостатком термоанемометров построенных по классическим схемам (термоанемометр постоянного тока, термоанемометр постоянной температуры) является сильная зависимость показаний прибора от температуры контролируемой среды. Поэтому градуировка этих приборов выполняется при различных температурах, а, следовательно, представляет собой трудоемкий процесс и связана с большими временными затратами.

Перспективными в этом отношении являются ТА с, так называемым, нестационарным режимом разогрева термочувствительного элемента (ТЧЭ). Их принцип действия основан на зависимости постоянной времени ТЧЭ от скорости потока газа (жидкости). По некоторым данным эта зависимость является очень слабой функцией температуры. Однако метод измерений скорости газа, основанный на зависимости ТПВ ЧЭ от скорости потока газа пока не нашел широкого распространения вследствие сложности его аппаратной реализации. В настоящее время благодаря успехам в развитии микроэлектроники и микропроцессорной техники реализация данного метода измерений стала реальной и доступной.

Рассмотрим некоторые варианты построения ТА нестационарным режимом разогрева ТЧА на основе термоанемометра постоянной температуры. Структурная схема измерителя представлена на рисунке 5. Измеритель работает в двух режимах: режиме больших токов (режим термоанемометра постоянной температуры) и режиме малого тока (режим термометра). Для переключения режимов используется блок коммутации режимов. Режим термоанемометра используется для разогрева ЧЭ до заданной температуры, режим термометра – для измерения текущей температуры ЧЭ. Способ измерения ТПВ заключается в реализации следующих действий (рис.6):

1) ИТА переводится в режим термоанемометра постоянной температуры и ЧЭ разогревается до заданной температуры Tw;

2) ИТА переключается в режим термометра и снимается переходная характеристика остывания ЧЭ; выполняется комплексная микропроцессорная обработка полученных результатов с целью определения ТПВ ЧЭ.

Рисунок 5 - Структурная схема ТА.

* Анимация выполнена в Photoshop 7.0, колличество кадров - 4.

Рисунок 6 - Диаграммы, поясняющие работу ТА .

Варианты построения аналоговой части ТА, включающей в себя термоанемометр постоянной температуры, термометр и блок коммутации режимов, представлены на рисунках 7 и 8. Первый вариант отличается простотой реализации т.к. содержит только один операционный усилитель (ОУ), а для коммутации режимов термоанемометр/термометр используется единственный ключ S1.

Рисунок 7 - Аналоговая часть ИТА на базе мостовой схемы термоанемометра постоянной температуры

Рисунок 8 - Усовершенствованная аналоговая часть ИТА на двух операционных усилителях

В СКТБ «Турбулентность» был изготовлен опытный образец ИТА с аналоговой частью построенной по схеме рис.8. Для коммутации режимов термоанемометр/термометр использован коммутатор аналоговых сигналов КР590КН4 .В роли ЧЭ использован миниатюрный термистор фирмы Epcos в стеклянной оболочке. На рис.9 представлены градуировочные зависимости ИТА полученные экспериментально на воздухе в аэродинамическом стенде АДС200/250 в диапазоне скоростей от 1 до 15 м/с при температурах 20 ?С и 45 ?С. Результаты экспериментальных исследований хорошо сочетаются с результатами мат. моделирования и подтверждают, что ТПВ ЧЭ слабо зависит от температуры газа.

Рисунок 9 - Экспериментальные градуировочные характеристики опытного ИТА

Как выяснилось, данная схема не обладает достаточной помехозащищенностью, что приводит к скачкам градуировочной характеристики на начальном этапе.

Использованные источники:

1. Ярин Л.П. и др. Термоанемометрия газовых потоков/ Л.П.Ярин, А.Л.Генкин, В.И.Кукес. – Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1983, – 198 с., ил.

2. Брэдшоу П. Введение в турбулентность и ее измерение. Пер. с англ. – М.: Мир, 1974. – 278 с.        

3. Ференец В.А. Полупроводниковые струйные термоанемометры. – М., "Энергия", 1972, – 112 с., ил.        

4. Зори А.А, Коренев В.Д., Хламов М.Г. Методы, средства, системы измерения и контроля параметров водных сред. – Донецк: РИА ДонГТУ, 2000. – 338 с.: ил.

5. Средства измерения расхода и количества – Общие сведения о различных типах расходомеров
Кратко изложены принцыпы построения самых разнообразных видов устройств измерения массы и расхода газов и жидкостей, а также счетчиков штучных изделий

6. ГОСТ 12.3.018-79 – Системы вентиляционные. Методы аэродинамических испытаний
Приведен метод выбора точек измерения, приведены требования к аппаратуре, описан порядок подготовки, проведения испытания и обработки результатов.

P.S. СПАСИБО, ЧТО ПОСЕТИЛИ МОЮ СТРАНИЧКУ, УДАЧНОГО ВАМ ДНЯ!!!