Седалищев В.Н. Методы и средства измерений неэлектрических величин
Подождите немного. Документ загружается.
В вихревом методе с закрученным потоком измерения расхода
контролируемого потока создаются вращательные завихрения,
перемещающиеся в направлении его движения и воспринимаемые
преобразователем, конструкция которого выполнена без каких-либо
подвижных частей. При этом вращающийся поток создается установленными
на входе расходомера направляющими пластинками и распространяется по
конусу в направлении движения потока. Встроенный
в стенку расходомера
тензорезистор выдает импульсы, частота которых пропорциональна скорости
потока, которые поступают затем в электронный блок. На выходе
расходомера устанавливается струевыпрямитель, устраняющий вращение
потока.
Для измерения скорости потоков газообразных и жидких сред
используются также измерители расхода с качающимся элементом.
Качание тела при движении среды возникает вследствие того, что случайные
возмущения выводят подвижный элемент из состояния покоя. Возмущающие
усилия возникают вследствие турбулентности потока. Частота колебаний
подвижного элемента пропорциональна скорости потока. Амплитуда
колебаний тела остается постоянной вследствие уравнивания сил трения,
инерции и возмущающего усилия.
Рис. 8.6 Измеритель расхода с качающимся элементом.
Пневматические методы основаны на обтекании потоком тел
специальной формы. В различных точках поверхности тела возникают
перепады давления.
Для высокоскоростных потоков (разреженных газов) применяют также
метод местной ионизации газа при помощи импульсных электронных
пучков, метод искрового разряда для визуализации поля скоростей. При
этом, если
интервалы времени между разрядами меньше времени
деионизации газа, то возникает последовательность светящихся плазменных
нитей.
Для измерения скорости потока используют также датчики
ионизирующего излучения.
Рис.8.21 Схема ионизационного расходомера с а-излучателем:
1 — электрод-приемник; 2 — электрод-излучатель.
Ядерно-магнитный метод измерения расхода. Атомное ядро, как
волчок, обладает собственным магнитным моментом, направленным вдоль
оси его вращения. При наличии внешнего постоянного магнитного поля ядра
совершают прецессионное движение, причем одинаковые ядра обладают
равными частотами прецессии, величина которых пропорциональна
напряженности магнитного поля. При наложении на постоянное магнитное
поле перпендикулярно направленного
переменного магнитного поля, частота
которого равна резонансной ядерной частоте, картина меняется.
Прецессионное движение ядер синхронизируется до полного совпадения фаз.
При этом процесс синхронизации требует определенных энергетических
затрат, которые могут быть обнаружены по возрастанию тока в цепи.
Величина энергетических затрат зависит от расхода контролируемой среды
и, таким образом, служит его мерой.
Теплосчетчики
Предназначены для измерения и регистрации переданной источником или
полученной потребителем тепловой энергии, количества теплоносителя и
других параметров теплоносителя в открытых и закрытых водяных системах
теплоснабжения при учетно-расчетных операциях. Область применения -
предприятия тепловых сетей, тепловые пункты, потребители тепловой
энергии.
Используют для измерения, вычисления, хранения и отображения
параметров теплоносителя (расхода, объема, массы, температуры,
давления), времени работы и количества теплоты в водяных системах
теплопотребления потребителей и производителей тепловой энергии,
передачу указанной информации с целью отображения и регистрации
этой информации в составе систем (узлов) коммерческого или
внутрихозяйственного (технологического) учета.
Теплосчетчики состоят из
:
• преобразователя расхода теплоносителя;
• вычислительного блока;
• термодатчиков.
Предусмотрена возможность подключения датчиков давления.
Теплосчетчик следует выбирать в соответствии с расчетным расходом
теплоносителя, диаметром теплотрассы, давлением, чистоты, химического
состава и температуры теплоносителя.
Тепловые вычислители предназначены для измерения и учета
тепловой энергии и количества теплоносителя в закрытых и открытых
водяных
системах теплоснабжения, для работы в составе
теплосчетчиков; область применения: коммерческий учет тепловой
энергии и теплоносителя.
Как правило, преобразователи и вычислители выпускаются разными
производителями. Для того, чтобы можно было применять эти устройства
совместно, они должны быть сертифицированы в составе одного
теплосчетчика. В результате на рынке представлено множество моделей
и
модификаций теплосчетчиков, являющихся, по сути, различными
комбинациями одних и тех же вычислителей и преобразователей. Такой
подход вполне оправдан и хорош тем, что позволяет выбирать оптимальный
комплект оборудования для каждой конкретной задачи организации учета
тепла.
Измерение расхода газа
Для измерения расхода газа используются:
• счетчики расхода газа;
• измерительные
комплексы учета расхода газа.
Используют в основном несколько типов счётчиков газа:
• вихревые;
• турбинные,
• ротационные,
• ультразвуковые,
• диафрагменные.
Измерительные комплексы учёта расхода газа предназначены для
коммерческого учета расхода природного и других неагрессивных газов.
Имеют коррекцию по температуре и давлению.
Измерительный комплекс состоит из серийно выпускаемых средств
измерений, внесенных в Госреестр РФ и объединенных в средство
измерений, отвечающее единым требованиям.
Счетчики газа
предназначены для измерения объема плавно меняющихся
потоков очищенных неагрессивных одно- и многокомпонентных газов
(природный газ, воздух, азот, аргон и др.) при использовании их в установках
промышленных и коммунальных предприятий и для учета при коммерческих
операциях.
Счетчик расхода газа
Ротаметр
Датчики расхода
газа и пара
Вычислители и корректоры
9. Методы и средства измерения плотности сред
Для газов используют понятие относительной плотности по отношению
плотности стандартного вещества при определенных условиях. Измерение
плотности выполняют для определения концентрации смесей, массовых
расходов и др.
Наиболее широко применяют следующие методы измерения плотности:
• для твердых тел – весовой, ареометрический;
• для жидкостей – весовой, ареометрический, гидростатический,
радиоизотопный;
• для газов – весовой, метод
истечения (динамический).
Измерение плотности выполняют в целях определения концентрации
двухкомпонентных смесей, а также для непосредственного определения
массы или массовых расходов. При этом независимо определяют объемный
расход и плотность контролируемого вещества, и с помощью
вычислительных устройств непрерывно определяют массовый расход.
Измерение плотности является одним из методов, позволяющих
непосредственно в процессе
производства определять такие свойства
жидкостей, как концентрация кислот и щелочей, состав пульп и т. п.
Для измерения плотности жидкостей чаще всего применяют буйковые,
весовые, гидростатические и радиоизотопные плотномеры.
Принцип действия буйковых плотномеров аналогичен принципу действия
буйковых уровнемеров. Здесь также применяется неподвижный буек,
передающий выталкивающее его усилие на рычаг промежуточного
преобразователя
. В отличие от буйкового уровнемера, здесь буек всегда
полностью погружен в измеряемую жидкость и поэтому ее объем,
вытесненный буйком, постоянный. Поэтому сила в соответствии с законом
Архимеда будет изменяться только в зависимости от плотности жидкости.
В зависимости от типа промежуточного преобразователя плотномер
может иметь электрический или пневматический унифицированный
выходной сигнал
.
В весовых плотномерах непрерывно взвешивается постоянный объем
жидкости. В таких плотномерах жидкость протекает по петлеобразному
участку трубы, соединенному с основным трубопроводом гибкими
соединениями (сильфонами). Вес трубы с жидкостью пропорционален
плотности протекающей по петле жидкости. Измерение веса петли
производится преобразователем (электрическим или пневматическим),
к рычагу которого подвешена труба.
Действие гидростатического плотномера основано на том, что давление,
создаваемое столбом жидкости постоянной высоты, пропорционально
ее плотности. Для измерения плотности нет необходимости поддерживать
постоянный уровень измеряемой
жидкости в емкости. Достаточно применить
в качестве измерительного устройства дифманометр. При таком включении
он измеряет разность давлений, создаваемых двумя столбами жидкости.
Ясно, что при любом уровне в емкости разность столбов жидкости постоянна
и перепад давлений будет зависеть только от плотности жидкости.
Применение в гидростатических плотномерах в качестве
измерительного устройства дифманометра
позволяет использовать
их в емкостях с избыточным давлением, поскольку оно оказывает
одинаковое воздействие на обе камеры дифманометра — плюсовую
и минусовую и не влияет на результат измерения.
Радиоизотопные плотномеры, в отличие от рассмотренных выше,
позволяют измерять плотность неконтактным способом. Их действие
основано на ослаблении радиоактивного излучения с повышением плотности
измеряемой жидкости.
В состав радиоизотопного плотномера входят источник и приемник у —
излучения, выходной сигнал которого подается на автоматический
потенциометр. Интенсивность излучения, воспринимаемая приемником,
зависит от плотности протекающей по трубопроводу жидкости: чем больше
плотность, тем сильнее поглощение у излучения и тем меньше сигнал
на входе приемника. На величину этого сигнала будут влиять также
толщина
стенок трубы, состав жидкости и другие факторы, уменьшающие излучение
источника. Так как влияние этих факторов стабильно, оно учитывается путем
введения в показания поправки, полученной при градуировке прибора.
9.1 Методы измерения плотности твердых тел
При реализации весового метода определяют объем тела (вычисляют или
погружают в жидкость). Данный способ используют при
определении
плотности мелкораздробленных веществ. При этом вместо воды, плохо
смачивающей поверхность и растворяющей многие вещества, используют
спирт, бензол, толуол. Измерение объема вытесненной жидкости заменяют
измерением ее взвешиванием.
Используют метод, основанный на измерении выталкивающей силы.
Метод предусматривает последовательное взвешивание исследуемого тела в
воздухе и при его погружении в жидкость. Истинное значение
массы тела
определяют путем вычитания веса нити подвески с учетом выталкивающей
силы нити.
Метод уравнивания веса и подъемной силы используют при определении
плотности мелкозернистых и порошковых веществ, помещая их в химически
не взаимодействующую с ними жидкость. Путем изменения плотности
жидкости доводят ее плотность до состояния равновесия с телом,
погруженным в жидкость.
При определении плотности жидких сред весовым методом применяют
мерные колбы (пикнометры), мерные
цилиндры и т.п. Пустую и
заполненную контролируемой жидкостью емкости взвешивают на
прецизионных весах. Для измерения плотности веществ, находящихся под
давлением, например, аэрозолей, используют герметичные пикнометры.
Ареометрический метод измерения плотности жидких и твердых веществ
основан на взвешивании тела известного объема в воздухе, а затем в
исследуемой жидкости. Разность веса, численно
равная весу вытесненной
жидкости, разделенная на объем вытесненной жидкости соответствует
измеряемой плотности вещества.
Для экспрессного определения плотности применяют ареометры,
представляющие собой заполненную грузом ампулу с тонкой удлиненной
верхней частью, градуированной в единицах плотности. Отсчет плотности
или концентрации раствора в процентах производится по делению, до
которого ареометр погружают в контролируемую среду
:
ρρ
⋅
−
=⇒
−
= )(
21
21
PP
S
h
V
ÐÐ
.
На рисунке представлены средства измерения из стекла, предназначенные
для непосредственных измерений физических величин и имеющие
нормированные метрологические характеристики: мерная посуда для
измерения объема жидкостей; термометры для измерения температуры
жидкостей и газов; ареометры и пикнометры для определения плотности
жидкостей и газов; вискозиметры для измерения вязкости жидкостей.
Для измерения объемов жидкостей используется мерная посуда,
представляющая собой сосуды с метками, указывающими их вместимость.
К мерной посуде относятся бюретки, пипетки, мерные колбы, цилиндры,
мензурки и
градуированные пробирки.
Ареометры предназначены для измерения плотности, относительной
плотности и концентрации веществ в двухкомпонентных растворах
различных жидкостей в диапазоне от 600 до 1840 кг/м3.
Вискозиметры - средства измерения, предназначенные для определения
вязкости. Принцип действия капиллярных вискозиметров основан на законе
Пуазейля, в соответствии с которым измеряется время протекания известного
объема жидкости через
капилляр при заданном перепаде давления.
Термометры предназначены для измерения температуры посредством
контакта с исследуемой средой. Принцип действия термометров может быть
основан на таких физических свойствах, как тепловое расширение
жидкостей, газов и твердых тел; на температурной зависимости давления
газа или насыщенных паров, электрического сопротивления и т. д. В
зависимости от назначения
жидкостные термометры наполняются
различными термометрическими жидкостями или ртутью.
9.2 Непрерывные методы и средства измерения плотности жидких сред
При измерении плотности жидкости широко применяют весовые
методы, основанные на взвешивании участка трубопровода с исследуемой
жидкостью, метод гидростатического давления и барботажный метод,
метод поплавка, вибрационный и радиоизотопный метод. Широко
применяют также и
ареометрический метод.
Рис. 9.2 Плотномер с использованием весоизмерительного устройства: 1, 2 –
спиральная и подводящая трубки, 3 – отводящая трубка.
Непрерывные методы измерения плотности основаны на взвешивании
протекающей через емкость постоянного объема контролируемой среды.
При этом должна обеспечиваться подвижность мерной емкости. Для этой
цели могут применяться гибкие гофрированные шланги (сильфоны),
обеспечивающие подвижность измерительного участка в вертикальном
направлении. Для повышения точности используют принцип силовой
компенсации измеряемого веса жидкости.
Рис. 9.1 Измерение плотности жидкости взвешиванием подвижного участка
трубопровода: 1 – контролируемая среда, 2 – эталонная жидкость для
компенсации веса измерительной системы, 3 – эластичное соединение с
трубопроводом, 4 – дифференциально-трансформаторный преобразователь,
5 – плунжер, 6 – обмотка, 7 – трубопровод.
Гидростатические методы основаны на использовании зависимости
между плотностью жидкости и ее гидростатическим давлением на
определенной глубине. При постоянной высоте столба жидкости ее
гидростатическое давление служит мерой плотности среды. Давление столба
жидкости измеряют с помощью непрерывного барботажа через нее не
взаимодействующего с ней газа, давление которого пропорционально
давлению столба жидкости.
На рисунке показана схема дифференциального гидростатического
плотномера. Исследуемая жидкость непрерывно протекает через сосуд 1, в
котором поддерживается постоянный уровень. Сосуд 2 заполнен до
постоянной отметки
эталонной жидкостью с известной плотностью. При
известных глубине погружения трубки и плотности эталонной жидкости
показания дифманометра служат мерой плотности исследуемой жидкости.
Рис. 9.3 Измерение плотности барботажным методом.
В устройствах, в качестве чувствительного элемента которых используется
поплавок определенной формы и постоянного веса, мерой плотности служит
глубина его погружения в контролируемую среду. Такое устройство состоит
из измерительного стакана с помещенным в него металлическим поплавком.
Контролируемая среда подается и отводится через штуцеры с дросселями,
ограничивающими скорость поступления жидкости в емкость.
Специальные
экраны в емкости исключают возможность появления завихрений потока
жидкости. Изменение плотности жидкости обусловливает изменение высоты
подъема поплавка и перемещение соединенного с ним плунжера
дифференциально-трансформаторного преобразователя.