Теорема Котельникова

В основном используются электромагнитные способы преобразования информации - индукционные или генераторные. Принцип  их действия основан на создании пульсирующего  тока в обмотке (с помощью вращающегося вместе с турбинкой магнита или  магнитопровода), помещенной снаружи  трубы из диамагнитного материала, с последующим измерением частоты  или ЭДС. Чаще всего эти преобразователи  имеют снаружи трубы одну катушку  со вставленным внутрь ферромагнитным сердечником. Если лопасти турбинки изготовлены из ферромагнитного  материала, то, проходя мимо магнита  катушки, они индуцируют ЭДС в  ее обмотке. Частота возникающего пульсирующего  тока равна числу оборотов турбинки в секунду, умноженному на число  лопастей.

Эти расходомеры изготовляют для  труб диаметром до 750 мм, с погрешностью 0,3 - 1,5 % при расходах 0,3*10-⁵ — 0,3 м³/с.

Первичная обмотка индуктивного датчика ИД питается от генератора Г высокой частоты (6 — 8 кГц) . При вращении турбинки Т под действием потока жидкости изменяются индуктивные сопротивления вторичных обмоток, включенных встречно, и на выходе появляется напряжение и , амплитуда которого промодулирована частотой f, равной числу оборотов турбинки Т в секунду, умноженному на число лопастей. После усилителя-демодулятора УД и фильтра Ф, в котором выделяется огибающая с переменной частотой, пропорциональной частоте вращения турбинки, т. е. расходу , сигнал передается на усилитель низкой частоты УНЧ и далее на измеритель И. Здесь ω = nz, где n - число оборотов; z – число лопастей турбинки. При малых расходах (I — 50 — 10~⁶ м³/с) начинает сказываться влияние тормозного момента основного индукционного преобразователя.

 

Датчик  расхода турбинного типа.

 

ИД  — измерительный датчик; Г —  генератор; Т — турбинка; УД —  усилитель-демодулятор; Ф — фильтр; УНЧ — усилитель низкой частоты; И — измеритель.

 

Шариковые расходомеры применяются для  измерения расхода жидкости или  газа, в них подвижным элементом  является шарик, непрерывно движущийся в одной плоскости по внутренней поверхности трубы под воздействием потока.

Камерные  расходомеры имеют один или несколько подвижных элементов , которые при движении жидкости отмеривают определенный объем или массу жидкости или газа. В большинстве случаев подвижные элементы перемещаются непрерывно со скоростью, пропорциональной объему или расходу жидкости.

Погрешность в пределах от ±6,5-1 % для измерения  газов, до 1 — 1,5 %для жидкостей.

Силовые расходомеры основаны на зависимости от массового расхода эффекта силового воздействия, сообщающего потоку ускорение того или иного рода. Это ускорение возникает в процессе придания потоку какого-либо дополнительного движения (например, закручивания) с помощью двигателя. Сообщенное в этих приборах дополнительное ускорение пропорционально массовому расходу.

Главное достоинство: возможность измерения  пульсирующих расходов и двухфазных сред (нефтегазовых смесей).

Недостаток  — сложность конструкции (много  подвижных элементов, установленных  в трубопроводе). Приведенная погрешность 0,5 — 3 %,максимальный расход жидкости 6 - 300 Т/ч, при диаметре трубопровода50 - 200 мм.

Вихревые  расходомеры основаны на измерении частоты колебаний, возникающих в потоке в процессе вихреобразования. Вихри образуются периодически при обтекании потоком какого-либо тела и при этом образуются пульсации давления. При выходе потока из суженной части в расширенную ось потока начинает процессировать и при этом создаются пульсации давления. Частота пульсаций ω=kv/d, где k — коэффициент пропорциональности; v — скорость потока; d — диаметр обтекаемого тела.

В другом варианте реализации прибора  поток закручивается тем или  иным способом, приобретая вращательно-поступательное движение. Для восприятия колебаний  потока в трубопроводе размещен преобразователь  давления, обычно пьезоэлектрического  типа.

 

1,3 — Патрубок

2,4 — Камера

 

Здесь поток тангенциально выводится  через патрубок 1 с диаметром d    в камеру 2 с диаметром D и, вращаясь, перемещается в направлении к выходному патрубку 3 с диаметром d, находящемуся на торцовой стенке камеры 4. Оттуда вращающийся поток выходит в расширяющуюся камеру 4, заполненную той же средой. Основное достоинство этого варианта - отсутствие в конструкции движущихся элементов.

Основные  характеристики расход жидкости от 10 до 250 т/ч, погрешность порядка 0,5 — 2,0 %.

Тепловые  расходомеры основаны на измерении зависящего от расхода эффекта теплового воздействия (нагрева или реже охлаждения) на поток или на тело, контактирующее с потоком.

Эти приборы применяются для измерения  скорости и расхода газов до нескольких тысяч м³/ч. В последнее время нагревательные элементы стали располагать вне трубопровода.

По  принципу действия тепловые расходомеры  подразделяют на калориметрические, в  которых значение расхода измеряют по изменению температуры потока, и на термоанемометрические, в которых  значение расхода измеряют по изменению  температуры подогреваемого тела, помещенного  в поток. В обоих случаях измеряют температуру при постоянной подводимой мощности либо измеряют мощность нагрева  при постоянной температуре.

 

Калометрический расходомер.

 

ТС1, ТС2 — термосопротивления

 

Электромагнитный  расходомер.

 

1,4 — Полюсные наконечники 
2 — Трубопровод

3,5 — Электроды

 

  Прибор имеет нагреватель с  током / и два термометра сопротивления  ТС1 и ТС2, расположенные снаружи трубы, включенные в мостовую измерительную цепь и осуществляющие измерение температуры газа до и после нагревателя. Показания обоих термометров одинаковы при отсутствии потока, поэтому U_вых=0.

При наличии потока, если поддерживать постоянную разность температур,  затраченная  мощность  нагрева окажется пропорциональной массовому расходу.

У тепловых расходомеров погрешность  не превышает 1 — 2 % и они обеспечивают измерение малых расходов в несколько  тысяч м³/ч.

Электромагнитные  расходомеры предназначены для измерения расхода электропроводящих жидкостей в участках труб из немагнитного материала. Основной их недостаток — большая инерционность.

Принцип действия электромагнитных расходомеров основан на взаимодействии жидкости с магнитным полем.

Зависимость разности потенциалов, возникающих  на электродах, имеет вид Е = Bdv, где В — индукция; d - внутренний диаметр трубы;v — скорость движения жидкости в трубе. Значение ЭДС обычно не превышает 10 мВ. Для компенсации дополнительной ЭДС от наличия внешних магнитных полей в схему включена компенсационная катушка встречно с основной.

Между полюсами 1-4 постоянного магнита расположен участок 2 трубопровода из немагнитного материала. При движении потока на электродах 3-5, изолированных от трубопровода 2, возникает ЭДС в соответствии с приведенным выше выражением.

 

Измерение усилий, механических напряжений

и давлений.

Существует  два подхода:

1)используются  такие преобразователи, естественная  входная величина которых соответствует  измеряемой величине (силе, давлению, механическому напряжению)

2) применяются упругие элементы, преобразующие  измеряемое усилие или давление  в перемещение (обычно доли  мкм) и затем используются преобразователи,  воспринимающие малые перемещения  .

При измерении усилий, деформаций и механических напряжений в основном используются тензорезисторы, струнные или индуктивные  тензометры. Проволочные, фольговые  или пленочные тензорезисторы применяются  для измерения относительных  деформаций в пределах от 0,005 —0,02 до 1,5 — 2,0 %, полупроводниковые тензорезисторы — до 0,1 % и некоторые типы тензорезисторов (эластичные с электролитами) до 6 —10 и 30-50%.

Тензометры  и тензорезисторы являются наиболее безынерционнымии применяются для  измерения в процессах, изменяющихся с частотой до100 кГц.

Струнные  тензометры применяются для измерения  деформаций от 0,1 до 5 %. При измерении линейно-напряженного состояния детали тензорезисторы наклеиваются в направлении действия этого напряжения.

При измерении тензорезисторы обычно включены в мостовые цепи, а для исключения температурной погрешности в  соседнее плечо моста включен  второй аналогичный тензометр.

 

Тензометры  обычно используются вместе с усилителем на несущей частоте.

При измерении силы обычно используются упругие элементы, конструкции которых  рассчитаны на нагрузки от 1 до 500 кН и  имеют высокую чувствительность. Упругие элементы обычно работают в  сочетании емкостными преобразователями  перемещения, включенными в контур генератора частоты.

Измерители  давления строятся для использования  как в режиме прямого преобразования, так и в режиме силовой компенсации. Развитие интегральной технологии позволило  создать промышленные тензорезистивные датчики "Сапфир" для измерения  давления и перепада давления.

Питание — постоянный ток напряжением 36 ± 0,72 В.

 

Измерение тепловых величин.

В СИ температурная шкала имеет  в качестве единицы измерения  — кельвин (К), равный 1/273,16 термодинамической  температуры тройной точки воды. В науке и технике требуется измерение температур в пределах до 10¹² К, что привело к большому разнообразию применяемых методов и средств измерения. Можно указать на следующие пять областей измерения температур:

от  нуля до 10 К (сверхнизкие температуры);166

от 10 до 800 К (низкие температуры);

от 800 до 6000 К (средние температуры) ;

от 6000 до 10 000 К (высокие температуры) ;

от 10 000 до 100 000 К и выше (сверхвысокие температуры).

Сверхнизкие температуры. Эти температуры создаются с помощью жидкого гелия, и возможные методы измерения здесь также подразделяются на следующие поддиапазоны 0 — 1 К, 1 — 4 К, выше 4 К.

Для поддиапазона 0 - 1 К используются методы магнитной термометрии, основанные на взаимозависимости объемной магнитной  восприимчивости ряда парамагнитных  солей от температуры. Термометр, реализующий  этот принцип, представляет собой катушку  индуктивности, внутри которой в  однородном магнитном поле размещен образец из медно-калиевых или железоалюминиевых  квасцов. Катушка включается в мостовую цепь и под действием температуры  окружающей среды индуктивность  катушки изменяется.

Основная  особенность при измерении в  области сверхнизких температур — трудность осуществления контакта термометра с объектом измерения  и градуировки используемой аппаратуры.

Низкие  температуры. При измерении низких температур используются терморезисторы, которые часто строятся на основе металлических и   полупроводниковых   сопротивлений,   полупроводниковых   переходов.

Для низких температур достаточно точное измерение осуществляется на основе зависимости шумовых напряжений Uш резистора R от температуры θ.

По  формуле  Найквиста,

где k — постоянная Больцмана;   ∆ω — полоса воспринимаемых частот.

Практическая  реализация этого метода заключается  в сравнении шумов двух идентичных резисторов, один из которых R_Q находится при известной θ₀, а другой Rx— при неизвестной θ_x температуре. При этом сравнение шумов осуществляется либо по уровню шумов (усиленного и выпрямленного), либо по числу шумовых импульсов при более низких температурах.

Термометры  с кварцевыми резонаторами используются для измерения θ в диапазоне 10 — 500 К, но наибольшая точность обеспечивается в диапазоне 93 — 373 К (от — 80 до + 200 °С). Их принцип действия основан на зависимости  от θ модуля упругости, а следовательно, и собственной частоты кварцевых  пластин, причем

  где N - постоянная; h - толщина кварцевой пластины; а, Ъ, с— коэффициенты, зависящие от азимута и широты среза пластин кварца. Термочувствительность датчиков составляет 1000 Гц/К.

Датчик  кварцевого термометра представляет собой  кристаллический резонатор, выполненный  в виде тонкого диска или линзы, помещенных   герметизированный  кожух, заполненный для лучшей     теплопроводности гелием при давлении 0,1 мм рт. ст. (1,3*10² Па) (диаметр кожуха 7 - 10 мм).

Средние и высокие температуры. В области средних и высоких температур находят применение термоэлектрические методы с использованием жаростойких материалов (термопары).

 

 

 

Основные  характеристики термопар.

 

Обозначение термопары	Обозначение градуировки	Материалы термоэлектродов	Пределы измерения при длительном применении, °C	Верхний предел измерения при кратковременном  применнении, °C	Чувствительность, MkВ/°C
ТПП	ПП-1	Платинородий(10% родия)-платина	-20—1300	1600	1,4
ТПР	ПР-30/6	Платинородий (30% родия)-платинородий (6% родия)	300—1600	1800	10
ТХА	ХА	Хромель-алюмель	-50—1000	1300	40
ТХК	ХК	Хромель-копель	-50—600	800	80