Массовый расходомер воздуха

Радиоактивные излучения модулируются с постоянной частотой модулятором 3, выполненным в виде вращающегося диска с прорезью. Радиоактивные излучения от источника 2 периодически прерываются и ионизируют поток газа, протекающего по трубопроводу , в моменты, когда мимо источника излучений проходит щель модулятора. Скорость газового потока определяется по величине промежутков времени между моментами подачи излучений в поток и моментами прохождения ионного облака 4 мимо Рис  1.13 Ионизационный расходомер с модуляцией радиоактивных излучений.

электродов 5, выражающимися  импульсами тока, протекающего между  электродами. Эти импульсы, усиленные электронным усилителем 6, подаются на электронное устройство, состоящее из блоков 7, 8, 9 для измерения промежутков времени между импульсами, где время перемещения ионного облака от модулятора до электродов преобразуется в пропорциональное напряжение постоянного тока, которое через выходной каскад 10 подается на регистрирующий прибор.

 

Тепловые расходомеры

Термоанемометры

Термоанемометрами называются приборы, принцип действия которых основан на зависимости между количеством тепла, отдаваемым каким-либо нагретым телом, помещенным в поток воздуха или газа, и скоростью потока, в котором это тело находится.

Эти приборы обычно применяются  для измерения скорости, но если известно отношение скорости в месте  установки приемника термоанемометра  к средней скорости потока, они  могут применяться и для измерения  расхода.

Приемник термоанемометра (термонить) обычно выполняется из платиновой проволоки диаметром 0,005—0,3 мм и длиной 3— 10 мм, нагреваемой электрическим током. Оптимальные размеры приемника выбираются из следующих противоречивых соображений. При уменьшении диаметра проволоки уменьшается ее механическая прочность и увеличивается опасность старения. При увеличении диаметра нити увеличивается инерционность приемника и требуется больший ток для ее нагрева. Компромиссное решение определяется характером задачи измерения.

Температура термонити должна быть по возможности высокой; так как при этом повышается чувствительность приемника и уменьшается влияние колебаний температуры потока. Однако значительное повышение температуры проволоки может вызвать изменение структуры металла и тем самым градуировочных кривых. Поэтому температура нагрева нити обычно лежит в интервале 400—500° С.

В случае тонкой нити, длина  которой велика по сравнению с  диаметром, количество передаваемого  потоку тепла зависит от геометрических и физических свойств нити, физических свойств среды, характера обтекания, скорости потока и разности температур нити и среды. Для нашего случая это количество тепла выражается следующим уравнением, из которого может быть определена скорость потока:

                                                                   (1.16)

где ;

 – количество  тепла, отдаваемое нагретой нитью  потоку в единицу времени;

 – температура  нити и среды соответственно;

 – теплопроводность  среды;

 – плотность среды;

 – теплоемкость  среды при постоянном объеме;

 – сопротивление нити  при ;

 – ток в нити.

Здесь количество тепла, образовавшегося  в нити термоанемометра, приравнивается тепловым потерям (количеством тепла, аккумулированным в нити при медленно меняющемся процессе, можно пренебречь и считать процесс квазиравновесным).

Рассматривая уравнение (1.16) можно отметить принципиально различные методы измерения скорости при помощи термоанемометра. В одном случае ток, нагревающий нить, поддерживается постоянным, и измерение скорости потока осуществляется по изменению температуры нити, обусловленному влиянием потока. В другом случае ток нагрева нити регулируется таким образом, чтобы выделяющееся количество тепла обеспечивало постоянную температуру нити. Во всех этих случаях нить практически находится в промежуточном состоянии, когда ее температура и ток нагрева меняются. Поэтому изменение одного из этих параметров обычно стараются свести к минимуму, а его влияние учитывают в виде поправки.

Рис 1.14 Принципиальная схема термоанемометра с неизменным током нагрева нити.

Рассмотрим в качестве примера  измерительную  схему с постоянной силой тока, показанную на рис. 1.14. При изменении скорости потока будут изменяться как ток, так и сопротивление нити. Для устранения одной из переменных необходимо сконструировать такую цепь питания, чтобы ток, нагревающий нить, был практически постоянным, независимо от сопротивления нити. Этого можно добиться введением в цепь питания дополнительного большого сопротивления R, тогда скорость потока может быть определена по разности потенциалов на концах нити, по температуре потока и по характеристике материала нити. На рассматриваемой схеме термонить 1 укреплена в специальном патроне 9, для измерения температуры потока служит термопара 2. Измеряемая разность потенциалов, усиленная в усилителе У, передается на регистрирующий прибор РП.

Рис 1.15 Термоанемометр с использованием термистора в качестве чувствительного элемента.

В термоанемометрах для измерения  температуры могут быть применены самые различные термоприемники. На рис. 1.15 показан термоанемометр с термистором 3, помещенным в тонкостенный стеклянный баллон 5, снаружи которого размещен подогреватель 2. Все устройство крепится в металлическом патроне 4 и закрывается снаружи металлической сеткой 1.

Расходомеры калориметрические

Принцип действия калориметрических расходомеров основан на измерении пропорциональности расходу тепловой энергии, отдаваемой потоку воздуха или газа нагревателем.

Ввиду того что доля тепла, отдаваемая потоком в окружающую среду, пренебрежимо мала по сравнению с количеством тепла, полученным потоком, уравнение теплового баланса запишется в следующем виде:

                                                     (1.17)

где – количество тепла, отдаваемое нагревателем воздуху или газу;

 – весовой расход  воздуха или газа;

 – удельная теплоемкость  при постоянном давлении при  ;

 – разность температур  воздуха или газа после и  до нагревателя.

Подвод тепла к потоку осуществляется с помощью электронагревателя, поэтому

                                                                                           (1.18)

Приравнивая правые части  этих уравнений, получим:

                                                                                               (1.19)

Измеряемый газ обычно нагревают на 1—3°С, поэтому даже при измерении значительных расходов потребляемая приборами мощность составляет доли киловатта.

Ультразвуковые  расходомеры

Расходомеры фазовые

Действие ультразвуковых расходомеров основано на том, что фактическая  скорость распространения ультразвука  в движущейся среде равна геометрической сумме средней скорости движения среды и собственной скорости звука в этой среде .

Принцип действия фазовых расходомеров основан на измерении сдвига фаз между ультразвуковыми колебаниями, направленными попеременно по потоку и против него. На рис. 1.16 приведена принципиальная схема такого расходомера.

Рис 1.16 Схема акустического датчика расхода.

1 – генератор акустических импульсов; 2 – излучатель;

3 и 4 – приемники; 5 – усилитель; 

6 – измеритель промежутков времени  между импульсами.

 

На патрубке, по которому протекает измеряемое вещество, расположены пьезоэлементы 2, 3 и 4. Генератор 1 ультразвуковых колебаний возбуждает пьезоэлемент 2, который является излучателем. Пьезоэлементы 3 и 4 являются приемниками ультразвуковых колебаний, прошедших через жидкость. Посылаемые излучателем сигналы приходят к приемникам со сдвигом фаз:

 

                                                                                                  (1.20)

где f – частота модулированных сигналов.

Из приведенного выражения  видно, что величина смещения фазы зависит не только от скорости среды, но также от скорости ультразвука, которая в свою очередь зависит от физических свойств протекающего вещества (температуры, плотности, наличия взвешенных частиц и пузырьков газа и т. .п.). Для устранения этого применяют выходные блоки, обеспечивающие вычитание величин, обратных фазовым сдвигам:

                                                                                           (1.21)

Ввиду того что практически  трудно обеспечить симметричность половин  измерительной схемы, обычно применяют  схемы с двумя пьезокристаллами и коммутатором, периодически меняющим их функции (излучателя и приемника). В таких схемах ультразвуковые колебания посылаются попеременно то по направлению потока, то против него. При измерении быстро меняющихся расходов применяются электронные коммутаторы, так как требуется большое число переключений в единицу времени.

Расходомеры частотные

Принцип действия этих расходомеров основан на измерении частот импульсно-модулированных ультразвуковых колебаний, направляемых одновременно по потоку и против него.

Рис 1.17 Ультразвуковой расходомер с модулированными  колебаниями

Принципиальная схема  частотного расходомера показана на рис. 1.17. От модуляторов М колебания подводятся к пьезоэлементам П₁ и П₂ (излучатели), пьезоэлементы П₃ и П₄ являются приемниками ультразвуковых колебаний, прошедших через поток измеряемого вещества.

Время распространения ультразвуковых колебаний на расстояние d от излучателей до приемников будет обратно пропорционально алгебраической сумме скорости звука в среде и составляющей скорости потока по направлению распространения ультразвука. Это время для пьезоэлементов П₁ – П₃ и П₂ – П₄ соответственно будет равно:

                                                                                                      (1.22)

                                                                                                              (1.23)

где    –   составляющая скорости потока по направлению распространения                                 ультразвука

Для создания серии высокочастотных  колебаний, имеющих периоды t₁ и t₂, используется блок-модулятор, работающий в триггерном режиме: он либо отпирается, подводя колебания к излучателям, либо запирается, прекращая подачу колебаний. Если в данный момент времени излучатель создает в потоке вещества колебания, то по истечении времени, требующегося на преодоление расстояния d, они попадают на приемник. Полученный электрический сигнал усиливается, детектируется и подается на модулятор, который забирается и остается запертым в течение всего времени, пока приемник воспринимает колебания.

После прекращения приема модулятор отпирается и вновь  пропускает колебания. Таким образом, создается периодическое повторение серии высокочастотных колебаний, равных по длительности времени прохождения ультразвука через поток вещества.

В рассматриваемой схеме  две одинаковые колебательные системы подключены к четырем пьезоэлементам-преобразователям, причем частоты их модулированных колебаний будут обратно пропорциональны соответствующим временам прохождения ультразвуковых колебаний через поток вещества. Учитывая выражения (1.22) и (1.23), эта разность частот будет равна:

                                                                                                  (1.24)

Для конкретной конструкции  прибора величины и d постоянны, поэтому

                                                                                              (1.25)

где k – конструктивная постоянная работа.

Из последнего выражения  видно, что при заданном способе  измерения исключается влияние  параметров вещества на результат измерения.    

 

 

 

 

 

 

 

 

Разработка структурной  схемы разрабатываемого устройства

Структурная схема отображает принцип работы устройства в самом  общем виде. Структурная схема устройства приведена на рис 2.1.

Рис 2.1 Структурная  схема устройства. 1 – сужающее устройство; 2 – деформационный преобразователь; 3 – тензопреобразователь; 4 – электроизмерительная схема; 5 – усилитель.

Согласно техническому  заданию в курсовой работе ведется  разработка массового расходомера  воздуха. На сужающее устройство 1 подается воздух. Перепад давления на выходе сужающего устройство подается на мембрану 2. В результате мембрана деформируется, и относительная деформация мембраны принимается тензопреобразовательным мостом 3,4. Таким образом, на выходе измерительного моста определяется разность напряжений, который будет нести информацию об измеряемом расходе. Далее эта разность напряжений подается на усилитель, для получения усиленного выходного сигнала.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Разработка функциональной схемы устройства

Массовый расход газа относится  к физическим величинам, которые  в большинстве случаев измеряются косвенным методом. В общем случае массовый и объемный расходы определяются в соответствии с зависимостями

                                                                                                         (3.1)