значение, поэтому температура одного из контактов должна быть известна с высокой точностью. Для различных температурных диапазонов использую, ся разные сочетания металлов. Термоэлементы весьма надежны и недороги, имеют малую теплоемкость и способны работать в широком диапазоне температур.

Международная электротехническая комиссия (МЭК, International Electrotechnical Commission - IEC) определила некоторые стандартные типы термоэлементов (стандарт IEC 584-1). Элементы имеют индексы R, S, В, К, J, Е, Т в соответствии с диапазоном измеряемых температур.

Металлы имеют положительный температурный коэффициент сопротивленщ т. е. с увеличением температуры сопротивление проводника растет. Это свойство используется в резистивных детекторах температуры.

Пример 4.5

Резистивный детектор температуры

Резистивные детекторы температуры (resistance temperature detector -RTD) обычно выполняются из платиновой проволоки. Сопротивление является практически линейной функцией температуры Г(°С) при опорном значении Го = О °С. Отношение сопротивления R при температуре Г к сопротивлению при опорной температуре Tq можно выразить как

= \ +а-Т+Ь-Т+ ...

где а - это температурный коэффициент сопротивления иЬ - положительная или отрицательная постоянная (рис. 4.15). Для платины типичными значениями параметров являются а = 0.004 [°С"] иЬ = 0.59 • 10" [°С~].

Рис. 4.15. Температурная характеристика сопротивления резистивного детектора температуры и термистора

ществуют RTD для набора стандартных сопротивлений. Наиболее часто льзуемый тип имеет сопротивление 100 Ом при опорной температуре О °С 273 К у него есть собственное имя - Pt-lOO.

ri пики типа RTD имеют весьма низкую чувствительность, и любой ток г, пользуемый для определения изменения сопротивления, будет нагревать ик изменяя его показания на величину, пропорциональную г. Выходное сопротивление чаще всего измеряется мостовыми схемами.

Пример46

Термистор

Термистор (thermistor), т. е. температурно-зависимый резистор, изготавливается из полупроводникового материала, имеющего отрицательный температурный коэффициент и высокую чувствительность. Его сопротивление нелинейно зависит от температуры

RR.ew/T-i/To)

где Т - температура в градусах Кельвина, Rq -- сопротивление при опорной температуре Tq (обычно 298 К, т. е. 25 °С ), а 3 - постоянная (обычно 3000-5000 К). Наклон кривой R-T(piic. 4.15) соответствует температурному коэффициенту а, который, в свою очередь, является функцией температуры

J d(R/RQ) ~h

(R/Rq) dT Г2

Значение коэффициента a обычно лежит в диапазоне от -0.03 до -0.06 X при 25 °С (298 К).

Из-за конечного сопротивления термистора при протекании по нему тока выделяется тепло. Энергия, выделяемая в термисторе при 25 °С, имеет обычно порядок 0.002 мВт. При постоянной рассеяния около 1 мВт/°С температура датчика будет повышаться на 1 °С (на воздухе) на каждый милливатт рассеиваемой мощности

мистор не является точным датчиком температуры. Однако, благодаря своей чувствительности, он используется для измерений малых отклонений температуры. Это устройство довольно надежно как механически, так и электрически. Нелинейное выходное напряжение термистора должно быть преобразовано в линейную зависимость от температуры. Это можно сделать с помо- ью аналогового устройства или программным способом. Программными Циюл" можно непосредственно задать градуировочную таблицу или функ-но ° РтУК) характеристике термистора. Линейность характеристики мож-Получить, присоединив к термистору несложные электронные устройства. -PjfTopbi применяются для измерения температур вплоть до 500-600 °С.

4.4 5

• измерение расхода

есмо""* расхода (flow rate) играет жизненно важную роль в промышленности. Ря на большую потребность в качественных датчиках расхода, точность этих

Глава 4. Вход и выход физических промр. твые датчики

- 4cccoj днал21!1----

устройств до сих пор оставляет желать лучшего. Однако постоянно повышающ требования к качеству продукции во многих областях производства обусловдива необходимость прямых и точных методов измерения расхода. Иногда onpaBflg* применение даже очень дорогих датчиков.

Измерение расхода базируется на физических свойствах движущейся жидкос1 связанных либо с массой, либо с объемом. В случае однородной несжимаемой жид" сти эти два показателя связаны через плотность р

т = р V

Однако многие жидкости, применяемые в промышленности, не имеют постоянно плотности, или ее трудно определить. Примером является сырая нефть, представляю" щая собой на выходе из скважины смесь собственно нефти (которая сама по себе-сложная смесь жидких и твердых углеводородов), воды, песка, других сопутствующих веществ, растворенного воздуха и пузырьков попутного газа. Большинство методов измерения расхода основано на объемных показателях. Ниже кратко рассмотрены некоторые из них, а также методы, связанные с измерением массового расхода. Во многих случаях интерес представляет не только мгновенное значение расхода, но и общее количество жидкости, прошедшее через точку измерения (например, для расчета платежей). Измерительный прибор в этом случае называется расходомером (flowmeter).

Измерение объемного расхода

Объемный расход можно определить на основе скорости истечения потока. Связь между этими величинами однозначно определяется геометрией сечения трубы, где производится измерение, поэтому их взаимный пересчет легко выполняется с помощью калибровочной таблицы, поставляемой производителем датчика. Для измерения объемного расхода можно использовать следующие физические принципы:

- разность давлений;

- скорость вращения турбины;

- распространение ультразвука в жидкости;

- магнитную индукцию;

- интенсивность образования вихрей.

Датчики расхода, основанные на измерении разности давлений, работают в соответствии с законом Бернулли. Движущаяся в трубопроводе жидкость имеет постоянный объемный расход во всех сечениях. Даже если трубопровод имеет сужение, то массовый и объемный расход должны оставаться одинаковыми. Чтобы удовлетворить законы сохранения энергии и количества движения, в месте сужения скоростЫ статическое давление жидкости должны отличаться от остальных сечений трубопровода. В соответствии с законом Бернулли в месте сужения скорость движения жидкости увеличивается, а давление падает. По величине перепада давления Ap=Pi Pi можно рассчитать скорость жидкости. Расход пропорционален jAp; коэффициент пропорциональности зависит от геометрии сужения. Для измерения можно использовать смещение мембраны, возникающее из-за увеличения давления. Если мембрана соединена с магнитным сердечником дифференциального трансформатора, ег" выходное напряжение также будет пропорционально разности давлений и, следовательно, расходу жидкости (рис. 4.16 а).

мембраны дифференциальный " трансформатор

датчики давления

Рис. 4.16. Измерение расхода по разности давлений: а - общий подход с использованием сужения трубопровода; б - принцип трубки Вентури

В месте сужения всегда присутствуют потери на трение, которые можно уменьшить за счет выбора гидродинамически обтекаемой формы. Примером такого устройства является трубка Вентури (рис. 4.16 б), которая состоит из сужающегося и расширяющегося сопел. Такая конструкция приводит к уменьшению вихреобразова-ния при прохождении потока через наименьшее сечение и позволяет пренебречь потерями на трение. Трубки Вентури обычно используются для измерений больших расходов в открытых каналах; однако их стоимость, как правило, выше, чем стоимость обычных дифференциальных расходомеров.

Расход можно измерить турбиной со счетчиком частоты вращения, поскольку он пропорционален скорости вращения. Обычно этот принцип применяется в расходомерах, которые выдают импульс при прохождении через турбину определенного количества жидкости. Такой измеритель можно использовать только для чистых жидкостей, так как любые твердые частицы будут мешать вращению турбины.

Простой способ измерения объемного расхода основан на свойствах распространения ультразвука в жидкости. В результате ультразвукового измерения можно по-•учить среднюю скорость жидкости, которая определяется по скорости распространения ультразвуковых волн. В предположении, что эта скорость равна средней скорости движения жидкости (скорость считается средней потому, что в действительности она неравномерно распределена по сечению и меняется от точки к точке), Объемный расход получается простым умножением полученной скорости на площадь сечения трубопровода.

1ьтразвуковое измерение выполняется с помощью двух пьезоэлектрических Преобразователей, помещенных по разные стороны трубы на расстоянии (вдоль оси Рубы) по крайней мере 100 мм друг от друга; они могут работать как в режиме излу-"ия (прямом), так и в режиме отражения (рис. 4.17).

•-Уществуют два основных способа ультразвуковых измерений: один основан на Ределении времени прохождения волны через жидкость, другой - на изменении

Част,

оты.

Первый способ связан с измерением разницы во времени распространения после- вательности импульсов в жидкости (скорость звука зависит от вида жидкости; она ставляет 344 м/с в воздухе при комнатной температуре и 1483 м/с в воде). Сначала

пьезоэлектрические преобразователи (излучатели/приемники)

направление потока

пьезоэлектрический преобразователь (приемник)

отражатель

о о

Рис. 4.17. Принцип ультразвукового измерения расхода: а - прямой метод; - метод отражения

Второй способ основан на разности частот излученных и принятых импульсов Составляющая v cosa скорости жидкости влияет на длину волны ультразвуковьп импульсов (эффект Доплера), что означает, что их частота увеличивается в одном направлении и уменьшается в другом. Из разности частот можно найти среди»» скорость жидкости. Достоинство этих способов состоит в том, что результат не зависит от скорости распространения звука в конкретной жидкости и поэтому не требуется специальной градуировки устройства, поскольку измерения в разных направлс ниях компенсируют друг друга. В обоих случаях, однако, на результат измерен» влияют неоднородность жидкости, пузырьки или твердые частицы.

Другое преимущество ультразвуковых измерений состоит в том, что датчики лег ко монтируются на трубе (существуют даже переносные приборы), не требуют изМ нения ее конструкции, не влияют на характеристики потока (нет потерь давление в месте установки датчика). Точность измерений такая же, как и для датчиков дрУ* типов, - в пределах 0.5-1 % от измеряемой величины.

Магнитные датчики расхода работают на основе закона Фарацея, который утвер* дает, что в проводнике, движущемся в магнитном поле, возникает э.д.с, величина к" торой прямо пропорциональна индукции магнитного поля и скорости движения пр" водника; э.д.с. ориентирована в пространстве перпендикулярно направлению поЛЯ" движению проводника. При магнитном измерении расхода проводник образует" движущимися ионами электропроводящей жидкости; проводимость жидкости ДоЛ* на составлять по крайней мере 0.1 мкСм/см. Магнитное поле создается двумя обмо ками, расположенными по разные стороны трубы, питающимися переменным иЛ"

шим постоянным током, э.д.с, индуцируемая в жидкости, измеряется п}-р0шными электродами; она пропорциональна расходу. Можно пока-д0уя з между противоположными точками трубы мало зависит от распреде-зать, что „ сечению трубы (профиля скорости). Поскольку принято, что се-.jeHHH с Р постоянно, то выходное напряжение пропорционально расходу, чение тру jg способ измерения расхода жидкости в трубе основан на эффекте К мана (von Кагшап). Если тело определенной формы помещено в поток жид-то в кильватерной струе возникает турбулентность, порождающая области "менным давлением, которые можно обнаружить датчиками. Частота порожде-"я вихрей прямо пропорциональна скорости жидкости. Из-за весьма сложной зави-

ости между расходом и скачками давления и влияния других факторов (наприте температуры) вихревые расходомеры требуют специальных электронных устройств обработки, которые обычно монтируются вместе с датчиком. За исключением магнитных методов измерения расхода все другие способы основаны на наблюдении каких-либо гидродинамических характеристик потока. Точность измерений для ламинарных потоков выше, чем для турбулентных. Для исключения влияния различных элементов гидравлического тракта (насосов, изгибов и соединений труб и т. д.) во всех случаях требуется, чтобы до и после датчика были сглаживающие прямолинейные участки трубопровода длиной, равной по крайней мере 10-кратному диаметру, - они не должны содержать каких-либо вносящих возмущения элементов (клапанов, сужений и т. п.). Такие участки трубопровода необходимы для придания потоку ламинарного характера и для гашения турбулентности.

Измерение массового расхода

Во многих случаях вместо объемного расхода или скорости жидкости необходимо знать массовый расход. Если известна плотность несжимаемой жидкости, то массовый расход рассчитывается непосредственно по объемному с учетом, если необходимо, температуры, давления и вязкости. Натрактике, однако, плотность часто неизвестна.

Многие попытки определить массовый расход на основе измерения сил и ускорении потерпели неудачу. Один принцип, однако, получил промышленное применение - эхо измерение массового расхода на основе гиростатического метода и влия-ия ускорения силы Кориолиса.

Во вращающейся системе на массу, движущуюся вдоль радиуса, действует сила, ния** силой Кориолиса. Направление этой силы перпендикулярно оси враще-

я и направлению движения массы, а ее величина пропорциональна скорости вра-Penif " радиальной скорости массы. Массовые расходомеры, основанные на изме-и силы Кориолиса, дают хорошие результаты, не требуя компенсации давления "температуры.

\Qy Прямолинейном участке трубопровода с помощью электромагнита возбужда-Гап резонансные собственной частоте трубы или частоте какой-либо ее

•чагн входе и выходе трубопровода симметрично по отношению к электро-

боп размещены приемники для определения фазы колебаний трубы. Когда тру-Tpyg пуст, фазы колебаний совпадают. На любой элемент жидкости, текущей по НИя т действовать боковое ускорение. Из-за инерции этого элемента колеба-входе будут затухать. По мере прохождения элемента жидкости по трубе, он

первый пьезопреобразователь генерирует группу импульсов, а второй принимае затем они меняются ролями: второй преобразователь становится излучателем, а** вый - приемником. В одном случае составляющая скорости жидкости v созаув" чивает время пробега волны, в другом - уменьшается. Исходя их двух измере можно определить среднюю скорость жидкости v.