Конструкция и схема применения датчика температуры для измерения скорости потока жидкости или газа

    Министерство  образования и науки

    Республики Беларусь 

    Белорусская государственная 

    политехническая академия 

    Кафедра “Информационно-измерительная

    техника” 
 

    Курсовой  проект

    по  дисциплине “Первичные измерительные преобразователи ИИС ” 

    на  тему “Конструкция и схема применения датчика температуры для измерения скорости потока жидкости или газа ” 
 

                      Исполнитель: 

                                         Меньшиков С.В. 

                       Руководитель:

                                            Яржембицкий В.Б. 
 
 

Минск 1997 
Содержание 

Введение..............................................................................................................................3

Литературный  обзор.............................................................................................5

Механические  измерители потока........................................................5

    Вращающиеся измерители...........................................................................6

    Измерители  с тормозящим элементом..............................................7

Гидродинамические (аэродинамические) измерители.......8

    Трубки  Пито...............................................................................................................9

    Измерители  на потокорезистивных элементах......................10

Электромагнитные  измерители потока.....................................12

Ультразвуковые  датчики потока........................................................16

    Преобразователи.................................................................................................17

    Принцип измерения времени прохождения  сигнала.........19

    Датчики непрерывного действия..........................................................23

    Импульсные  датчики.......................................................................................26

Методологическая  часть...............................................................................31

Тепловые  измерители потока...................................................................31

    Инжекционные  измерители......................................................................31

    Конвекционные датчики...............................................................................32

    Схема обратной связи для поддержания 

    постоянной  температуры.............................................................................36

    Типы  зондов.............................................................................................................38

Заключение...................................................................................................................39

Литература.....................................................................................................................40 

 

Введение.

    Стремительное развитие электроники и вычислительной техники оказалось предпосылкой для широкой автоматизации самых разнообразных процессов в промышленности, в научных исследованиях, в быту. Однако реализация этой предпосылки в значительной мере определяется возможностями устройств для получения информации о регулируемом параметре или процессе. Разумеется, применение датчиков не ограничивается  только автоматизированными системами, поскольку они могут выполнять также функции элементов просто измерительных систем.

      По  определению к датчикам относятся все основные узлы электронной схемы для измерения неэлектрических величин, расположенные непосредственно у объекта. Необходимость преобразования измеряемой неэлектрической величины в адекватный ей электрический сигнал послужила позднее основанием для введения термина «измерительный преобразователь».

       Совершенствование полупроводниковой технологии позволило также расширить сферы применения датчиков и к тому же повысить их точность, быстродействие, надёжность, долговечность, удобство сопряжения с электронными измерительными схемами. Массовый характер производства датчиков способствует снижению их цены, что также является немаловажным фактором, определяющим их внедрение в практику. Техника конструирования и применения датчиков в последние годы развилась в самостоятельную ветвь измерительной техники. С ростом автоматизации к датчикам физических параметров стали предъявляться всё более высокие требования. При этом особое значение придаётся следующим показателям:

1. миниатюрность (возможность встраивания),
2. механическая прочность,
3. воспроизводимость,
4. дешевизна и др.

      В русле общего направления технического прогресса существенные изменения претерпели также и датчики. На смену электромеханическим и электровакуумным устройствам пришли твёрдотельные (полупроводниковые, сегнетоэлектрические и т.п.) элементы и приборы, которые затем всё больше и больше стали вытесняться интегральными схемами. Развитие техники детектирования магнитных и электрических полей, электромагнитных волн (от ИК- до УФ-диапазона), малых количеств примеси в жидких и газообразных средах существенно расширили возможности измерений на удалённых, труднодоступных, движущихся и т.п. объектах. Это сделало не обязательным расположение датчиков непосредственно у объекта.

 

Литературный  обзор.

       В данной работе рассматриваются датчики (измерители) потока. В настоящее время существует множество методов реализующих измерение потока жидкости или газа, которые можно разделить на несколько групп: тепловые, механические, гидродинамические (аэродинамические), электромагнитные, ультразвуковые и другие. Различные датчики обеспечивают измерение различных характеристик потока. Метод измерения, основанный на стационарной инжекции тепла в поток, позволяет получить информацию о среднем массовом расходе жидкости или газа (кг/с). Гидродинамические (аэродинамические) методы и механический турбинный метод обеспечивают измерение среднего объёмного расхода (м³/с). Электромагнитные и ультразвуковые датчики предназначены для измерения средней скорости потока (м/с). Тепловой конвекционный метод и гидродинамический метод с использованием трубки Пито позволяют измерить локальную скорость жидкости или газа в потоке. Разработчик измерительной системы должен точно знать, какая из перечисленных характеристик потока подлежит измерению. 

       Механические  измерители потока.

       Механические  измерители потока работают на принципе физического воздействия жидкости или газа на измерительный элемент, например на крыльчатку турбины или элемент, тормозящий поток.

       Вращающиеся измерители потока.

       Турбины. Турбинные измерители потока измеряют средний объёмный расход жидкости или газа. Скорость вращения крыльчатки (колеса) турбины, занимающей полное сечение потокопровода, и объёмный расход связаны следующей зависимостью:

                          (1.1)

где Q – средний объёмный расход (м³/с); n – скорость вращения ротора турбины (об/с); D – диаметр потокопровода (м); v – кинематическая вязкость текучей среды (м²/с). Как видно из графика на рис. 1, учёт конкретного вида функции f важен только при низких скоростях вращения турбины. Обычно турбина работает в линейной области, где величина Q/nD³ постоянна, так что скорость вращения турбины прямо пропорциональна среднему объёмному расходу жидкости или газа. Поскольку при мощностях потока износ подшипников ротора турбины очень быстро выводит турбину из строя, рабочий диапазон турбинного измерителя потока обычно ограничивается предельными значениями расхода жидкости или газа, соотносящимися приблизительно как 10:1. Заметим, что из-за нелинейности рабочих характеристик при малых потоках турбинные измерители не пригодны для измерения потоков, изменяющих своё направление.

       Пропеллеры. Принцип его работы ничем не отличается от принципа работы турбинного измерителя потока. Однако, в отличие от турбины пропеллер не охватывает всё сечение потока и скорость его вращения скорее пропорциональна скорости потока, а не объёмному расходу. Рабочий диапазон пропеллерного измерителя потока в относительном выражении шире, чем 10:1, так как эффект вязкости для него менее важен, чем для турбины.

       При соответствующей калибровке и правильной эксплуатации вращающиеся измерители потока обеспечивают довольно точное измерение характеристик потока (нелинейность не превышает 0.005%). Однако эти устройства не обладают достаточной механической прочностью и быстро выходят из строя при измерении мощных потоков и наличия в потоке посторонних твердых частиц. Для компенсации погрешностей, связанных с износом подшипников, необходимо периодически повторять процедуру калибровки измерителя, особенно если он эксплуатируется в коррозийной или агрессивной среде. 

       Измерители  потока с тормозящим элементом.

       На  рис. 2 показан измеритель потока с  тормозящим элементом. Сила торможения, действующая на подвешенный в потоке элемент, определяется выражением

                                      (1.2)

       где C_d - коэффициент торможения; А - площадь поперечного сечения элемента (м²); r - плотность текучей среды (кг/м³); u - скорость потока (м/с).

       Коэффициент торможения зависит от формы тормозящего элемента и практически постоянен, если форма элемента выбрана должным образом. Сила торможения чаще всего измеряется с помощью тензодатчика, закрепляемого на несущем рычаге тормозящего элемента.

         Измерители потока с тормозящим  элементом имеют хорошие частотные  характеристики (типичное значение  верхней границы частотного диапазона  - 100 Гц), хотя для проведения точных  измерений на повышенных частотах весьма важно обеспечить соответствующее демпфирование.

       Симметричные  тормозящие элементы устройства этого  типа являются двунаправленными измерителями потока, хорошо работающими вблизи точки изменения направления потока. Измерители с тормозящим элементом - прочные устройства. Они часто используются в тех случаях, когда текучая среда содержит взвешенные твердые частицы, что исключает возможность применения многих других типов измерителей потока. С их помощью можно измерять скорость потока как жидкости, так и газа. 

       Гидродинамические (аэродинамические) измерители потока.

       В измерителях этого типа используется возможность установления связи между разностью давлений в двух характерных точках потока и скоростью потока. Эта разность давлений измеряется с помощью дифференциального преобразователя давления, связанного с микро ЭВМ. Если требуется линеаризация, она может быть выполнена программным способом. 

       Трубки  Пито

       Трубка  Пито ( рис. 3) обеспечивает измерение локальных скоростей жидкости или газа в потоке. В трубке имеется два типа отверстий, открытых для текучей среды. На статических входах (или входе), выполненных в виде отверстий, оси которых перпендикулярны направлению потока, действует статическое давление текучей среды p_s. Вход (отверстие) на конце трубки собирает заторможенную массу жидкости или газа, находящуюся под полным давлением p_t. Если трубка Пито расположена параллельно потоку, то разность этих двух давлений находится из уравнения Бернулли

        ,                        (1.3)

       где р - разность давлений (Па); p_s - давление на статическом входе (Па); p_t - полное давление (Па); r - плотность текучей среды (кг/м³); u - скорость потока (м/с); Отсюда для скорости потока несжимаемой текучей среды получаем

        .                         (1.4)

       Для сжимаемой текучей среды (например, воздуха) скорость потока определяется по формуле

        ,                     (1.5)