Курсовая работа (т): Витратоміри

Існує багато різновидів теплових витратомірів, які відрізняються способом нагріву, розташуванням нагрівача (зовні або всередині трубопроводу) і характером функціональної залежності між витратою і вимірюваним сигналом. Основний спосіб нагрівання - електрично-омічний. Індуктивний нагрів майже не застосовується на практиці. Крім того, в деяких випадках знаходить застосування нагрівання за допомогою електромагнітного поля і за допомогою рідинного теплоносія. При електрично-омічному нагріванні у калориметричних нагрівач розташований всередині, а у термоконвективних - зовні труби. Класифікація наведена на рис. 5.

Калориметричні і термоконвективні витратоміри вимірюють масову витрату за умови незмінності теплоємності вимірюванї речовини, що є їх перевагою. Інша перевага термоконвективних витратомірів - відсутність контакту з вимірюваною речовиною.

Недоліками їх є: велика інерційність; складність вимірювальної схеми; нестабільність характеристик, пов'язана з корозією приймальних пристроїв і осадженням на них різних частинок, які переносяться потоком; вплив на їх покази температури, тиску і різних теплофізичних параметрів потоку.

У зв'язку з дуже малими габаритними розмірами дані прилади отримали переважне поширення в лабораторно-експериментальної практиці при вимірюванні швидкості в найтонших пристінних шарах і плівках.

Похибка: 0,3-3% [4-6].

Рисунок 5 - Класифікація теплових витратомірів

.6 Витратоміри з мітками

Витратоміри з мітками, засновані на вимірі часу переміщення якої-небудь характерної частини (мітки) потоку на контрольній ділянці шляху.

Мітку в потоці створюють, як правило, штучним шляхом. Мітки можуть бути найрізноманітніші (рис.6): іонізаційні, радіоактивні, фізико-хімічні, теплові, оптичні, ядерно-магнітні та ін. Відповідно, існують і різні пристрої для створення мітки і її детектування при проходженні нею контрольного ділянки шляху. Радіоактивні, фізико-хімічні та деякі оптичні мітки створюють шляхом введення в потік сторонньої речовини-індикатора. У більшості інших випадків мітка утворюється в самому потоці без введення сторонньої речовини. Витратоміри з мітками - прилади не безперервної, а дискретної дії, але при високій частоті створення міток можна практично говорити про безперервне вимірюванні витрати.

Значно частіше витратоміри з мітками застосовують не в якості експлуатаційних приладів для безперервного вимірювання, а для різних лабораторних і дослідних робіт, і зокрема при градуюванні і повірці інших витратомірів.

Рисунок 6 - Класифікація витратомірів з мітками

Похибка вимірювання витрати у витратомірів з міткам коливається від (+0,1÷ 0,2) до (+2-3) відсотків залежно від роду мітки, вимірювальної апаратури, способу детектування і відповідності швидкості переміщення мітки до середньої швидкості потоку. Найбільша точність досягається за відсутності необхідності у відборі проб у контрольних перетинах. Довжина контрольної ділянки, залежно від роду мітки, може бути від декількох міліметрів до декількох кілометрів.

Витратоміри з мітками можуть бути з одною або двома детекторами мітками. У першому випадку (рис.7, а) контрольна відстань вважається від місця вводу мітки 1 до детектора 2, у другому (рис.7, б) - між двома детекторами 2 і 3.

Зазвичай у витратомірів з мітками відстань L в процесі вимірювання залишається незмінною, але були розроблені витратоміри, у яких час підтримувалося постійним шляхом автоматичного переміщення одного з детекторів і зміни таким чином відстані L, яка в цьому випадку буде вимірюваною величиною. У цьому випадку досягається лінійність шкали але ускладнюється пристрій. Такі витратоміри не набули поширення.

Рисунок 7- Принципова схема витратоміру з мітками

Витратоміри з мітками при постійній величині відстані L можуть бути з постійною частотою створення міток або з частотою, пропорційною швидкості потоку. У першому вимірюється час або величина, функціонально пов'язана з цим часом, наприклад зсув фаз, у других - частота генерацій міток. Останні працюють за схемою, зображеною на рис.7, а. Чергова мітка створюється в момент, коли попередня детектується елементом 2. Тому період генерації міток дорівнює часу переміщення мітки на ділянці.

Вибір довжини контрольного ділянки залежить насамперед від фізичної природи мітки - тривалості її існування, а також від бажаних точності вимірювання і швидкодії. Іонні мітки швидко знищуються через рекомбінації іонів, а теплові - внаслідок передачі тепла навколишньому середовищу. Тому в цьому випадку обов'язкова мала величина. При свободі вибору відстані потрібно враховувати, що зі збільшенням відстані зростає точність вимірювання, але зменшується швидкодія. У більшості випадків слід віддати перевагу підвищенню точності і не знижувати проміжок.

Точність вимірювання витрати витратоміра з мітками залежить не тільки від точності вимірювання часу, але також від точності визначення середньої площі поперечного перерізу трубопроводу між контрольними відмітками. У змонтованої труби точне вимірювання внутрішнього діаметру труби і оцінка її еліптичності не завжди можливі. У цьому випадку додаткова похибка в визначенні витрати може становити 1-2 %. Крім того, у деяких міток швидкість їх переміщення визначається не тільки швидкістю потоку, але залежить ще й від фізичних властивостей мітки. Так у теплових міток на швидкість їх переміщення впливає теплопровідність вимірюваного речовини.

.6.1 Витратоміри з тепловими мітками

Витратоміри з тепловими мітками можна застосовувати для вимірювання витрати як рідини, так і газу. Вони складаються з нагрівача, що створює теплову мітку, і термоперетворювачів для вимірювання часу переміщення мітки на контрольній ділянці. Іноді нагрівач відсутній. У цьому випадку термоперетворювачі служать для вимірювання часу переміщення випадкових теплових неоднорідностей, наявних в потоці. Є витратоміри, у яких нагрівач розташований як зовні, так і всередині труби.

Запропоновано декілька різновидів витратомірів з зовнішнім розташуванням нагрівача: витратомір, в якому теплова мітка створюється випромінювачем інфрачервоного (ІЧ) або надвисокочастотного (НВЧ) діапазонів, розташованих на зовнішній поверхні трубчастої вставки довжиною 300 мм з кварцу для ІЧ- діапазону і фторопласта для СВЧ - діапазону.

Іноді застосовують витратоміри, у яких теплова мітка створюється нагрівається елементом, зазвичай дротиком, розміщуючись всередині вимірюваного речовини. Якщо струм подається у вигляді окремих імпульсів, то утворюються мітки, швидкість яких дорівнює місцевій швидкості потоку. Якщо ж струм змінюється за синусоїдальним законом, то виникає температурне поле, що рухається зі швидкістю потоку. На контрольній відстані L розміщується малоінерційний термоперетворювач, що фіксує момент приходу мітки або службовець для вимірювання різниці фаз Δφ між температурами, а отже, і струмами в нагрівачі і термоперетворювачем.

У деяких випадках в трубопроводі утворюється теплова мітка шляхом введення в нього порції рідини чи газу, що нагріваються в особливій ємності, розташованої поза даного трубопроводу.

Проблема створення сучасних методів і засобів вимірювання витрат речовин, що володіють специфічними властивостями (агресивність, нестаціонарність фізико-хімічних характеристик, висока в'язкість і т. п.), що функціонують у різного роду складних умовах експлуатації, незважаючи на певний прогрес, залишається досить актуальною.

Розвиток безконтактного теплового методу в напрямку синтезу інтелектуальних багатоканальних теплових витратомірів дозволило істотно підвищити їх метрологічні характеристики при вирішенні складних завдань вимірювання витрати. При створенні таких багатоканальних витратомірів використовувалися деякі принципи теорії інваріантності, відповідно до яких первинний вимірювальний перетворювач (ПІП) теплового витратоміра повинен забезпечувати організацію як мінімум двох каналів передачі первинної інформації, крім каналу компенсації обурюючого впливу (температури потоку речовини). Це є необхідною умовою автономізації інформації про вимірювану величину (витрати) і неінформативних величинах (змінюються властивості речовин). Реалізовано дві структури багатоканальних теплових витратомірів (БТВ), заснованих на термоконвективних ПИП. У БТВ першого типу організація кожного з каналів передачі первинної інформації здійснюється за допомогою окремого термоперетворювача або обидва канали базуються на комплексній інформації, що генерується одним термоперетворювачем. На основі структури другого роду синтезуються тільки БТВ з мітками. Реалізація алгоритмів функціонування БТВ припускає використання широких можливостей обчислювальної техніки. Створення БТВ дозволило знизити методичну похибку вимірювання витрати в'язких рідин. Для цього використовувалася структура БТВ першого типу. Так для витратоміра мазуту додаткова похибка вимірювання зменшена у 5 разів і склала 0,2% /10°С.

Істотно знижено вплив нестабільності властивостей вимірюваних потоків розчинів рідин на показання БТВ з мітками, в якому використані дві контрольні ділянки виміру часу перенесення мітки . Причому, на першій ділянці по ходу мітки на інформативну величину часу впливає як значення об'ємної витрати, так і властивості розчину (наприклад, густина), а на другому - величина часу визначається тільки об'ємною витратою (швидкістю) розчину. Диференціальне включення цих каналів дозволило знизити похибку вимірювання витрати розчинів в умовах вимірювання їх властивостей на 1-1.25%.

Поряд із зазначеним напрямком розвитку теплових витратомірів постійно вдосконалювалися структурні методи підвищення їх динамічної точності. Розроблено методи адаптивної динамічної корекції по миттєвому значенню вихідного сигналу ПІП або темпу його зміни, при різних законах збурень по витраті, реалізовані на ЕОМ і що забезпечили підвищення швидкодії теплових витратомірів в 10-15 разів.

Удосконалення динамічних методів вимірювання включає дослідження можливості зменшення величин вимірюваних витрат газів, а також розширення динамічного діапазону вимірювання та створення методики визначення градуювальної характеристики розрахунковим шляхом. Критерієм оцінки ефективності вирішення поставлених завдань були метрологічні показники кращих зарубіжних теплових витратомірів газів.

Розроблено дослідний зразок парціального теплового витратоміра з мітками, структурна схема якого представлена на рис. 8.

Рисунок 8 - Структурна схема парціального витратоміра: 1 - корпус ПИП; 2 - вимірювальний (основний канал); 3 - обвідний канал; 4,5 - вимірювальний плівкові терморезистори ; 6,7 - компенсанційні плівкові терморезистори; 8 - нагрівач плівковий; 9 - вставка з набором діаграм; 10 - вимірювально перетворюючий блок ; 11 - ПЕОМ

Експериментальні дослідження парціального витратоміра показали, що його динамічний діапазон збільшився більш ніж у 7 разів, що забезпечило вимірювання витрати повітря в діапазоні 10-300 мл/с з наведеної похибкою, що не перевищує ± 1,2 %. Градуювальні характеристики парціального витратоміра при різних діафрагмах обвідного каналу показали для отворів діафрагми 6 мм витрати 140-320 мл/с при часу 580-980 мс , для 5 мм - 70-140 мл/с, а при закритому отворі 5-35 мл/с [4-6].

2.      Структурна схема

В даній курсовій роботі ми розробили ВПВ з тепловими мітками. Його структурна схема представлена на рис.9. При русі газу по трубопроводу, він нагрівається під дією вивільненої теплоти від нагрівача (який підключений до джерела живлення), проходить два терморезистори, які фіксують різницю фаз між температурами, а отже і струмами. Далі цей струм підсилюється і йде в мікроконтроллер, який дає команду на нагрів наступної мітки.

Рисунок 9 - Структурна схема ВПВ з тепловими мітками

де Qv - об’ємна витрата;- вивільнена теплота;

∆T - зміна температури;

∆R - зміна опору;- струм;

Кпід - коефіцієнт підсилення;

МК - мікроконтроллер

3.      Принципова схема

Принципова схема розробленого лічильника з тепловими міткам наведена на рис.10.

Рисунок 10 - Принципова схема: 1 - трубопровід; 2 - нагрівач; 3, 4 - терморезистори; 5 - джерело живлення нагрівача; 6, 7 - мостові схеми; підс.1, підс. 2 - підсилювачі 1 та 2 відповідно; МК - мікроконтроллер

4.      Розрахунки

Розрахуємо, який струм необхідно подавати на нагрівач.

Нагрівач, який складається з мідного дроту, ми будемо нагрівати електричним струмом. Тож, згідно закону Джоуля-Ленца:

де I - сила струму в мідному дроті, А;- опір мідного дроту;- час проходження струму.

Опір нагрівача обчислюється за формулою:

де ρм - питомий опір міді;нагр - довжина дроту нагрівача;нагр - площа поперечного перерізу дроту.

де c - питома теплоємність;- маса речовини;

∆T - різниця температур.

Прирівнюємо та :

Підставляємо:

Виражаємо струм:

Відповідно до табличних даних [7] та конструктивних міркувань, вихідні величини: lнагр =20 мм, ρм = 1,75*10-8 Ом/м, t =1 с, с = 2,2 кДж/(кг*с), m = 0,03 кг, ∆T = 2ºС. Підставляємо величини і отримуємо:

Отже, згідно з розрахунками, на нагрівач необхідно подавати струм величиною 5А, щоб нагріти мітку на 2ºС.

5.      Математична модель

Для визначення об’ємної витрати теплових витратомірів використовують формулу:

де Q - обємна витрата;- швидкість речовини;- площа поперечного перерізу;- коефіцієнт охолодження.

Відомо, що в разі круглого вимірювального каналу, площа розраховується за формулою:

де d - діаметр вимірювального каналу.

У розробленому витратомірі, термоперетворювач фіксує час приходу теплової мітки, і слугує для вимірювання різниці фаз ∆φ між температурами, а отже, і струмами в термоперетворювачах. Згідно з цього швидкість потоку визначається за формулою:

де ∆φ - різниця фаз між терморезисторами;н - частота струму.

Підставивши отримуємо: