Измерение физических величин является одним из способов познания окружающего нас мира и основным средством контроля различных технологических процессов. Развитие науки и техники ускорило рост роли и объёма измерительной техники. Велико значение измерений при исследовании, производстве, настройки и эксплуатации различных радиоэлектронных приборов, устройств и систем. Измерение параметров элементов электрических цепей относятся к важнейшим измерениям, с которыми часто приходится встречаться на практике.
В настоящее время известен ряд методов измерения этих величин. Выбор метода измерения и измерительной аппаратуры, при конкретном измерении, зависит от многих условий (вида измерения, его значений, требуемой точности измерения и т. п.). Теплотехнические измерения служат для определения многих физических величин, связанных с процессами выработки и потребления тепловой энергии. Они включают определение как чисто тепловых величин (температуры,
теплопроводимость и пр.), так и некоторых других (давления, расхода и пр.), играющих важную роль в теплоэнергетике. Теплотехнические измерения широко применяются во многих отраслях народного хозяйства: в энергетике, металлургии и др. В энергетической промышленности они используются для повседневного контроля и наблюдения за работой и состоянием установленного на электростанциях оборудования. Наряду с этим теплотехнические измерения необходимы при изучении и дальнейшем совершенствовании способов
производства электрической и тепловой энергии и методов потребления тепла. Надёжная и экономичная эксплуатация современных атомных электростанций немыслима без применения значительного количества разнообразных по устройству, назначению и принципу действия приборов теплотехнического контроля. На этих электростанциях, оснащённых сложным энергетическим оборудованием, теплотехнический контроль органически связан с его работой и является весьма важным звеном управления.
Большинство современных теплотехнических измерительных приборов основано на применении электрических принципов изменения неэлектрических величин (температуры, расхода и др.). Указанный принцип измерения, построенный на количественных соотношениях между некоторыми электрическими и неэлектрическими величинами, повышает точность и надёжность измерений, упрощает устройство приборов и обеспечивает возможность передачи их показаний на расстояние.
Широкое применение для теплотехнических измерений получили электронные измерительные приборы, отличающиеся простотой устройства, высокой точностью, чувствительностью и быстродействием. Современный инженер, работающий в любой отрасли народного хозяйства, должен уметь выбрать и назначить соответствующие устройства измерений для управления технологическим процессом, контроля качества продукции, должен знать об основных метрологических характеристиках средств измерений.
1 Обзор существующих методов и средств измерения расхода вещества Количество вещества, проходящее в единицу времени по трубопроводу, каналу и т.п называется расходом вещества. Расходомеры – это преобразователи, которые используются для измерения потока. В зависимости от рода измеряемого вещества они делятся на расходомеры воды, газа, пара и прочего. Они регистрируют скорость и расход жидкого или газообразного вещества за заданный период времени.
На практике известно несколько методов определения расхода. 1.1 Скоростной метод измерения расхода Этот метод измерения расхода жидкости и газа положен в основу ряда расходомеров и счетчиков, обладающих достаточно простым устройством и значительным диапазоном показаний. Принцип действия этих приборов заключается в измерении средней скорости потока, связанной с объемным расходом вещества. Наиболее распространённым механическим преобразователем расхода является турбинный
расходомер с вращающимся пропеллером или турбинкой, которые используются в качестве чувствительного элемента. Турбинка устанавливается в потоке вещества на подшипник. В общем случае лопасти турбинки выполняются из ферромагнитного материала. Катушка, укреплённая на корпусе расходомера, используется для определения частоты вращения турбинки. На концах обмотки появляется переменная ЭДС. Частота вращения пропеллера пропорциональна расходу вещества.
При точных измерениях важно, чтобы не происходило завихрения протекающего вещества, поскольку это напрямую сказывается на частоте вращения турбинки. Поэтому спрямляющие поток лопасти устанавливаются обычно на входе расходомера. Возможны и существенно более простые конструкции расходомеров, когда точность измерений не существенна, т. е. если торможение и завихрения потока можно не учитывать. Одним из преимуществ турбинных расходомеров по сравнению с расходомерами других типов является линейная
зависимость их выходного сигнала от скорости потока в установленном для прибора диапазоне. Кроме турбинных расходомеров применяют напорные трубки, анемометры и скоростные счетчики. При помощи напорных трубок производится определение расхода жидкости или газа путем измерения динамического давления потока, которое есть разность между полным и статическим давлением среды. По измеренному трубкой давлению вычисляется скорость потока.
При помощи анемометров находится скорость газа в точке расположения прибора, поэтому, определяя скоростное поле в трубопроводе, а по нему значение средней скорости потока, можно судить о расходе измеряемой среды. Чувствительным элементом анемометра является алюминиевая вертушка с несколькими радиально расположенными лопастями, ось которой связана механически с показывающим или счетным устройством. Скоростные счетчики жидкости применяются для измерения количества воды, чувствительным элементом их
является вертушка с лопастями, приводимая во вращение потоком жидкости. Для определения расхода по скорости необходимо знать ее среднее значение для поперечного сечения потока. Частота вращения вертушки пропорциональна расходу жидкости. 1.2 Измерение расхода на основе метода переменного перепада давления Для измерения расхода жидкости, газа и пара, протекающих по трубопроводам, широкое применение получили
расходомеры с сужающим устройством. Принцип действия их основан на изменении потенциальной энергии измеряемого вещества при протекании через искусственно суженное сечение трубопровода. Расходомер состоит из сужающего устройства, устанавливаемого в трубопроводе и служащего для местного сжатия струи (первичный преобразователь), дифферинциального манометра, предназначенного для измерения разности статических давлений протекающей среды до и после сужающего устройства (вторичный прибор) и
соединительных линий (двух трубок) связывающих между собой оба прибора. При прохождении потока через сужающее устройство происходит изменение потенциальной энергии вещества, часть которой вследствие местного сжатия струи и соответствующего увеличения скорости потока преобразуется в кинетическую энергию. Изменение потенциальной энергии приводит к появлению разности статических давлений (перепада давления), который определяется при помощи дифманометра.
Так как согласно закону сохранения энергии суммарная энергия движущейся среды уменьшается только на величину потерь, то попеременному перепаду давлений может быть определена кинетическая энергия потока при его сужении, а по ней – средняя скорость и расход вещества. Для измерения расхода среды получили распространение три вида нормализованных сужающих устройств: расходомерная диафрагма, расходомерное сопло и сопло Винтури, имеющие посередине круглое отверстие.
Недостаток этого метода состоит в том, что скорость потока оказывается пропорциональной квадратному корню из перепада давлений, т. е. эти приборы являются нелинейными. Эти преобразователи также не могут быть использованы для измерения расхода газа, поскольку их принцип действия основан на том факте, что вещество является несжимаемым при прохождения узких участков в трубопроводе. Газы, к сожалению, сжимаемые вещества, поэтому требуется вносить соответственные коррекции в показания
приборов. 1.3 Измерение расхода на основе термальных явлений Термальные расходомеры работают на принципе пропорциональности тепла, переносимого веществом от одной точки к другой, массовому расходу этого вещества. Термоанемометры измеряют расход вещества с помощью одиночного нагревательного элемента, расположенного в его потоке. Охлаждающий эффект протекающего через этот элемент вещества характеризуют массовый расход, т. е. охлаждение
индицируется благодаря изменению сопротивления проводов нагревательного элемента. Часто вместо проволочного элемента в преобразователе используется металлическая плёнка. С помощью термоанемометра удаётся измерять чрезвычайно быстрые флуктуации расхода вещества. 1.4 Электромагнитный метод измерения расхода Существует ряд приборов для измерения расхода жидкости, чувствительный элемент которых не имеет непосредственного с ней контакта, что позволяет применять их
при агрессивных средах. К числу таких приборов относятся электромагнитные (индукционные) расходомеры. Действие их основано на принципе, что при движении в трубопроводе жидкости поперек силовых линий магнитного поля в ней индуцируется э.д.с, которая пропорциональна скорости потока. Электромагнитный расходомер представляет собой небольшой гидродинамический генератор переменного тока, вырабатывающий э.д.с пропорциональную средней скорости потока, а, следовательно, и расходу жидкости.
Для измерения расхода этим методом можно использовать даже плохо проводящие жидкости. Электромагнитные расходомеры не имеют движущиеся частей. Безударные приборы такого типа применяются не только для измерения расхода жидкостей, но и суспензии. 1.5 Измерение расхода методом постоянного перепада давления Расходомеры постоянного перепада относятся к средствам измерений, называемыми расходомерами обтекания.
Они основаны на измерении вертикального перемещения чувствительного элемента, зависящего от расхода среды и приводящего одновременно к изменению площади проходного отверстия расходомера таким образом, что разность давлений на чувствительный элемент (перепад давлений) остается практически постоянной. Противодействующей силой в расходомерах этого вида является сила тяжести чувствительного элемента, выполненного в виде поплавка или поршня. К приборам постоянного перепада давления относятся ротаметры,
поршневые и поплавковые расходомеры. Приборы устанавливаются в вертикальных трубопроводах с восходящим потоком измеряемой среды. 1.6 Измерение расхода путём генерирования завихрений в протекающем веществе Любое препятствие в трубопроводе создаёт завихрения в потоке вещества, пропорциональное его объёмному расходу. В преобразователях используются два способа генерирования завихрений: вынужденные колебания, при котором поток вещества вращается или прецессирует вдоль оси трубопровода в виде некоторой спирали,
и естественные колебания, при которых стабильные структуры периодических вращающихся в разные стороны вихрей возникают в потоке за препятствием. В расходомерах с генерированием вынужденных колебаний обычно используют пьезоэлектрические преобразователи для определения числа прецессий, проходящих через конкретную точку трубопровода. В расходомерах с естественными колебаниями вещества применяются тензометрические преобразователи силы или ультразвуковые средства для определения периодических изменений силы, происходящих
при вихревом движении вещества. 1.7 Объемный метод измерения расхода Принцип действия объемных счетчиков основан на отмеривании определенного объема проходящего через прибор вещества и суммирования результатов этих измерений. К числу таких устройств относятся мерные баки, счетчики жидкости с овальными шестернями и ротационные счетчики газа. Мерные баки состоят из двух спаренных мерных баков и расходного бака.
Измеряемая жидкость, поступающая по трубопроводу, направляется поочередно в каждый из мерных баков при помощи перекидного желоба. Счетчики с овальными шестернями применяются в широком диапазоне вязкости. Действие их основано на отмеривании (вытеснении) определенных объемов жидкости, заключенных между стенками измерительной камеры и овальными шестернями, при вращении последних под влиянием разности давлений измеряемой жидкости до и после счетчика. Для измерения количества горючих газов применяются ротационные счетчики
типа РГ, принцип действия которых тот же, что и счетчиков жидкости с овальными шестернями. 1.8 Ультразвуковой метод измерения расхода Ультразвуковые приборы можно применять не только в качестве преобразователя в расходомерах с генерированием естественных колебаний вещества, но и непосредственно для измерения расхода. Например, измеряют время, затрачиваемое на прохождение ультразвуковым импульсом через вещество, или прибегают к эффекту Доплера, при котором частота колебаний на входе приёмника ультразвукового
излучения изменяется в зависимости от скорости жидкости или газа. Одним из важнейших параметров преобразователя является линейность его характеристики, которая может влиять на точность измерения. Рекомендуется использовать преобразователи с линейной характеристикой (рис. 1.1, а), поскольку соединённые с преобразователем схемы формирования сигнала также являются линейными, следовательно, весьма дешёвыми при проектировании и изготовлении.
При нелинейном преобразователе можно применить линеаризирующую схему формирования сигнала (рис. 1.1, б). Однако эта схема будет очень дорого стоить. На основании этого принимаем решение, в качестве первичного преобразующего элемента использовать метод пропеллера, вращающегося при протекании воздуха, частота вращения которого пропорциональна расходу воздуха