Датчики потока

Министерство образования и науки

Республики Беларусь

Белорусская государственная

политехническая академия

Кафедра “Информационно-измерительная

техника”

Курсовой проект

по дисциплине “Первичные измерительные преобра-зователи ИИС ”

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

Исполнитель:

Меньшиков С.В.

Руководитель:

Яржембицкий В.Б.

Минск 1997

Содержание

Введе-ние..............................................................................................................................3

Литературный об-зор.............................................................................................5

Механические измерители пото-ка........................................................5

Вращающиеся измерите-ли...........................................................................6

Измерители с тормозящим элемен-том..............................................7

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

Трубки Пи-то...............................................................................................................9

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

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

Ультразвуковые датчики пото-ка........................................................16

Преобразовате-ли.................................................................................................17

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

Датчики непрерывного дейст-вия..........................................................23

Импульсные датчи-ки.......................................................................................26

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

Тепловые измерители пото-ка...................................................................31

Инжекционные измерите-ли......................................................................31

Конвекционные датчи-ки...............................................................................32

Схема обратной связи для поддержания

постоянной температу-ры.............................................................................36

Типы зон-дов.............................................................................................................38

Заключе-ние...................................................................................................................39

Литерату-ра.....................................................................................................................40

Введение.

Стремительное развитие электроники и вычислительной техни-ки оказалось предпосылкой для широкой автоматизации самых раз-нообразных процессов в промышленности, в научных исследовани-ях, в быту. Однако реализация этой предпосылки в значительной мере определяется возможностями устройств для получения ин-формации о регулируемом параметре или процессе. Разумеется, применение датчиков не ограничивается только автоматизирован-ными 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, распо-ложенные непосредственно у объекта. Необходимость преобразова-ния измеряемой неэлектрической величины в адекватный ей элек-трический сигнал послужила позднее основанием для введения тер-мина «измерительный преобразователь».

Совершенствование полупроводниковой технологии позволи-ло также расширить сферы применения датчиков и к тому же повы-сить их точность, быстродействие, надёжность, долговечность, удобство сопряжения с электронными измерительными схемами. Массовый характер производства датчиков способствует снижению их цены, что также является немаловажным фактором, определяю-щим их внедрение в практику. Техника конструирования и приме-нения датчиков в последние годы развилась в самостоятельную ветвь измерительной техники. С ростом автоматизации к датчикам физических параметров стали предъявляться всё более высокие тре-бования. При этом особое значение придаётся следующим показа-телям:

1. миниатюрность (возможность встраивания),

2. механическая прочность,

3. воспроизводимость,

4. дешевизна и др.

В русле общего направления технического прогресса сущест-венные изменения претерпели также и датчики. На смену электро-механическим и электровакуумным устройствам пришли твёрдо-тельные (полупроводниковые, сегнетоэлектрические и т.п.) элемен-ты и приборы, которые затем всё больше и больше стали вытеснять-ся интегральными схемами. Развитие техники детектирования маг-нитных и электрических полей, электромагнитных волн (от ИК- до УФ-диапазона), малых количеств примеси в жидких и газообразных средах существенно расширили возможности измерений на удалён-ных, труднодоступных, движущихся и т.п. объектах. Это сделало не обязательным расположение датчиков непосредственно у объекта.

Литературный обзор.

В данной работе рассматриваются датчики (измерители) по-тока. В настоящее время существует множество методов реализую-щих измерение потока жидкости или газа, которые можно разделить на несколько групп: тепловые, механические, гидродинамические (аэродинамические), электромагнитные, ультразвуковые и другие. Различные датчики обеспечивают измерение различных характери-стик потока. Метод измерения, основанный на стационарной ин-жекции тепла в поток, позволяет получить информацию о среднем массовом расходе жидкости или газа (кг/с). Гидродинамические (аэ-родинамические) методы и механический турбинный метод обеспе-чивают измерение среднего объёмного расхода (м3/с). Электромаг-нитные и ультразвуковые датчики предназначены для измерения средней скорости потока (м/с). Тепловой конвекционный метод и гидродинамический метод с использованием трубки Пито позволя-ют измерить локальную скорость жидкости или газа в потоке. Раз-работчик измерительной системы должен точно знать, какая из пе-речисленных характеристик потока подлежит измерению.

Механические измерители потока.

Механические измерители потока работают на принципе фи-зического воздействия жидкости или газа на измерительный эле-мент, например на крыльчатку турбины или элемент, тормозящий поток.

Вращающиеся измерители потока.

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

(1.1)

где Q – средний объёмный расход (м3/с); n – скорость вращения ро-тора турбины (об/с); D – диаметр потокопровода (м); v – кинемати-ческая вязкость текучей среды (м2/с). Как видно из графика на рис. 1, учёт конкретного вида функции f важен только при низких скоро-стях вращения турбины. Обычно турбина работает в линейной об-ласти, где величина Q/nD3 постоянна, так что скорость вращения турбины прямо пропорциональна среднему объёмному расходу жидкости или газа. Поскольку при мощностях потока износ под-шипников ротора турбины очень быстро выводит турбину из строя, рабочий диапазон турбинного измерителя потока обычно ограничи-вается предельными значениями расхода жидкости или газа, соот-носящимися приблизительно как 10:1. Заметим, что из-за нелиней-ности рабочих характеристик при малых потоках турбинные изме-рители не пригодны для измерения потоков, изменяющих своё на-правление.

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 объём-ному расходу. Рабочий диапазон пропеллерного измерителя потока в относительном выражении шире, чем 10:1, так как эффект вязко-сти для него менее важен, чем для турбины.

При соответствующей калибровке и правильной эксплуата-ции вращающиеся измерители потока обеспечивают довольно точ-ное измерение характеристик потока (нелинейность не превышает 0.005%). Однако эти устройства не обладают достаточной механи-ческой прочностью и быстро выходят из строя при измерении мощ-ных потоков и наличия в потоке посторонних твердых частиц. Для компенсации погрешностей, связанных с износом подшипников, необходимо периодически повторять процедуру калибровки изме-рителя, особенно если он эксплуатируется в коррозийной или агрес-сивной среде.

Измерители потока с тормозящим элементом.

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

(1.2)

где Cd - коэффициент торможения; А - площадь поперечного сечения элемента (м2);  - плотность текучей среды (кг/м3); u - ско-рость потока (м/с).

Коэффициент торможения зависит от формы тормозящего