Измерители расхода и количества веществ

Расход измеряют в массовых единицах (кг/с) или в объемных единицах (м³/с). Количественные показатели веществ связывает плотность ρ = m / V, кг/ м³, где m – масса вещества объемом V.

Наиболее распространенными датчиками расхода жидкостей и газов являются дроссельные, скоростные и бесконтактные датчики.

Дроссельные датчики, используемые для регистрации расхода жидкости, например, воды, имеют в своем составе диафрагму и дифференциальный манометр, регистрирующий перепад давления DР (рис. 10.9).

Диафрагма имеет отверстие с диаметром меньшим диаметра канала трубопровода, в котором течет жидкость. Благодаря ее наличию поток жидкости перед ней тормозится и статическое давление Р₁ потока увеличивается. За диафрагмой давление понижается, Р₂ < P_1. Разность давлений DР однозначно связана со скоростью _ж потока жидкости в канале.

DР = Р₁ - Р₂; .

Рис. 10.9 –Дроссельный датчик расхода жидкости: 1 – трубопровод; 2 - диафрагма;3 - дифференциальный манометр-преобразователь

Величину DР регистрируют и преобразуют в электрический сигнал дифференциальным манометром. Очевидно, что при известном значении _ж и диаметра канала D можно однозначно определять расход жидкости, как

.

Скоростные датчики расхода (анемометры) функционируют на основе измерения средней скорости потока в канале с помощью лопастных колес, вертушек, взаимодействующих с потоком (рис. 10.10).

Рис. 10.10 –Скоростной датчик расхода: 1 - трубопровод; 2 - вертушка; 3 - постоянный магнит; 4 - контактный формирователь электрических импульсов

В современных конструкциях таких расходомеров применяют герметизированные преобразователи скорости вращения вертушки в электрический сигнал, например, импульсный, как показано на рисунке. В преобразователе может использоваться электромагнитная схема формирования импульсов или геркон. Частота следования импульсов п однозначно связана с частотой вращения вертушки и, соответственно, со скоростью потока _ж = f(n), которая определяет расход жидкости

.

Бесконтактные датчики расхода(ультразвуковые, электромагнитные (индукционные), радиоизотопные и др.) не вносят возмущения в поток жидкости и газа и позволяют, благодаря этому, достичь более высокой точности регистрации скорости потока. Принцип их заключается в том, что под воздействием какого-либо источника излучения в потоке происходят изменения плотности или образуются метки (ионные, радиоактивные), имеющие скорость, одинаковую с потоком. Измеряя скорость метки, получают скорость потока. В ультразвуковых датчиках используется эффект Доплера. Электромагнитные (индукционные) датчики функционируют на основе явления электромагнитной индукции.

Измерение расхода или количества сыпучих веществ или массы порционных количеств вещества определяют весовым методом дискретно или непрерывным способом.

На рис. 10.11, а) показан принцип реализации весового метода определения массы одной порции вещества (например, единицы готовой продукции). Здесь пружинные весы механически связаны с движком переменного резистора, величина сопротивления R которого будет функционально связана с массой порции вещества, как R=f(m). Очевидно и ток резистора также будет зависеть от этой массы как I=f(m).

Рис. 10.11 – Весовой метод определения массы вещества: а) порционным способом; б) непрерывным способом

Принцип работы весового измерителя непрерывного действия отражен на рис. 10.11, б). Измеряемая масса m находится на ленточном транспортере, поддерживаемом пружиной. Деформация пружины вызывает изменение сопротивления переменного резистора. Зная массу m вещества, находящегося на ленте транспортера, при известной линейной скорости ленты, можно определить массовый расход G, вещества, как

,

где m – масса вещества; L – рабочая длина транспортера;

– скорость движения ленты.

Датчики уровня (рис. 10.12) позволяют контролировать количество вещества (жидкого или сыпучего) по его уровню h, как показателю объема. Очень часто используются поплавковые датчики, у которых линейное перемещение поплавка обеспечивает слежение за уровнем жидкости. Это перемещение может использоваться как управляющий механический сигнал или может быть преобразовано в электрический сигнал (рис. 10.12, а). Для измерения уровня сыпучих веществ (зерно, гранулированный материал) предусматривают вибрации поплавка.

Рис. 10.12 – Преобразователи уровня: а) поплавковый; б) емкостный или электрический; в) ультразвуковой

Кроме поплавковых преобразователей уровня используют также датчики давления, емкостные преобразователи или электрические датчики, проводимость которых определяется высотой заполнения чувствительного элемента (рис. 10.12, б). Если электроды чувствительного элемента запитать высокочастотным напряжением, а жидкость будет обладать высоким значением диэлектрической проницаемости (например, чистая вода), то получим емкостный датчик.

При высоких значениях проводимости жидкости будет регистрироваться изменение проводимости чувствительного элемента, пропорциональное уровню h.

В ультразвуковых датчиках уровня (рис. 10.12, в) используется способ бесконтактного акустического измерения расстояния до измеряемой поверхности через газовую среду (воздух). Уровень рассчитывается в вычислителе В как разность расстояний: высоты базовой точки крепления уровнемера h₀ и измеренного расстояния h_И, то есть h = h₀ - h_И. Расстояние h_И рассчитывается от крышки емкости и определяется по времени распространения t_И ультразвуковых колебаний УЗК от излучателя И до поверхности жидкости и обратно до приемника П, как

h_И = 0,5 v_З t_И.

Скорость распространения звука v_З в пространстве над жидкостью зависит от температуры, давления, концентрации паров жидкости и других факторов. Для уменьшения влияния (компенсации) указанных факторов ультразвуковые датчики уровня оснащают температурными датчиками, датчиками давления и другими вспомогательными устройствами, позволяющими достичь требуемой точности измерения.