Датчики скорости потока по перепаду давления

РАСХОДОМЕРЫ

На практике часто требуется измерять расход жидкостей (воды, бензина, нефти, раствори­телей и т.д.), а также воздуха и газов. Для этих целей используются расходомеры, основанные на законе сохранения массы, который является одним из основных постулатов физики. Масса не может ни создаваться, ни разрушаться. Если в замкнутом объеме нет никаких входных и вы­ходных отверстий, масса вещества в нем всегда будет оставаться по­стоянной. Однако если на границах замкнутого объема происходит втекание и вытекание массы, для постоянства массы в объеме сумма ее прихода и расхода должна всегда быть равна нулю, т.е. должно выполняться правило: сколько массы вещества поступило, столько должно и уйти.

В стационарных потоках скорость потока в заданной точке будет всегда по­стоянной, по­этому в любой точке подвижной среды всегда можно нарисовать ли­нии потока (рис. 1). Для стационарного потока распределение этих линий одинаково в любой момент времени. В любой точке z вектор скорости всегда на­правлен по касательной к линии потока. Рассмотрим замкну­тый объем в преде­лах потока среды, сформированный линиями потока, и назовем его проточ­ной трубой. Поскольку границы такой трубы состоят из линий потока, она ведет себя как обычная трубка определенной формы: текущая среда входит в трубку на од­ном конце через по­перечное сечение А₁, а вытекает на другом ее конце через сече­ние А₂. Очевидно, что скорость движения среды в разных точках внутри трубки необязательно будет одинаковой.

Объем вещества, проходящий через заданное поперечное сечение трубки площадью А в единицу времени равен:

, (1)

где: V – перемещаемый объем в течении времени ∆t, v - скорость движущейся среды через поперечное сечение А, ∆x ­- перемещение объема V.

На рис. 2. показано типовое распределение скоростей стационарного потока жидко­сти или газа внутри поперечного сечения. Средняя скорость потока в сечении А определяется следующим соотношением:

. (2)

При измерении скорости потока датчи­ком, размеры которого существенно меньше раз­меров трубки, можно получить либо завы­шенные, либо заниженные значения скорос­ти, а среднее значение скорости будет где­ то между ними, поэтому на практике чаще определя­ется не скорость потока, а расход ве­щества через определенное сечение. Расход -­ это про изведение средней скорости потока на площадь поперечного сечения. В системе СИ он измеряется в кубических метрах в секунду (м³/с). Преобразовав выражение (2), мож­но вывести уравнение для расхода вещества:

. (3)

Расходомеры обычно меряют среднюю скорость потока при известной площади попе­речного сечения А.

Принцип действия расходомеров, работающих с несжимаемыми средами (во­дой, мас­лом и т.д.), редко основывается на определении перемещения объемов, для этого чаще всего применяется измерение расхода массы. Для несжимаемых жидко­стей справедливо следую­щее соотношение между их массой и объемом:

М=ρV, (4)

где ρ – плотность жидкости.

Расход массы вещества определяется соотношением:

. (5)

Существует большое разнообразие датчиков, способных измерять скорость пере­меще­ния либо массы, либо объема. Однако независимо от типа используемого датчика определе­ние расхода вещества всегда является сложной задачей, поскольку при этом требуется учи­тывать многие физические характеристики исследуемой и окружающей сред, форму трубок и свойства материалов, из которых они изготовлены, температуру среды и давление и т.д. При выборе датчика всегда необходимо внимательно изучить его параметры, указанные в документации производителя, и учесть все известные прак­тические рекомендации, относя­щиеся к детекторам данного типа. Далее будет дано описание датчиков, в составе которых нет подвижных компонентов, и которые не со­здают (или почти не создают) никаких помех потоку жидкой среды.

Датчики скорости потока по перепаду давления

Метод определения скорости потока по перепаду давлений подразумевает вве­дение в по­ток жидкой среды некоторого сопротивления, которым может быть либо диафрагма, либо коническая трубка, либо пористая пробка. Для того чтобы понять суть этого метода, надо провести аналогию с законом Ома: Напряжение (дав­ление) на фиксированном сопротивле­нии пропорционально току (потоку) через это сопротивление. Тогда, измерив перепад дав­ления на известном резистивном элемен­те, можно определить скорость потока. На рис. 3 показаны два типа элементов, создающих сопротивление потоку. В первом случае роль со­противления играет зауженная часть трубки, а во втором - пробка из пористого материала. Входы диф­ференциального датчика давления располагаются с двух сторон резистивного эле­мента. Когда жидкость течет через зону, оказывающую повышенное сопротивление по­току, ее скорость возрастает пропорционально увеличению этого сопротивления.

Для определения расхода массы несжимаемого вещества за единицу времени исполь­зуется формула:

, (6)

где - калибровочный коэффициент, ∆p – перепад давления.

По­скольку коэффициент довольно силь­но зави­сит от температуры, калибровка должна прово­диться во всем рабочем тем­пературном диапазоне. При проведении калибровки исполь­зуются жидкости и газы с известными характеристиками. для опреде­ления перепада давлений мо­жет применяться либо один дифференциальный датчик, либо два датчика абсо­лютного давления. Для линеаризации выходного сигнала датчика сигнал с его выхода передается в микропроцессор, ко­торый вы­полняет стандартную процеду­ру извлечения квадратного корня. Досто­инствами метода опре­деления расхода жидкостей по перепаду давлений явля­ются отсут­ствие механических компо­нен­тов и возможность использования стан­дартных датчиков давле­ния, а недостат­ком - необхо­димость нарушения потока резистивными элементами.