По своему назначению фотодатчики делятся на две основные

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО КУРСУ
«ПРОМЫШЛЕННАЯ АВТОМАТИКА»
ПОДГОТОВИЛ
СЕРГЕЙ ЧЕКРЫЖОВ
ЛЕКЦИЯ . ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ПРОМЫШЛЕННОЙ АВТОМАТИКИ И
УПРАВЛЕНИЯ.
1.1. Измерения технологических параметров
Система приборов объединяет в себе все средства контроля и регулирования
технологических процессов. Характерной особенностью СП является:
1) блочно-модульный принцип, лежащий в основе конструкций устройств;
2) унификация входных-выходных сигналов и сигналов питания.
Содержит три ветви: 1) гидравлическую, 2) пневматическую и 3) электрическую.
Блочно-модульный принцип характеризуется наличием отдельных модулей или
блоков, выполняющих достаточно простую функцию. Этот принцип позволяет уменьшить
номенклатуру средств автоматизации, упрощает ремонт и замену, уменьшает стоимость,
позволяет реализовать принцип взаимозаменяемости.
Унифицированные сигналы:
1) Пневматические - сигналы давления сжатого воздуха
диапазон изменения сигнала:
0,2 - 1 бар или 0,02 - 0,1 МПа;
сигнал питания:
1,4 бар;
расстояние передачи сигнала:
до 300 м.
2) Электрические сигналы имеют много диапазонов, которые можно разделить на две
группы:
а) токовые (сигналы постоянного тока), например:
0 - 5 мА, 0 - 20 мА, 4 - 20 мА и др.;
б) сигналы напряжения постоянного тока, например: 0 - 1 В, 0 - 10 В и др.
Первичные приборы (датчики) могут преобразовывать измеряемый параметр в
какой-либо унифицированный сигнал. Если же датчик выдает неунифицированный сигнал,
то для приведения его к стандартному диапазону должен быть установлен
соответствующий преобразователь.
1.2. Точность преобразования информации.
Любые измерения сопровождаются погрешностями:
1) случайные погрешности - имеют случайную природу и причина их неизвестна;
2) промахи - вызваны неправильными отсчетами по прибору;
3) систематические - обусловлены несовершенством методов определения, конструкции
прибора.
Виды погрешностей:
1) абсолютные:
Х = Х - Х0,
где Х - измеренное значение параметра, Х0 - истинное значение;
2) относительные:
(выраженные в %-ах);
3) приведенные:
,
где Хmin и Хmax - минимальное и максимальное значения измеряемой величины.
Максимальная приведенная погрешность называется классом точности:
.
В зависимости от класса точности приборы делятся на эталонные (образцовые) и
рабочие.
1.2. Точность преобразования информации.
Любые измерения сопровождаются погрешностями:
1) случайные погрешности - имеют случайную природу и причина их неизвестна;
2) промахи - вызваны неправильными отсчетами по прибору;
3) систематические - обусловлены несовершенством методов определения, конструкции
прибора.
Виды погрешностей:
1) абсолютные:
Х = Х - Х0,
где Х - измеренное значение параметра, Х0 - истинное значение;
2) относительные:
(выраженные в %-ах);
3) приведенные:
,
где Хmin и Хmax - минимальное и максимальное значения измеряемой величины.
Максимальная приведенная погрешность называется классом точности:
.
В зависимости от класса точности приборы делятся на эталонные (образцовые) и
рабочие.
1.3. Классификация КИП.
Классификация датчиков, основные требования к ним
Автоматизация различных технологических процессов, эффективное управление
различными агрегатами, машинами, механизмами требуют многочисленных измерений
разнообразных физических величин.
Датчики (в литературе часто называемые также измерительными преобразователями),
или по-другому, сенсоры являются элементами многих систем автоматики - с их
помощью получают информацию о параметрах контролируемой системы или
устройства.
Датчик – это элемент измерительного, сигнального, регулирующего или управляющего
устройства, преобразующий контролируемую величину (температуру, давление, частоту,
силу света, электрическое напряжение, ток и т.д.) в сигнал, удобный для измерения,
передачи, хранения, обработки, регистрации, а иногда и для воздействия им на
управляемые процессы. Или проще, датчик – это устройство, преобразующее входное
воздействие любой физической величины в сигнал, удобный для дальнейшего
использования.
Используемые датчики весьма разнообразны и могут быть классифицированы по
различным признакам:
В промышленности следующее распределение доли измерений различных физических
величин: температура -50%, расход массовый и объемый – 15%, давление -10%, уровень5%, время - 4%, электрические и магнитные величины – менее 4%.
На нефтеперерабатывающих и химических производствах наиболее часто измеряемыми
величинами являются температура, давление, расход и уровень. На них приходится около
80 % всех измерений. Остальную часть занимают электрические, оптические и др.
измерения.
При измерениях используются различные измерительные приборы, которые
классифицируются по ряду признаков. Общей градацией является разделение их на
приборы для измерения: механических, электрических, магнитных, тепловых и других
физических величин.
Классификация по роду измеряемой величины указывает, какую физическую
величину измеряет прибор (давление Р, температуру Т, расход G, уровень Н, количество
вещества С и т.д.).
Исходя из признака преобразования измеряемой величины, измерительные приборы
разделяют на приборы:
а) непосредственной оценки;
б) сравнения.
По характеру изменения: стационарные и переносные.
По способу отсчёта: показывающие, регистрирующие, суммирующие.
По виду выходной величины, в которую преобразуется входная величина,
различают неэлектрические и электрические: датчики постоянного тока (ЭДС или
напряжения), датчики амплитуды переменного тока (ЭДС или напряжения), датчики
частоты переменного тока (ЭДС или напряжения), датчики сопротивления (активного,
индуктивного или емкостного) и др.
Большинство датчиков являются электрическими. Это обусловлено следующими
достоинствами электрических измерений:
- электрические величины удобно передавать на расстояние, причем передача
осуществляется с высокой скоростью;
- электрические величины универсальны в том смысле, что любые другие величины
могут быть преобразованы в электрические и наоборот;
- они точно преобразуются в цифровой код и позволяют достигнуть высокой точности,
чувствительности и быстродействия средств измерений.
По принципу действия датчики можно разделить на два класса: генераторные и
параметрические (датчики-модуляторы). Генераторные датчики осуществляют
непосредственное преобразование входной величины в электрический сигнал.
Параметрические датчики входную величину преобразуют в изменение какого-либо
электрического параметра (R, L или C) датчика.
По принципу действия датчики также можно разделить на омические, реостатные,
фотоэлектрические (оптико-электронные), индуктивные, емкостные и д.р.
Различают три класса датчиков:
- аналоговые датчики, т. е. датчики, вырабатывающие аналоговый сигнал,
пропорционально изменению входной величины;
- цифровые датчики, генерирующие последовательность импульсов или двоичное слово;
- бинарные (двоичные) датчики, которые вырабатывают сигнал только двух уровней:
"включено/выключено" (иначе говоря, 0 или 1); получили широкое распространение
благодаря своей простоте.
Требования , предъявляемые к датчикам
- однозначная зависимость выходной величины от входной;
- стабильность характеристик во времени;
- высокая чувствительность;
- малые размеры и масса;
- отсутствие обратного воздействия на контролируемый процесс и на контролируемый
параметр;
- работа при различных условиях эксплуатации;
- различные варианты монтажа.
Параметрические датчики (датчики-модуляторы) входную величину X преобразуют в
изменение какого-либо электрического параметра (R, L или C) датчика. Передать на
расстояние изменение перечисленных параметров датчика без энергонесущего сигнала
(напряжения или тока) невозможно. Выявить изменение соответствующего параметра
датчика только и можно по реакции датчика на ток или напряжение, поскольку
перечисленные параметры и характеризуют эту реакцию. Поэтому параметрические
датчики требуют применения специальных измерительных цепей с питанием
постоянным или переменным током.
Омические (резистивные) датчики – принцип действия основан на изменении их
активного сопротивления при изменении длины l, площади сечения S или удельного
сопротивления p:
R= pl/S
Кроме того, используется зависимость величины активного сопротивления от
контактного
давления и освещённости фотоэлементов. В соответствии с этим
омические датчики делят на: контактные, потенциометрические (реостатные),
тензорезисторные, терморезисторные, фоторезисторные.
Контактные датчики — это простейший вид резисторных датчиков, которые
преобразуют перемещение первичного элемента в скачкообразное изменение
сопротивления электрической цепи. С помощью контактных датчиков измеряют и
контролируют усилия, перемещения, температуру, размеры объектов, контролируют их
форму и т. д. К контактным датчикам относятся путевые и концевые выключатели,
контактные термометры и так называемые электродные датчики, используемые в
основном для измерения предельных уровней электропроводных жидкостей.
Контактные датчики могут работать как на постоянном, так и на переменном токе. В
зависимости от пределов измерения контактные датчики могут быть одно предельными
и многопредельными. Последние используют для измерения величин, изменяющихся в
значительных пределах, при этом части резистора R, включенного в электрическую цепь,
последовательно закорачиваются.
Недостаток контактных датчиков — сложность осуществления непрерывного контроля и
ограниченный срок службы контактной системы. Но благодаря предельной простоте
этих датчиков их широко применяют в системах автоматики.
Реостатные датчики представляют собой резистор с изменяющимся активным
сопротивлением. Входной величиной датчика является перемещение контакта, а
выходной – изменение его сопротивления. Подвижный контакт механически связан с
объектом, перемещение (угловое или линейное) которого необходимо преобразовать.
Наибольшее распространение получила потенциометрическая схема включения
реостатного датчика, в которой реостат включают по схеме делителя напряжения.
Напомним, что делителем напряжения называют электротехническое устройство для
деления постоянного или переменного напряжения на части; делитель напряжения
позволяет снимать (использовать) только часть имеющегося напряжения посредством
элементов электрической цепи, состоящей из резисторов, конденсаторов или катушек
индуктивности. Переменный резистор, включаемый по схеме делителя напряжения,
называют потенциометром.
Обычно реостатные датчики применяют в механических измерительных приборах для
преобразования их показаний в электрические величины (ток или напряжение),
например, в поплавковых измерителях уровня жидкостей, различных манометрах и т. п.
Датчик в виде простого реостата почти не используется вследствие значительной
нелинейности его статической характеристики Iн = f(х), где Iн - ток в нагрузке.
Выходной величиной такого датчика является падение напряжения Uвых между
подвижным и одним из неподвижных контактов. Зависимость выходного напряжения от
перемещения х контакта Uвых = f(х) соответствует закону изменения сопротивления
вдоль потенциометра. Закон распределения сопротивления по длине потенциометра,
определяемый его конструкцией, может быть линейным или нелинейным.
Потенциометрические датчики, конструктивно представляющие собой переменные
резисторы, выполняют из различных материлов — обмоточного провода, металлических
пленок, полупроводников и т. д.
Тензорезисторы (тензометрические датчики) служат для измерения механических
напряжений, небольших деформаций, вибрации. Действие тензорезисторов основано на
тензоэффекте, заключающемся в изменении активного сопротивления проводниковых и
полупроводниковых материалов под воздействием приложенных к ним усилий.
Термометрические датчики (терморезисторы) - сопротивление зависит от
температуры. Терморезисторы в качестве датчиков используют двумя способами:
1) Температура терморезистора определяется окружающей средой; ток, проходящий
через терморезистор, настолько мал, что не вызывает нагрева терморезистора. При этом
условии терморезистор используется как датчик температуры и часто называется
«термометром сопротивления».
2) Температура терморезистора определяется степенью нагрева постоянным по величине
током и условиями охлаждения. В этом случае установившаяся температура
определяется условиями теплоотдачи поверхности терморезистора (скоростью движения
окружающей среды – газа или жидкости – относительно терморезистора, ее плотностью,
вязкостью и температурой), поэтому терморезистор может быть использован как датчик
скорости потока, теплопроводности окружающей среды, плотности газов и т. п. В
датчиках такого рода происходит как бы двухступенчатое преобразование: измеряемая
величина сначала преобразуется в изменение температуры терморезистора, которое
затем преобразуется в изменение сопротивления.
Терморезисторы изготовляют как из чистых металлов, так и из полупроводников.
Материал, из которого изготавливается такие датчики, должен обладать высоким
температурным коэффициентом сопротивления, по возможности линейной
зависимостью сопротивления от температуры, хорошей воспроизводимостью свойств и
инертностью к воздействиям окружающей среды. В наибольшей степени всем
указанным свойствам удовлетворяет платина; в чуть меньшей – медь и никель.
По сравнению с металлическими терморезисторами более высокой чувствительностью
обладают полупроводниковые терморезисторы (термисторы).
Индуктивные датчики служат для бесконтактного получения информации о
перемещениях рабочих органов машин, механизмов, роботов и т.п. и преобразования
этой информации в электрический сигнал.
Принцип действия индуктивного датчика основан на изменении индуктивности обмотки
на магнитопроводе в зависимости от положения отдельных элементов магнитопровода
(якоря, сердечника и др.). В таких датчиках линейное или угловое перемещение X
(входная величина) преобразуется в изменение индуктивности (L) датчика. Применяются
для измерения угловых и линейных перемещений, деформаций, контроля размеров и т.д.
В простейшем случае индуктивный датчик представляет собой катушку индуктивности с
магнитопроводом, подвижный элемент которого (якорь) перемещается под действием
измеряемой величины.
Индуктивный датчик распознает и соответственно реагирует на все токопроводящие
предметы. Индуктивный датчик является бесконтактным, не требует механичесого
воздействия, работает бесконтактно за счет изменения электромагнитного поля.
Преимущества
- нет механического износа, отсутствуют отказы, связанные с состоянием контактов
- отсутствует дребезг контактов и ложные срабатывания
- высокая частота переключений до 3000 Hz
- устойчив к механическим воздействиям
Недостатки - сравнительно малая чувствительность, зависимость индуктивного
сопротивления от частоты питающего напряжения, значительное обратное воздействие
датчика на измеряемую величину (за счет притяжения якоря к сердечнику).
Емкостные датчики - принцип действия основан на зависимости электрической
емкости конденсатора от размеров, взаимного расположения его обкладок и от
диэлектрической проницаемости среды между ними.
Для двухобкладочного плоского конденсатора электрическая емкость определяется
выражением:
С = e0eS/h
где e0 - диэлектрическая постоянная; e - относительная диэлектрическая проницаемость
среды между обкладками; S - активная площадь обкладок; h - расстояние между
обкладками конденсатора.
Зависимости C(S) и C(h) используют для преобразования механических перемещений в
изменение емкости.
Емкостные датчики, также как и индуктивные, питаются переменным напряжением
(обычно повышенной частоты - до десятков мегагерц). В качестве измерительных схем
обычно применяют мостовые схемы и схемы с использованием резонансных контуров. В
последнем случае, как правило, используют зависимость частоты колебаний генератора
от емкости резонансного контура, т.е. датчик имеет частотный выход.
Достоинства емкостных датчиков - простота, высокая чувствительность и малая
инерционность. Недостатки - влияние внешних электрических полей, относительная
сложность измерительных устройств.
Емкостные датчики применяют для измерения угловых перемещений, очень малых
линейных перемещений, вибраций, скорости движения и т. д., а также для
воспроизведения заданных функций (гармонических, пилообразных, прямоугольных и т.
п.).
Емкостные преобразователи, диэлектрическая проницаемость e которых изменяется за
счет перемещения, деформации или изменения состава диэлектрика, применяют в
качестве датчиков уровня непроводящих жидкостей, сыпучих и порошкообразных
материалов, толщины слоя непроводящих материалов (толщиномеры), а также контроля
влажности и состава вещества.
Датчики – генераторы
Генераторные датчики осуществляют непосредственное преобразование входной
величины X в электрический сигнал. Такие датчики преобразуют энергию источника
входной (измеряемой) величины сразу в электрический сигнал, т.е. они являются как бы
генераторами электроэнергии (откуда и название таких датчиков - они генерируют
электрический сигнал).
Дополнительные источники электроэнергии для работы таких датчиков принципиально
не требуются (тем не менее дополнительная электроэнергия может потребоваться для
усиления выходного сигнала датчика, его преобразования в другие виды сигналов и
других целей). Генераторными являются термоэлектрические, пьезоэлектрические,
индукционные, фотоэлектрические и многие другие типы датчиков.
Индукционные датчики преобразуют измеряемую неэлектрическую величину в ЭДС
индукции. Принцип действия датчиков основан на законе электромагнитной индукции. К
этим датчикам относятся тахогенераторы постоянного и переменного тока,
представляющие собой небольшие электромашинные генераторы, у которых выходное
напряжение пропорционально угловой скорости вращения вала генератора.
Тахогенераторы используются как датчики угловой скорости.
Тахогенератор представляет собой электрическую машину, работающую в генераторном
режиме. При этом вырабатываемая ЭДС пропорциональна скорости вращения и
величине магнитного потока. Кроме того, с изменением скорости вращения изменяется
частота ЭДС. Применяются как датчики скорости (частоты вращения).
Температурные датчики. В современном промышленном производстве наиболее
распространенными являются измерения температуры (так, на атомной электростанции
среднего размера имеется около 1500 точек, в которых производится такое измерение, а
на крупном предприятии химической промышленности подобных точек присутствует
свыше 20 тыс.). Широкий диапазон измеряемых температур, разнообразие условий
использования средств измерений и требований к ним определяют многообразие
применяемых средств измерения температуры.
Если рассматривать датчики температуры для промышленного применения, то можно
выделить их основные классы: кремниевые датчики температуры, биметаллические
датчики, жидкостные и газовые термометры, термоиндикаторы, термисторы, термопары,
термопреобразователи сопротивления, инфракрасные датчики.
Кремниевые датчики температуры используют зависимость сопротивления
полупроводникового кремния от температуры. Диапазон измеряемых температур 50…+150 0C. Применяются в основном для измерения температуры внутри электронных
приборов.
Биметаллический датчик сделан из двух разнородных металлических пластин,
скрепленных между собой. Разные металлы имеют различный температурный
коэффициент расширения. Если соединенные в пластину металлы нагреть или охладить,
то она изогнется, при этом замкнет (разомкнет) электрические контакты или переведет
стрелку индикатора. Диапазон работы биметаллических датчиков -40…+550 0C.
Используются для измерения поверхности твердых тел и температуры жидкостей.
Основные области применения – автомобильная промышленность, системы отопления и
нагрева воды.
Термоиндикаторы – это особые вещества, изменяющие свой цвет под воздействием
температуры. Изменение цвета может быть обратимым и необратимым. Производятся в
виде пленок.
Термопреобразователи сопротивления
Принцип действия термопреобразователей сопротивления (терморезисторов) основан на
изменении электрического сопротивления проводников и полупроводников в
зависимости от температуры (рассмотрен ранее).
Платиновые терморезисторы предназначены для измерения температур в пределах от –
260 до 1100 0С. Широкое распространение на практике получили более дешевые медные
терморезисторы, имеющие линейную зависимость сопротивления от температуры.
Недостатком меди является небольшое ее удельное сопротивление и легкая
окисляемость при высоких температурах, вследствие чего конечный предел применения
медных термометров сопротивления ограничивается температурой 180 0C. По
стабильности и воспроизводимости характеристик медные терморезисторы уступают
платиновым. Никель используется в недорогих датчиках для измерения в диапазоне
комнатных температур.
Полупроводниковые терморезисторы (термисторы) имеют отрицательный или
положительный температурный коэффициент сопротивления, значение которого при 20
0
C составляет (2…8)*10–2 (0C)–1, т.е. на порядок больше, чем у меди и платины.
Полупроводниковые терморезисторы при весьма малых размерах имеют высокие
значения сопротивления (до 1 МОм). В качестве полупров. материала используются
оксиды металлов: полупроводниковые терморезисторы типов КМТ - смесь окислов
кобальта и марганца и ММТ - меди и марганца.
Полупроводниковые датчики температуры обладают высокой стабильностью
характеристик во времени и применяются для изменения температур в диапазоне от –100
до 200 0С.
Термоэлектрические преобразователи (термопары) - принцип действия термопар
основан на термоэлектрическом эффекте, который состоит в том, что при наличии
разности температур мест соединений (спаев) двух разнородных металлов или
полупроводников в контуре возникает электродвижущая сила, называемая термоэлектродвижущей (сокращенно термо-ЭДС). В определенном интервале температур
можно считать, что термо-ЭДС прямо пропорциональна разности температур ΔT = Т1 –
Т0 между спаем и концами термопары.
Соединенные между собой концы термопары, погружаемые в среду, температура
которой измеряется, называют рабочим концом термопары. Концы, которые находятся в
окружающей среде, и которые обычно присоединяют проводами к измерительной схеме,
называют свободными концами. Температуру этих концов необходимо поддерживать
постоянной. При этом условии термо-ЭДС Ет будет зависеть только от температуры T1
рабочего конца.
Uвых = Eт = С(Т1 – Т0),
где С – коэффициент, зависящий от материала проводников термопары.
Создаваемая термопарами ЭДС сравнительно невелика: она не превышает 8 мВ на
каждые 100 0С и обычно не превышает по абсолютной величине 70 мВ. Термопары
позволяют измерять температуру в диапазоне от –200 до 2200 0С.
Наибольшее распространение для изготовления термоэлектрических преобразователей
получили платина, платинородий, хромель, алюмель.
Термопары имеют следующие преимущества: простота изготовления и надёжность в
эксплуатации, дешевизна, отсутствие источников питания и возможность измерений в
большом диапазоне температур.
Наряду с этим термопарам свойственны и некоторые недостатки - меньшая, чем у
терморезисторов, точность измерения, наличие значительной тепловой инерционности,
необходимость введения поправки на температуру свободных концов и необходимость в
применении специальных соединительных проводов.
Инфрокрасные датчики (пирометры) - используют энергию излучения нагретых тел,
что позволяет измерять температуру поверхности на расстоянии. Пирометры делятся на
радиационные, яркостные и цветовые.
Радиационные пирометры используются для измерения температуры от 20 до 2500 0С,
причем прибор измеряет интегральную интенсивность излучения реального объекта.
Яркостные (оптические) пирометры используются для измерения температур от 500 до
4000 0С. Они основаны на сравнении в узком участке спектра яркости исследуемого
объекта с яркостью образцового излучателя (фотометрической лампы).
Цветовые пирометры основаны на измерении отношения интенсивностей излучения на
двух длинах волн, выбираемых обычно в красной или синей части спектра; они
используются для измерения температуры в диапазоне от 800 0С.
Пирометры позволяют измерять температуру в труднодоступных местах и температуру
движущихся объектов, высокие температуры, где другие датчики уже не работают.
Кварцевые термопреобразователи
Для измерения температур от – 80 до 250 0С часто используются так называемые
кварцевые термопреобразователи, использующие зависимость собственной частоты
кварцевого элемента от температуры. Работа данных датчиков основана на том, что
зависимость частоты преобразователя от температуры и линейность функции
преобразования изменяются в зависимости от ориентации среза относительно осей
кристалла кварца. Данные датчики широко используются в цифровых термометрах.
Пьезоэлектрические датчики
Действие пьезоэлектрических датчиков основано на использовании пьезоэлектрического
эффекта (пьезоэффекта), заключающегося в том, что при сжатии или растяжении
некоторых кристаллов на их гранях появляется электрический заряд, величина которого
пропорциональна действующей силе.
Пьезоэффект обратим, т. е. приложенное электрическое напряжение вызывает
деформацию пьезоэлектрического образца - сжатие или растяжение его соответственно
знаку приложенного напряжения. Это явление, называемое обратным пьезоэффектом,
используется для возбуждения и приема акустических колебаний звуковой и
ультразвуковой частоты.
Используются для измерения сил, давления, вибрации и т.д.
Оптические (фотоэлектрические) датчики
Различают аналоговые и дискретные оптические датчики. У аналоговых датчиков
выходной сигнал изменяется пропорционально внешней освещенности. Основная
область применения – автоматизированные системы управления освещением.
Датчики дискретного типа изменяют выходное состояние на противоположное при
достижении заданного значения освещенности.
Фотоэлектрические датчики могут быть применены практически во всех отраслях
промышленности. Датчики дискретного действия используются как своеобразные
бесконтактные выключатели для подсчета, обнаружения, позиционирования и других
задач на любой технологической линии.
Оптический бесконтактный датчик, регистрирует изменение светового потока в
контролируемой области, связанное с изменением положения в пространстве каких-либо
движущихся частей механизмов и машин, отсутствия или присутствия объектов.
Благодаря большим расстояниям срабатывания оптические бесконтактные датчики
нашли широкое применение в промышленности и не только.
Оптический бесконтактный датчик состоит из двух функциональных узлов, приемника и
излучателя. Данные узлы могут быть выполнены как в одном корпусе, так и в различных
корпусах.
По методу обнаружения объекта фотоэлектрические датчики подразделяются на 4
группы:
1) пересечение луча - в этом методе передатчик и приемник разделены по разным
корпусам, что позволяет устанавливать их напротив друг друга на рабочем расстоянии.
Принцип работы основан на том, что передатчик постоянно посылает световой луч,
который принимает приемник. Если световой сигнал датчика прекращается, в следствии
перекрытия сторонним объектом, приемник немедленно реагирует меняя состояние
выхода.
2) отражение от рефлектора - в этом методе приемник и передатчик датчика находятся
в одном корпусе. Напротив датчика устанавливается рефлектор (отражатель). Датчики с
рефлектором устроены так, что благодаря поляризационному фильтру они
воспринимают отражение только от рефлектора. Это рефлекторы, которые работают по
принципу двойного отражения. Выбор подходящего рефлектора определяется
требуемым расстоянием и монтажными возможностями.
Посылаемый передатчиком световой сигнал отражаясь от рефлектора попадает в
приемник датчика. Если световой сигнал прекращается, приемник немедленно
реагирует, меняя состояние выхода.
3) отражение от объекта - в этом методе приемник и передатчик датчика находятся в
одном корпусе. Во время рабочего состояния датчика все объекты, попадающие в его
рабочую зону, становятся своеобразными рефлекторами. Как только световой луч
отразившись от объекта попадает на приемник датчика, тот немедленно реагирует, меняя
состояние выхода.
4) фиксированное отражение от объекта -принцип действия датчика такой же как и у
"отражение от объекта" но более чутко реагирующий на отклонение от настройки на
объект. Например, возможно детектирование вздутой пробки на бутылке с кефиром,
неполное наполнение вакуумной упаковки с продуктами и т.д.
По своему назначению фотодатчики делятся на две основные группы: датчики общего
применения и специальные датчики. К специальным, относятся типы датчиков,
предназначенные для решения более узкого круга задач. К примеру, обнаружение
цветной метки на объекте, обнаружение контрастной границы, наличие этикетки на
прозрачной упаковке и т.д.
Задача датчика обнаружить объект на расстоянии. Это расстояние варьируется в
пределах 0,3мм-50м, в зависимости от выбранного типа датчика и метода обнаружения.
Микроволновые датчики
На смену кнопочно - релейным пультам приходят микропроцессорные автоматические
системы управления технологическим процессом (АСУ ТП) высочайшей
производительности и надежности, датчики оснащаются цифровыми интерфейсами
связи, однако это не всегда приводит к повышению общей надежности системы и
достоверности ее работы. Причина заключается в том, что сами принципы действия
большинства известных типов датчиков накладывают жесткие ограничения на условия, в
которых они могут использоваться.
Например, для слежения за скоростью движения промышленных механизмов широко
применяются бесконтактные (емкостные и индуктивные), а также тахогенераторные
устройства контроля скорости (УКС). Тахогенераторные УКС имеют механическую
связь с движущимся объектом, а зона чувствительности бесконтактных приборов не
превышает нескольких сантиметров.
Все это не только создает неудобства при монтаже датчиков, но и существенно
затрудняет использование этих приборов в условиях пыли, которая налипает на рабочие
поверхности, вызывая ложные срабатывания. Перечисленные типы датчиков не
способны напрямую контролировать объект (например, ленту конвейера) - они
настраиваются на движение роликов, крыльчаток, натяжных барабанов и т. д. Выходные
сигналы некоторых приборов настолько слабы, что лежат ниже уровня промышленных
помех от работы мощных электрических машин.
Аналогичные трудности возникают при использовании традиционных сигнализаторов
уровня - датчиков наличия сыпучего продукта. Такие устройства необходимы для
своевременного отключения подачи сырья в производственные емкости. К ложным
срабатываниям приводит не только налипание и пыль, но и прикосновение потока
продукта при его поступлении в бункер. В неотапливаемых помещениях на работу
датчиков влияет окружающая температура. Ложные срабатывания сигнализаторов
вызывают частые остановки и запуски нагруженного технологического оборудования основную причину его аварий, приводят к завалам, обрыву конвейеров, возникновению
пожаро- и взрывоопасных ситуаций.
Указанные проблемы несколько лет назад привели к разработке принципиально новых
типов приборов - радиолокационных датчиков контроля скорости, датчиков движения и
подпора, работа которых основана на взаимодействии контролируемого объекта с
радиосигналом частотой около 1010 Гц.
Использование микроволновых методов контроля за состоянием технологического
оборудования позволяет полностью избавиться от недостатков датчиков традиционных
типов.
Отличительными особенностями этих устройств являются:
- отсутствие механического и электрического контакта с объектом (средой), расстояние
от датчика до объекта может составлять несколько метров;
- непосредственный контроль объекта (транспортерной ленты, цепи) а не их приводов,
натяжных барабанов и т. д.;
- малое энергопотребление;
- нечувствительность к налипанию продукта за счет больших рабочих расстояний;
- высокая помехоустойчивость и направленность действия;
- разовая настройка на весь срок службы;
- высокая надежность, безопасность, отсутствие ионизирующих излучений.
Принцип действия датчика основан на изменении частоты радиосигнала, отраженного от
движущегося объекта. Это явление ("эффект Допплера") широко используется в
радиолокационных системах для дистанционного измерения скорости. Движущийся
объект вызывает появление электрического сигнала на выходе микроволнового приемопередающего модуля.
Так как уровень сигнала зависит от свойств отражающего объекта, датчики движения
могут использоваться для того, чтобы сигнализировать об обрыве цепи (ленты), наличии
на конвейерной ленте каких-либо предметов или материалов. Лента имеет гладкую
поверхность и низкий коэффициент отражения. Когда мимо датчика, установленного над
рабочей веткой транспортера, начинает двигаться продукт, увеличивая коэффициент
отражения, прибор сигнализирует о движении, то есть, фактически о том, что лента не
пуста. По длительности выходного импульса можно на значительном расстоянии судить
о размере перемещаемых предметов, производить селекцию и т.д.
При необходимости заполнить какую-либо емкость (от бункера до шахты) можно точно
определить момент окончания засыпки - опущенный на определенную глубину датчик
будет показывать движение наполнителя до тех пор, пока не будет засыпан.
Конкретные примеры использования микроволновых датчиков движения в различных
отраслях промышленности определяются ее спецификой, но в целом они способны
решать самые разнообразные задачи безаварийной эксплуатации оборудования и
повысить информативность автоматизированных систем управления.
Физические принципы функционирования современных датчиков
Основные принципы функционирования современных датчиков и их особенности
приведены в табл. 2.
Таблица 2. Основные принципы функционирования современных датчиков
Эффект или явление
Пироэлектрический
эффект
Термоэлектрический
эффект
Электротермический
эффект Пельтье
Электротермический
эффект Томсона
Теплопроводность
Тепловое излучение
Эффект Зеебека
Преобразование
Сущность
Температура
– Возникновение электрозарядов на гранях
электричество
кристаллов при повышении температуры
Тепловая энергия – Испускание электронов при нагревании
электроны
металла в вакууме
Электричество
– Поглощение (генерация) тепловой энергии
тепловая энергия
при
электротоке
в
цепи
с
биметаллическими соединениями
Температура
и Поглощение (генерация) тепловой энергии
электричество
– при разных температурах участков в
тепловая энергия
однородной цепи
Тепловая энергия – Переход тепла внутри объекта в область с
изменение
более низкой температурой
физических свойств
Тепловая энергия – Оптическое излучение при повышении
инфракрасные лучи
температуры объекта
Температура
– Возникновение
ЭДС
в
цепи
с
электричество
биметаллическими соединениями при
разной температуре слоев
Фотогальванический
эффект
Эффект
фотопроводимости
Свет – электричество Возникновение ЭДС в облучаемом светом
p-n переходе
Свет
– Изменение
электросопротивления
электросопротивление полупроводника при его облучении
светом
Эффект Зеемана
Свет, магнетизм – Расщепление спектральных линий при
спектр
прохождении света в магнитном поле
Эффект
Рамана Свет – свет
Возникновение в веществе светового
(комбинационное
излучения, отличного по спектру от
рассеяние света)
исходного монохроматического
Эффект Поккельса
Свет и электричество Расщепление
светового
луча
на
– свет
обыкновенный и необыкновенный при
прохождении через пьезокристалл с
приложенным
к
нему
электронапряжением
Эффект Керра
Свет и электричество Расщепление
светового
луча
на
– свет
обыкновенный и необыкновенный в
изотопном веществе с приложенным к
нему электронапряжением
Эффект Фарадея
Свет и магнетизм – Поворот плоскости поляризации светового
свет
луча
при
прохождении
через
парамагнитное вещество
Эффект Холла
Магнетизм
и Возникновение разности потенциалов на
электричество
– гранях твердого тела при пропускании
электричество
через него электротока и приложении
магнитного поля
Эффект Доплера
Звук, свет – частота
Изменение
частоты
при
взаимном
перемещении объектов
Магнитосопротивление Магнетизм
и Увеличение
электрического
электричество
– сопротивления твердого тела в магнитном
электросопротивление поле
Магнитострикция
Магнетизм
– Деформация ферромагнитного тела в
деформация
магнитном поле
Пьезоэлектрический
Давление
– Возникновение разности потенциалов на
эффект
электричество
гранях сегнетоэлектрика, находящегося
под давлением
Анализ технических характеристик современных датчиков показывает, что по мере
внедрения микропроцессоров ДТС становились все более интеллектуальными
(обладающими
искусственным интеллектом). В настоящее время хорошие
интеллектуальные возможности имеют так называемые датчики с двойной технологией,
т.е. комбинированные датчики. Эти возможности можно проиллюстрировать на примере
микропроцессорного охранного датчика двойной технологии DS970 фирмы Detection
Systems.
Данный датчик объединяет в себе пассивный инфракрасный детектор с линзой Френеля и
микроволновый детектор на эффекте Доплера. Он имеет два типа диаграммы
направленности: стандартную (21х21 м) и “Луч” – 30х3 м. Хорошая адаптируемость к
различным внешним условиям достигается за счет независимой регулировки
чувствительности каждого из детекторов. Сигнал тревоги формируется при условии, что
инфракрасный и микроволновый детекторы одновременно зарегистрировали нарушение в
своей зоне охраны. При этом амплитуда и временные параметры сигналов для каждого из
детекторов должны соответствовать состоянию тревоги. Далее сигнал от ИК-детектора
обрабатывается схемой “Анализатор движения”, проверяющей форму и временные
характеристики сигнала. Микропроцессор автоматически подстраивается под скорость
движения и амплитуду его сигнала. Этот анализатор не дает ложных срабатываний на
возмущения, вызванные горячими и холодными воздушными потоками, работой
нагревательных приборов и кондиционеров, воздействием помех от солнечного света,
молний и света автомобильных фар. “Анализатор движения” обеспечивает два уровня
чувствительности ИК-детектора.
Схема регистрации и обработки сигнала микроволнового детектора идентифицирует и
блокирует источники повторяющихся ложных срабатываний и обеспечивает гибкую
адаптацию к фоновым возмущениям. Используемый алгоритм работы значительно
уменьшает вероятность ложной тревоги и сохраняет высокую надежность регистрации
реального нарушения зоны охраны. Кроме всего прочего, данный датчик обеспечивает
также “защиту от маскирования”, функцию “контроль присутствия”, защиту от вскрытия и
автоматическое самотестирование ИК- и МВ-детекторов.
Характерной тенденцией мирового технологического развития последнего десятилетия
явилось зарождение интегральных, в том числе, микросистемных технологий .
Инициирующим фактором, способствующим динамичному развитию микросистемной
техники, стало появление, так называемых микроэлектромеханических систем – МЭМС, в
которых гальванические связи находятся в тесном взаимодействии с механическими
перемещениями. Особенностью МЭМС является то обстоятельство, что в них
электрические и механические узлы формируются из общего основания (например,
кремниевой подложки), причем, в результате использования технологии формирования
объемных структур обеспечивается получение микросистемной техники с высокими
оперативно-техническими
характеристиками
(массо-габаритными,
весовыми,
энергетическими и др), что сразу же привлекло к себе внимание специалистов –
разработчиков спецтехники.
Использование МЭМС-технологий в современных электронных системах позволяет
значительно увеличить их функциональность. Используя технологические процессы, почти
не отличающиеся от производства кремниевых микросхем, разработчики МЭМС-устройств
создают миниатюрные механические структуры, которые могут взаимодействовать с
окружающей средой и выступать в роли датчиков, передающих воздействие в
интегрированную с ними электронную схему. Именно датчики являются наиболее
распространенным примером использования МЭМС-технологии: они используются в
гироскопах, акселерометрах, измерителях давления и других устройствах.
В настоящее время почти все современные автомобили используют МЭМС-акселерометры
для активации воздушных подушек безопасности. Микроэлектромеханические датчики
давления широко используются в автомобильной и авиационной промышленности.
Гироскопы находят применение во множестве устройств, начиная со сложного
навигационного оборудования космических аппаратов и заканчивая джойстиками для
компьютерных игр. МЭМС-устройства с микроскопическими зеркалами используются для
производства дисплеев и оптических коммутаторов.
Микрокоммутаторы и резонансные устройства, выполненные по МЭМС-технологии,
демонстрируют меньшие омические потери и высокую добротность при уменьшении
потребляемой мощности и габаритов, лучшей повторяемости и более широком диапазоне
варьируемых параметров. В биотехнологии применение МЭМС-устройств позволяет
создавать дешевые, но производительные однокристальные устройства для расшифровки
цепочек ДНК, разработки новых лекарственных и других специальных препаратов
(“лаборатория на кристалле”). Кроме того, необходимо также отметить емкий рынок
струйных принтеров, в катриджах которых используются микрожидкостные МЭМСустройства, создающие и выпускающие микрокапли чернил под управлением
электрических сигналов.
По мнению экспертов, развитие микросистемной техники может иметь такое же влияние на
научно-технический прогресс, какое оказало появление микроэлектроники на становление
и современное состояние ведущих областей науки и техники. В ближайшее время можно
ожидать создание микросистемных датчиков для приборов определения различных
запахов, что, безусловно, существенно активизирует криминалистику и будет
способствовать решению проблемы биометрической бесконтактной идентификации
личности и контроля НСД.
1.4. Виды первичных преобразователей.
Первичные приборы или первичные преобразователи предназначены для
непосредственного преобразования измеряемой величины в другую величину, удобную для
измерения или использования. Различают генераторные, параметрические и механические
преобразователи:
1) Генераторные осуществляют преобразование различных видов энергии в
электрическую, то есть они генерируют электрическую энергию (термоэлектрические,
пьезоэлектрические, электрикинетические, гальванические и др. датчики).
2) К параметрическим относятся реостатные, тензодатчики, термосопротивления и т.п.
Им для работы необходим источник энергии.
3) Выходным сигналом механических первичных преобразователей
(мембранных,
манометров, дифманометров, ротаметров и др.) является усилие, развиваемое
чувствительным элементом под действием измеряемой величины.
1.5. Методы и приборы для измерения температуры.
1.5.1 Классификация термометров.
Температура вещества - величина, характеризующая степень нагретости, которая
определяется внутренней кинетической энергией теплового движения молекул. Измерение
температуры практически возможно только методом сравнения степени нагретости двух
тел.
Для сравнения нагретости этих тел используют изменения каких-либо физических
свойств, зависящих от температуры и легко поддающихся измерению.
По свойству термодинамического тела, используемого для измерения температуры,
можно выделить следующие типы термометров:










термометры расширения, основанные на свойстве температурного расширения жидких
тел;
термометры расширения, основанные на свойстве температурного расширения твердых
тел;
термометры газовые манометрические;
термометры жидкостные манометрические;
конденсационные;
электрические;
термометры сопротивления;
оптические монохроматические пирометры;
оптические цветовые пирометры;
радиационные пирометры.
1.5.2 Термометры расширения. Жидкостные стеклянные.
Тепловое расширение жидкости характеризуется сравнительным коэффициентом
объемного расширения, значение которого определяется как
, 1/град,
где V0, Vt1, Vt2 - объемы жидкости при 0 С, температурах t1 и t2 соответственно.
Чувствительность термометра зависит от разности коэффициентов объемного
расширения термометрической жидкости и стекла, от объема резервуара и диаметра
капилляра. Чувствительность термометра обычно лежит в пределах 0,4…5 мм/С (для
некоторых специальных термометров 100…200 мм/С).
Для защиты от повреждений технические термометры монтируются в
металлической оправе, а нижняя погружная часть закрывается металлической гильзой.
1.5.3 Термометры, основанные на расширении твердых тел.
К этой группе приборов
относятся дилатометрические и биметаллические
термометры, основанные на изменении линейных размеров твердых тел с изменением
температуры.
1) Конструктивное исполнение дилатометрических термометров основано на
преобразовании измеряемой температуры в разность абсолютных значений удлинений
двух стержней, изготовленных из материалов с существенно различными термическими
коэффициентами линейного расширения:
, 1/град,
где l0, lt1, lt2 - линейные размеры тела при 0 С, температурах t1 и t2 соответственно.
В силу того, что  мала, дилатометрические термометры применяются в качестве
различного рода тепловых реле в устройствах сигнализации и регулирования температуры.
2) Биметаллические термометры основаны на деформации биметаллической ленты при
изменении температуры. Обычно применяются биметаллические ленты, согнутые в виде
плоской или винтовой спирали. Один конец спирали укреплен неподвижно, второй - на оси
стрелки. Угол поворота стрелки равен углу закручивания спирали, который
пропорционален изменению температуры.
Биметаллические термометры обеспечивают изменение температуры с
относительными погрешностями 1 - 1,5 %.
1.5.4 Газовые манометрические термометры.
В основу принципа действия манометрического термометра положена зависимость
между температурой и давлением термометрического (рабочего) вещества, лишенного
возможности свободно расширяться при нагревании.
Манометрические термометры обычно включают в себя термобаллон, капиллярную
трубку и трубчатую пружину с поводком, зубчатым сектором и стрелкой. Вся стистема
заполняется рабочим веществом. При нагревании термобаллона, установленного в зоне
измеряемой температуры, давление рабочего вещества внутри замкнутой системы
увеличивается. Увеличение давления воспринимается манометрической пружиной, которая
воздействует через передаточный механизм на стрелку или перо прибора.
Газовые манометрические термометры основаны на зависимости температуры и
давления газа, заключенного в герметически замкнутой термосистеме.
Достоинства: шкала прибора практически равномерна.
Недостатки: сравнительно большая инерционность и большие размеры
термобаллона.
1.5.5 Жидкостные манометрические термометры.
В качестве манометрической жидкости в приборах этого типа применяется
метиловый спирт , ксилол, толуол, ртуть и т.д.
Жидкостные манометрические термометры имеют равномерную шкалу.
1.5.6 Конденсационные манометрические термометры.
Конденсационные манометрические термометры реализуют зависимость упругости
насыщенных паров низкокипящей жидкости от температуры. Поскольку эти зависимости
для используемых жидкостей (хлористый метил, этиловый эфир, хлористый этил, ацетон и
др.) нелинейны, следовательно, и шкалы термометров неравномерны. Однако, эти приборы
обладают более высокой чувствительностью, чем газовые жидкостные.
1.5.7 Электрические термометры.
t0
В
А
t
Принцип действия этого типа термометров основан на зависимости
термо-ЭДС (ТЭДС) цепи от изменения температуры.
В термоэлектрической цепи, состоящей из двух проводников А и В
возникают 4 различные ТЭДС: 2 ТЭДС в местах спаев проводников А и В,
ТЭДС на конце проводника А и ТЭДС на конце проводника В. Суммарная
ТЭДС, возникающая при нагреве спаев проводников до температур t и t0:
EAB(t t0) = eAB(t) + eBA(t0),
где eBA и eAB - ТЭДС, обусловленная контактной разностью потенциалов и разностью
температур концов А и В.
ТЭДС EAB(t t0) является функцией от температуры горячего спая t при условии
постоянства температуры холодного спая t0.
Термопары градуируются при определенной постоянной температуры t0 (обычно
t0 = 0 C или 20 C). При измерениях температура t0 может отличаться от градуировочного
значения. В этом случае вводится соответствующая поправка в результат измерения:
EAB(t t0) = EAB(t t0’) + EAB(t0’t0).
Поправка EAB(t0’t0) равна ТЭДС, которую развивает данная термопара при
температуре горячего спая t0’ и градуировочном значении температуры холодных спаев.
Поправка берется положительной, если t0’ > t0 и отрицательной, если t0’ < t0.
Величина поправки может быть взята из градуировочной таблицы.
Конструктивное исполнение термопар разнообразно и зависит главным образом от
условий их применения. При необходимости измерения небольшой разницы температур
или получения большой ТЭДС применяются дифференциальные термопары и
термобатареи, представляющие собой несколько последовательно соединенных термопар.
Компенсация изменения температуры холодных спаев термопар. Правильное
измерение температуры возможно лишь при постоянстве температур свободных спаев t0.
оно обеспечивается с помощью соединительных проводов и специальных
термостатирующих устройств. Соединительные провода в данном случае предназначены
для переноса свободных концов термопары в зону с известной постоянной температурой, а
также для подсоединения свободного конца термопары к зажимам измерительных
приборов. Соединительные провода должны быть термоэлектрически подобны
термоэлектродам термопары.
Как правило, соединительные провода для термопар, изготовленных из
неблагородных металлов, выполняются из тех же самых материалов, что и
термоэлектроды. Исключение составляет хромель-алюмелевая термопара, для которой с
целью уменьшения сопротивления линии в качестве соединительных проводов
применяется медь в паре с константаном.
Градуировки термопар: ХА - хромель-алюмелевые;
ХК - хромель-копелевые;
ПП - платинородий-платиновые и т.д.
Требования к термопарам:
1) воспроизводимость,
2) высокая чувствительность,
3) надежность,
4) стабильность,
5) достаточный температурный диапазон.
Материалы, используемые для изготовления термопар.
Название
Состав
ТЭДС, мВ
Максимальный
(при t0 = 0 C и t1 = 100 C) темпер. предел, C
хромель
10% Cr + 90 % Ni
+2,95
1000
платинородий
90 % Pt + 10 % Rh
+0,86
1300
медь
Cu
+0,76
350
платина
Pt
0
1300
алюмель
95 % Ni + 5 % Al
-1,2
1000
копель
56 % Cu + 44 % Ni
-4
600
константан
60 % Cu + 40 % Ni
-3,4
600
Е, мВ
Градуировочные зависимости термопар
ТХК
40
ТХА
30
ТВР
20
ТПГ
10
ТПР
200
400 600 800 1000 1200 1400 1600
t, С
Методы и средства для измерения ТЭДС:
1) Метод непосредственной оценки ( с помощью милливольтметра);
2) Компенсационный метод (с помощью потенциометров).
1.5.8 Термометры сопротивления.
Измерение температуры термосопротивлениями основано на свойстве проводников
и полупроводников изменять свое электрическое сопротивление при изменении
температуры.
Вид функции R = f(t) зависит от природы материала. Для изготовления
чувствительных элементов серийных термосопротивлений применяются чистые металлы, к
которым предъявляются следующие требования:
а) металл не должен окисляться или вступать в химические реакции с измеряемой средой;
б) температурный коэффициент электрического сопротивления металла  должен быть
достаточно большим и неизменным;
в) функция R = f(t) должна быть однозначна;
г) удельное электрическое сопротивление металла должно быть достаточно большим.
Наиболее полно указанным требованиям отвечают: платина, медь, никель, железо и др.
Основной недостаток термосопротивлений: большая инерционность (до 10 мин.).
Для измерения температуры наиболее часто применяются термосопротивления типов:
ММТ-1, ММТ-4, ММТ-6 (медно-марганцевые); КМТ-1, КМТ-4 (кобальто-марганцевые).
1.5.9 Пирометры излучения.
Пирометры излучения основаны на использовании теплового излучения нагретых
тел. Верхний предел измерения температуры пирометра излучения практически не
ограничен. Измерение основано на бесконтактном способе, поэтому отсутствует искажение
температурного поля, вызываемое введением преобразовательного элемента прибора в
измеряемую среду. Возможно измерение температуры пламени и высоких температур
газовых потоков при больших скоростях.
Лучистая энергия выделяется нагретым телом в виде волн различной длины. При
сравнительно низких температурах (до 500 С) нагретое тело испускает инфракрасные
лучи. По мере повышения температуры цвет тела от темно-красного доходит до белого.
Возрастание интенсивности монохроматического излучения с повышением температуры
описывается соответствующими уравнениями.
1.5.10 Цветовые пирометры.
В цветовых пирометрах определяется отношение интенсивности излучения
реального тела Е в лучах с двумя заранее выбранными значениями длины волны 1 и 2, то
есть показания цветовых пирометров определяется функцией f(Е1 / Е2). Это отношение
для каждой температуры различно, но однозначно.
1.6. Вторичные приборы для измерения разности потенциалов.
Для измерения ТЭДС в комплектах термоэлектрических термометров применяются
термометрические милливольтметры и потенциометры.
1.6.1 Пирометрические милливольтметры.
1
2
3
4
Пирометрические милливольтметры являются электроизмерительными приборами магнито-электрической системы.
В конструкции пирометрических милливольтметров
можно выделить магнитную и подвижную системы. Первая
состоит из подковообразного магнита 1, полюсных
наконечников 2 и цилиндрического сердечника 3. Кольцевой
зазор между сердечником и полюсными наконечниками
характеризуется
наличием
практически
равномерного
электромагнитного поля.
В этом зазоре соосно с сердечником размещается рамка 4, которая монтируется на кернах,
опирающихся на подпятники, либо на натянутых нитях. Момент сил, противодействующий
вращению рамки создается специальными пружинами.
Взаимодействие тока, протекающего по рамке с полем постоянного магнита 2
вызывает
появление
вращающего
момента,
который,
будучи
уравновешен
противодействующим моментом пружин, поворачивает рамку на определенный угол. Этот
угол пропорционален величине протекающего по рамке тока.
1.6.2 Потенциометры.
Потенциометры в отличие от милливольтметров работают по компенсационному
(нулевому) методу измерения.
Принцип
компенсации
при
измерении
ТЭДС
зиключается в уравновешивании ее известным напряжением
U
на
калибровочном
резисторе
R,
созданным
R
АВ
В
А
вспомогательным источником тока. Ток от вспомогательного
D
источника проходит через реохорд RAB.
UAB пропорционально RАВ (в точке D находится движок
Е
НП
реохорда).
Последовательно с термопарой, генерирующей ТЭДС,
включен милливольтметр НП (нуль-прибор) с нулем в
середине шкалы. Передвигая движок D, добиваются
Е(t t0)
уравновешивания UAB и E(t t0).
1.6.3 Автоматические электрические потенциометры.
А
Rн
Rp
сопротивление
реохорда,
Rш - шунта,
Rп - для задания пределов
измерения,
Rн и Rк - для задания
начала и конца шкалы,
Rб - балластное,
Rс - для поверки рабочего
тока,
Rм
медное
сопротивление
для
компенсации
влияния
температуры холодных
спаев.
Е
Rр
Rш
Rк
Rп
В
Rб
ИПС
Rм
С
УЭД
Rс
D
ИПС - источник питания стабилизированный.
Потенциометр состоит из моста сопротивлений АВСD, в одну из диагоналей
которого включен источник питания ИПС, а в другую (измерительную диагональ)
термопара с ТЭДС Е и электродвигатель ЭД. В вершине А моста находится реохорд Rр, к
движку которого прикреплена стрелка, движущаяся вдоль шкалы. Перемещением движка в
свою очередь управляет электродвигатель.
Когда мост находится в равновесии, то напряжение между его вершинами А и D
равно напряжению между вершинами В и С, электродвигатель ЭД не работает и движок
реохорда А не движется. Если по каким-либо причинам термо-ЭДС Е изменится, то
напряжение UAD перестанет быть равно UВС и на входе усилителя УЭД появится
напряжение. Усилитель, усилив напряжение, подает его на ЭД, который, вращаясь,
перемещает движок реохорда. перемещение движка продолжается до тех пор, пока мост
снова не придет в равновесие и напряжение на ЭД снова не станет равно нулю.
В этих потенциометрах процесс компенсации осуществляется автоматически,
непрерывно и с большой скоростью. Эти приборы имеют устройства для автоматического
внесения поправки на температуру холодных спаев термопары.
1.7. Методы измерения сопротивления.
Для измерения сопротивлений термоэлектрических сопротивлений (ТС) часто
используют автоматические электронные мосты, включенные по двухпроводной,
трехпроводной или четырехпроводной схемам.
Двухпроводная схема подключения моста к ТС.
R4
Rл
Rт
R3
Rп
Rл
В
объект
А
Rр
Rш
улица
ИП
R1
D
в операторской
Rб
R2
С
УЭД
На схеме обозначены:
R1, R2, R3, R4 - сопротивления моста;
Rб - балластное сопротивление для ограничения рабочего тока;
Rт - сопротивление ТС;
Rл - сопротивление линии (соединительных проводов).
Мост может находится в двух состояниях: уравновешенном и неуравновешенном.
Условием равновесия является равенство произведений противолежащих плечей, т.е. в
данном случае:
R1.R3  R2.(R4 + Rт + 2.Rл).
Когда мост уравновешен, напряжение на диагонали UAD = 0 и, следовательно, ЭД не
работает. При изменении температуры объекта изменяется Rт и UAD перестает быть
нулевым. Это напряжение усиливается УЭД и подается на ЭД, который, вращаясь,
перемещает движок реохорда.
Недостатком такой схемы является то, что сопротивления линии входят в одно
плечо с Rт, следовательно, изменение Rл может вызывать изменение показаний моста. Для
компенсации Rл применяются трехпроводная или четырехпроводная схемы.
Трехпроводная схема подключения моста.
В этом случае уравнение равновесия имеет вид:
R4
(R1 + Rл).R3  R2.(R4 + Rт + Rл).
Rл
То есть сопротивление линии Rл входит в обе части
уравнения и частично компенсируется.
Rт
В
Rл
Rл
R1
1.8. Методы и приборы для измерения давления и разряжения.
1.8.1 Классификация приборов для измерения давления.
Под давлением в общем случае понимают предел отношения нормальной
составляющей усилия к площади, на которую действует усилие.
В зависимости от природы контролируемого процесса нас интересует абсолютное
давление Ра или избыточное Ри. При измерении Ра за начало отсчета принимается нулевое
давление, которое можно себе представить как давление внутри сосуда после полной
откачки воздуха. Естественно, достигнуть Ра = 0 невозможно.
Абсолютное давление атмосферы - давление, оказываемое атмосферой на все
находящиеся в ней пределы.
Избыточное давление представляет собой разность между абсолютным и
барометрическим давлениями:
Ри = Ра - Рбар
Рбар
Если Рабс < Рбар, то Ри называется давлением разряжения.
Ра
Классификация приборов для измерения давления:
I. По принципу действия:
1) жидкостные (основанные на уравновешивании давления столбом жидкости);
2) поршневые (измеряемое давление уравновешивается внешней силой, действующей на
поршень);
3) пружинные (давление измеряется по величине деформации упругого элемента);
4) электрические (основанные на преобразовании давления в какую-либо электрическую
величину).
II. По роду измеряемой величины:
1) манометры (измерение избыточного давления);
2) вакуумметры (измерение давления разряжения);
3) мановакуумметры (измерение как избыточного давления, так и давления разряжения);
4) напорометры (для измерения малых избыточных давлений);
5) тягомеры (для измерения малых давлений разряжения);
6) тягонапорометры;
7) дифманометры (для измерения разности давлений);
8) барометры (для измерения барометрического давления).
Р1
1.8.2 Жидкостные манометры.
Р2
Широко применяются в качестве образцовых приборов
для лабораторных и технических измерений. В качестве рабочей
жидкости используется спирт, вода, ртуть, масла.
Двухтрубный манометр представляет из себя Uобразную трубку, заполненную затворной жидкостью.
1.8.3 Чашечные манометры и дифманометры.
Рбар
Ра
h
Н
Уравнение равновесия:
Чашечный (однотрубный) манометр является
разновидностью U-образного трубного манометра,
у которого одна из трубок заменена сосудом
большого диаметра (чашкой). Измеряется давление
Ра, действующее на жидкость в широком сосуде, а
открытый конец трубки совмещен с атмосферой.
Р =  g (h + H).
Чашечные и трубные манометры применяются для тарировки и поверки рабочих
приборов, реже - в качестве рабочих приборов.
1.8.4 Микроманометры.
Ра
L
h

Применяются
для
измерения
давлений, меньших 100 - 200 мм
водяного столба. Представляют из
себя
жидкостной
манометр
с
наклоненной по углом 20…50
трубкой.
h = L.sin() - высота поднятия уровня жидкости в узкой трубке,
P = .g.h - измеренное давление.
Погрешность:  1,5 %.
1.8.5 Пружинные манометры.
2
1
4
3
Состоят из трубчатой пружины 1 с поводком, зубчатого
сектора 3 и шестерни 4 с прикрепленной к ней стрелкой 2.
При увеличении давления трубчатая пружина стремится
разогнуться, в результате чего она через поводок начинает
взаимодействовать на зубчатый сектор, отклоняя стрелку.
Р
1.8.6 Электрические манометры.
Преобразователи давления
Эти манометры обеспечивают непрерывное преобразование значение измеряемого
параметра (давления избыточного, абсолютного, разряжения, разности давлений
нейтральных и агрессивных сред) в унифицированный токовый сигнал для дистанционной
передачи (0 - 5 мА, 0 - 20 мА и др.).
Преобразователи разности давлений могут использоваться для преобразования
значений уровня жидкости или расхода в унифицированный сигнал.
Тензопреобразователь 4 мембранно-рычажного типа размещен внутри основания 9 в
замкнутой полости 11, заполненной кремний-органической жидкостью, и отделен от
измеряемой среды металлическими гофрированными мембранами 8. Мембраны 8
приварены по наружному контуру к основанию 9 и соединены между собой центральным
штоком 6, который связан с концом рычага тензопреобразователя 4 с помощью тяги 5.
Фланцы 10 уплотнены прокладками 3. Плюсовой фланец с открытой мембраной служит
для монтажа преобразователя непосредственно на технологической емкости. Воздействие
измеряемого давления вызывает прогиб мембран 8, изгиб мембраны тензопреобразователя
4 и изменение сопротивления тензорезисторов.
Чувствительным элементом тензопреобразователя является пластина из
монокристаллического сапфира (разновидность корунда - Al2O3) с кремниевыми
пленочными тензорезисторами (структура КНС - кремний на сапфире).
Электрический сигнал от тензопреобразователя передается из измерительного блока
в электронное устройство 1 по проводам через гермоввод 2. Измерительный блок
выдерживает без разрушения воздействие односторонней перегрузки рабочим избыточным
давлением. Это обеспечивается тем, что при такой перегрузке одна из мембран 8 ложится
на профилированную поверхность основания 9.
1.9. Методы и приборы для измерения расхода пара, газа и жидкости.
1.9.1 Классификация.
Количество вещества выражается в единицах объема или массы (т.е. в м3 или
килограммах). Количество жидкости с равной степенью точности может быть измерено и
объемным, и массовым методами, количество газа - только объемным. Для твердых и
сыпучих материалов используется понятие насыпной или объемной массы, которая зависит
от гранулометрического состава сыпучего материала. Для более точных измерений
количество сыпучего материала определяется взвешиванием.
Расходом вещества называется количество вещества, проходящее через данное
сечение трубопровода в единицу времени. Массовый расход измеряется в кг/с, объемный в м3/с.
Приборы, измеряющие расход, называются расходомерами. Эти приборы могут
быть снабжены счетчиками (интеграторами), тогда они называются расходомерамисчетчиками. Такие приборы позволяют измерять расход и количество вещества.
Классификация:
Механические
объемные
ковшовые
барабанного типа
мерники
скоростные
по методу переменного перепада давления
по методу постоянного перепада давления
напорные трубки
ротационные
Электрические
электромагнитные
ультразвуковые
радиоактивные
1.9.2 Метод переменного перепада давления.
Является самым распространенным и изученным методом измерения расхода
жидкости, пара и газа.
В измерительной технике сужающими устройствами являются диафрагмы, сопла и
сопла Вентури.
Наиболее часто из них применяются диафрагмы, которые представляют собой
тонкий диск, установленный в трубопроводе так, чтобы его отверстие было концентрично
внутреннему контуру сечения трубопровода. Сужение потока начинается до диафрагмы.
Затем на некотором расстоянии за ней благодаря действию сил инерции, поток сужается до
минимального значения, а далее постепенно расширяется до полного сечения
трубопровода. Перед диафрагмой и за ней образуются зоны с вихревым движением.
I - I - сечение потока до искажения формы.
I
II
II - II - сечение в месте максимального
сужения.
Рп - потери давления на трение и завихрения.
Разность давлений Р1 - Р2 зависит от расхода
среды, протекающей через трубопровод.
Р
I
II
Р1
Рп
Р2
Д
Т
ДМ
В случае использования сопла струя,
протекающая через него, не отрывается от его
профилированной части и поэтому Рп меньше.
Еще меньше потери Рп в сопле Вентури.
Перепад
давления
измеряется
дифманометрами.
Комплект расходомера состоит из элементов:
1) сужающее устройство (Д);
2) импульсные трубки (Т);
3) дифманометр (ДМ).
В качестве дифманометров обычно используются
преобразователи разности давлений типа "Сапфир".
1.9.3 Расходометры постоянного перепада давления.
К ним относятся гидродинамические, поршневые, поплавковые, ротаметрические
расходомеры.
Наиболее распространенными приборами группы расходомеров постоянного
перепада давления являются ротаметры, которые имеют ряд преимуществ перед
расходометрами переменного перепада давления:
а) потери Рп незначительны и не зависят от расхода;
б) имеют большой диапазон измерения и позволяют измерять малые расходы.
Принцип действия основан на измерении
положения
Н
поплавка, вращающегося в расширяющейся

кверху трубке под влиянием направленной вверх струи.
Q - расход проходящего через трубку газа или жидкости,
Н
 - угол наклона стенок трубки.
Зависимость Q от Н нелинейна, но в начальном и
среднем участках равномерность делений шкалы искажается в
Q
незначительной степени.
Отсутствие прямой зависимости между Q и Н
требует индивидуальной градуировки каждого прибора.
Ротаметрические трубки обычно изготавливаются из стекла, на которое наносится
шкала. Ротор также может быть изготовлен в виде шарика или диска.
1.9.4 Расходомеры переменного уровня.
Используются для измерения расходов смесей продуктов, содержащих твердые
частицы, пульсирующих потоков, особо активных сред. Измерения осуществляются при
атмосферном давлении.
Состоит из элементов:
Qвх
2
1 - калиброванный сосуд,
1
2 - уровнемерное стекло,
4
3 - отверстие в днище,
4 - перегородка для успокоения потока.
3 Qвых
1.9.5 Расходометры скоростного напора.
Измерение расхода основано на зависимости
динамического напора от скорости потока измеряемой
среды.
Дифманометр,
соединяющий
обе
трубки,
показывает динамическое давление, по котором судят о
скорости потока и, следовательно, о расходе.
Вихревые расходомеры
http://rashodomers.ru/vihr-Vihrevye-rashodomery.php
У вихревых расходомеров имеется небольшое препятствие на пути потока, которое
называется обтекаемым телом. Присутствие такого тела на пути следования потока
вызывает периодические завихрения, являющиеся циркулярными пульсациями. Скорость
потока пропорциональна частоте срыва вихрей. Расходомер определяет эту частоту с
помощью одного из имеющихся методов, включая ультразвуковой, термический, и
перепада давлений. Расчет расхода производится на основе частоты срыва и диаметру
трубопровода.
У вихревых расходомеров есть ряд преимуществ. Они довольно точны, хотя они и не так,
как расходомеры Кориолиса. Вихревые расходомеры также весьма надежны. Хотя они
более интрузивны, чем магнитные и ультразвуковые расходомеры, они в то же время и
менее интрузивны, чем расходомеры перепада, особенно это касается тех, что используют
расходомерные диафрагмы. Вихревые расходомеры демонстрируют большую точность и
надежность за приемлемую цену.
1. Вихревые расходомеры
1.1. Введение в вихревую расходометрию
При определенных условиях движения потока среды, часть кинетической энергии потока
может преобразовываться в пульсации (завихрения). Частота следования этих пульсаций
пропорциональна скорости потока.
Общие характеристики для большей части вихревых расходомеров:
• Стандартный выходной частотный сигнал.
• Широкий динамический диапазон (от 1:10 до 1:40).
• Достаточно высокая точность измерений.
Независимость точности измерения расхода от изменений температуры, давления и
плотности измеряемой среды.
Высокая повторяемость и стабильность показаний.
Простота конструкции, легкость в монтаже, низкая стоимость обслуживания.
Универсальность принципа – измерение жидкостей, газа и пара.
Существует несколько основных типов вихревых расходомеров, отличающихся по способу
образования вихрей. Наиболее распространенный тип, у которого поперек потока
измеряемой среды установлено плохообтекаемое тело (тело обтекания, вихревое тело,
вихреобразователь), за которым поочередно с разных сторон образуются вихри.
В 1878 году Струхаль (Strouhal) экспериментально даказал существование зависимости
между частотой пульсаций потока и скоростью течения среды. Долгое время изучением
явлениями пульсаций потока и вихреобразования занимались только в целях их
предотвращения, т.к. эти явления (особенно при высокой температуре измеряемой среды)
могут спровоцировать возникновение гидроударов и термоударов и, в конечном итого,
привести к повреждению оборудования.
Применение пульсаций вихрей для измерения расхода началось только в 50-х годах XX
века. К 60 годам были разработаны термический и термоанемометрический методы
детектирования вихрей для измерения расхода в трубопроводах. Так появились первые
вихревые расходомеры.
В период 70-80-х годов развитие вихревой расходометрии происходило весьма быстро,
было разработано множество методов возмущения потока (вихреобразования) и
детектирования вихрей, на рынке появилось большое количество приборов. 1.2. Принцип
действия
При обтекания потоком неподвижного препятствия (тела обтекания) образуются вихри.
Образование вихрей и их отрыв от тела обтекания происходит поочередно с разных его
сторон.
Развитие вихря с одной стороны препятствует его образованию с противоположной
стороны. За телом обтекания образуется двойная дорожка из вихрей, называемая
«дорожкой Кармана».
Частота вихреобразования (частота отрыва вихрей) пропорциональна скорости потока, а
значит и расходу. Зависимость между частотой вихреобразования и скоростью (расходом)
определяется критерием Струхаля:
St = f*d/W,
где f – частота вихреобразования,
d – характерный размер тела обтекания,
W – средняя скорость потока.
Частота вихреобразования определеяется формулой:
f=St*W/d
Для характеристики вихревых расходомеров вместо числа Струхаля используется Кфактор. Производители под К-фактором подразумевают либо:
Число вихрей, приходящихся на единицу объема среды:
Кф = n/V
Объем среды, приходящийся на один вихрь:
Кф = V/n
где n – число вихрей за время t;V – объем среды за время t.
Основное уравнение вихревого расходомера:
f = Kф*W/d
К-фактор условно постоянен в определенном диапазоне чисел Re и не зависит от
плотности, вязкости, скорости потока и др. свойств среды. Диапазон чисел Рейнольдса, при
которых К-фактор постоянен называется рабочей областью (областью измерений)
вихревых расходомеров.
1.3. Конструкция
В общем виде, вихревой расходомер состоит из двух частей: первичного преобразователя и
вторичного преобразователя (электронного блока или конвертера).
Первичный преобразователь включает в себя вихреобразователь (тело обтекания) и
устройство детектирования вихрей (сенсор). Электронный блок состоит из фильтра,
усилителя, АЦП и схемы выходных сигналов. С развитием микропроцессорной
электроники появились интеллектуальные вихревые расходомеры, в которых сигнал с АЦП
проходит обработку. Помимо улучшения точности измерения и сведения к минимуму
влияний факторов температуры, давления, нелинейности К-фактора, неравномерности
потока и др., появилась возможность использования цифровой коммуникации и добавления
дополнительной функциональности (например, функции вычислителя-счетчика) в
расходомере.
Вихреобразователь
Вихреобразователь или вихревое тело – это один из главных компонентов первичного
преобразователя, во многом определяющий метрологические характеристики расходомера
(линейность и повторяемость, пределы измерения) и потери давления. В целом, при выборе
оптимального вихреобразователя, производители расходомеров руководствуются
следующими требованиями:
• вихри не должны пересекатья для их однозначного детектирования;
• генерация вихрей должна быть стабильна (постоянство числа Струхале) в широком
диапазоне чисел Рейнольдса;
• вихри должны быть достаточно сильными для детектирования, должно быть высокое
соотношение сигнал-шум;
• форма и структура тела обтекания должна быть достаточно простой и технологичной;
• геометрия и материал исполнения тела обтекания должны исключать влияние коррозии и
температуры на метрологические характеристики прибора;
• спектр частот вихрей как жидкостей так и газов не должен перекрываться со спектром
естественных и промышленных частот (вибрация трубопровода, частота самовозбуждения
сенсора и др.).
Существует достаточно большое число разновидностей вихреобразователей, которые
можно разделить на две группы: состоящие из одной части и состоящие из двух и более
частей.
Наиболее распространенными являются вихревые тела, состоящие из одной части, такие,
как цилиндрическое, прямоугольное, треугольное и трапециевидное тела.
Некоторые производители используют более сложные многосоставные тела обтекания.
1.4. Методы детектирования вихрей
Методов детектирования вихрей достаточно много, однако наибольшее распространение
получили следующие:
• Детектирование пульсации вихрей (вихревые расходомеры пульсаций давления и
вихревые расходомеры изгибных напряжений).
• Детектирование вихрей с помощью изменения электрической емкости чувствительного
элемента (вихревые емкостные расходомеры).
• Детектирование вихрей с помощью ультразвуковых волн (вихреакустические
расходомеры).
• Термо-резистивный и термоанемометрический метод детектирования (термальные
вихревые расходомеры).
• Электромагнитное детектирование вихрей (вихревые электромагнитные расходомеры).
Существуют также такие расходомеры, как:
• Вихревые расходомеры пульсаций давления;
• Вихревые расходомеры изгибных напряжений;
Для детектирования вихрей за телом обтекания (или внутри него) устанавливается
подвижное тело (крыло или трубка), на которое поочередно с разных сторон воздействуют
вихри потока. Под действием давления вихрей выступающее тело изгибается и передает
воздействие на чувствительный элемент. В качестве чувствительного элемента
преимущественно используются пьезокерамические элементы, преобразующие
механическое воздействие в электрический сигнал, который в дальнейшем усиливается и
фильтруется.
Сенсоры на основе пьезоэлементов отличаются быстродействием, хорошим уровнем
сигнала, высокой технологичностью, низкой стоимостью изготовления, отсутствием
контакта с измеряемой средой и высокой повторяемостью.
Вихревые расходомеры изгибных напряжений отличаются широким температурным
диапазоном, универсальностью, высокой стабильностью и надежностью, что сделало их
наиболее распространненым типом вихревых расходомеров.
Тем не менее, такие приборы весьма чувствительны к вибрациям трубопровода, что
является их главным недостатком последние несколько лет. Несмотря на разработки
некоторых производителей в направлении улучшения структуры сенсора и последующей
интеллектуальной обработки сигнала, в условиях сильной вибрации расходомер может не
работать.
2. Емкостные вихревые расходомеры
Пульсации давления вихрей воздействуют на емкостные ячейки сенсора, деформируя их
поверхность, и, соответственно, изменяя емкость ячеек.
Дифференциальная схема обработки сигнала позволяет существенно снизить влияние
внешних источников вибрации за счет взаимоподавления шумов, приходящих с разных
емкостей. Несмотря на невозможность изготовления абсолютно идентичных
конденсационных ячеек, способных полностью исключить влияние вибрации,
виброустойчивать вихревых расходомеров с емкостным способом съема сигнала
достаточно высокая (порядка 1g).
Другим преимуществом таких расходомеров является возможность работы на высоких
температурах до 400?С. С ростом температуры изменяются диэлектрическая
проницаемость и геометрия электродов, а также растут токи утечки за счет температурной
эмиссии электронов. Однако эксперименты показывают, что описанные эффекты
практически не влияют на работу приборов.
3. Термальные вихревые расходомеры
Под действием вихря изменяется температура нагревательного элемента, а следовательно и
его сопротивление.Такие расходомеры отличаются высокой чувствительностью, и высокой
устойчивостью к вибрациям. При этом область их применения обычно ограничивается
некоррозионными газами и чистыми жидкостями.
4. Вихреакустические расходомеры
Принцип действия вихреакустических расходомеров показан на рис.:
Как видно из рис., для детектирования вихрей используются пары излучатель-приемник
(одна или две), установленные в стенки корпуса прибора. При этом излучатели постоянно
излучают высокочастотные акустические сигналы, пересекающиеся в центре проточной
части.
Каждый из чередующихся вихрей отличается направлением вращения от предыдущего.
При пересечении с вихрем, происходит модуляция ультразвуковой волны по фазе, которая
фиксируется приемниками сигнала, преобразовывается в электрический сигнал и
обрабатывается.
Приборы отличаются высокой чувствительностью, что позволяет их использовать для
измерений на низких расходах. При этом зависимость точности измерений от температуры
среды (особенно для газов) и влияние механических и газовых включений на процесс
измерений, ограничили область использования вихреакустических расходомеров, сузив ее
до чистых жидкостей и небольшого числа разновидностей газов.
5. Вихревые электромагнитные
Особенности конструкции вихревых расходомеров с электромагнитным съемом сигнала
представлен на рис.:
При движении электропроводной жидкости (проводника) в поле постоянного магнита
наводится ЭДС. Вихри создают возмущение или пульсации ЭДС, которые фиксируются
электродом, установленным за телом обтекания. Частота пульсаций ЭДС соответствует
частоте вихреобразования.
Такие расходомеры отличаются простой конструкции, возможностью автономного
батарейного питания, низкой стоимостью, возможностью проведения имитационной
поверки.
При этом приборы склонны к образованию отложений в проточной части вблизи магнита,
имеют нестабильные метрологические характеристика и могут работать только в
электропроводных средах.
Электромагнитные расходомеры
В соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея, в проводнике,
движущемся в магнитном поле, наводится ЭДС. В магнито – индуктивном методе
измерения расхода роль движущегося проводника играет поток среды. Индуцируемое
напряжение, пропорциональное скорости потока, подается на усилитель через пару
электродов. Объемный расход вычисляется через площадь поперечного сечения
трубопровода. Магнитное поле генерируется постоянным током с переключающейся
полярностью.
На этом принципе действия ЭМРС и производятся э/м расходомеры. При движении
жидкости в магнитном поле в нем индуцируется электродвижущая сила (ЭДС) Е,
пропорциональная магнитной индукции В и скорости проводника V, которая действует в
направлении, перпендикулярном к движению жидкости и магнитному полю (рис. 2):
В алгебраической форме уравнение (1) приобретет вид:
где D — диаметр трубопровода — расстояние между электродами.
Скорость измеряемой среды определяется зависимостью:
где Q — расход измеряемой среды.
Из выражения (2) и (3) получим зависимость между измерительным сигналом Е и расходом
Q:
где ke— коэффициент пропорциональности, который определяют в процессе калибрования
[3].
Из выражения (4) видно, что погрешность электромагнитного преобра зователя может
определяться величиной ke и измерением разности потенциалов Е.
Для измерения сред с электронной проводимостью, к которым относятся расплавленные
редкие металлы, применяют ЭМРС с постоянным магнитным полем. К преимуществам
таких расходомеров можно отнести отсутствие необходимости в источнике питания
чувствительных элементов и легкость устранения влияний внешних переменных
электромагнитных полей. Основным недостатком таких систем является невозможность
применения данного метода для измерения расхода сред с ионной проводимостью, в этом
случае происходит поляризация электродов, которая приводит к нарушению градуировки
прибора и стабильности его работы [4].
Для предотвращения поляризации электродов применяют переменные магнитные поля.
Индукция такого поля определяется формулой:
Учитывая выражение (5), зависимость (4) приобретет вид:
В ЭМРС с переменным магнитным полем явление поляризации электродов отсутствует,
однако проявляются другие недостатки при измерении [5]:
трансформаторный эффект, когда в витке, который образовывает жидкость в трубопроводе,
между соединительными проводами и вторичными приборами наводится
трансформаторная ЭДС, источник возникновения которой — первичная обмотка
возбуждения магнитного поля;
емкостный эффект, возникает из-за большой разности потенциалов между системами
возбуждения магнитного поля, электродами и паразитной емкостью между ними;
эффект изменения частоты колебаний тока системы возбуждения возбуждения магнитного
поля.
Для компенсации этих побочных эффектов и выделения полезного сигнала
совершенствуют измерительные схемы. Если первые электромагнитные расходомеры
использовали переменное магнитное поле сетевой (50/60 Гц) частоты, то в последнее время
применяют квазистационарные магнитные поля сравнительно низкой частоты (единицы
Гц), что позволяет избавиться от неинформативных квадратурных компонентов в
измерительном сигнале. Причем, верхняя частота формирования импульсного поля
ограничена потерями на индукционные токи и постоянной времени установления
магнитного поля, а нижняя — временем поляризации электродов [6].
Принцип измерения также определяет и недостатки данного метода [7]:
• величина ЭДС сильно зависит от влияния дополнительных факторов (изменение
электрических характеристик поверхности изолирующего покрытия в трубе, отложение
осадков, адсорбционные явления, неисправности в измерительных цепях и т.п.);
• величина ЭДС имела по значению от нескольких микровольт, в связи с чем ее сложно
измерить;
• электрические схемы создания магнитного поля, электроника для измерения довольно
сложны и дорогостоящи;
• измеряются расходы только электропроводных жидкостей;
• измеряются амплитудные характеристики сигнала.
Особенности применения электромагнитного метода измерения расхода
Обычно ЭМРС состоят из:
• измерительного участка, выполненного из диамагнитного материала с внутренним
изоляционным покрытием и футеровкой [8];
• магнитной системы, расположенной вне трубопровода;
• электродов, размещенных по периметру трубопровода, на его диаметре, перпендикулярно
направлению движения жидкости и силовым линиям магнитного поля.
Первичные преобразователи электромагнитных расходомеров не имеют частей, которые
выступают внутрь трубопровода, сужений или изменений профиля. Благодаря этому
гидравлические потери на приборе минимальны. Кроме того, преобразователь расходомера
и технологический трубопровод можно чистить и стерилизовать без демонтажа. Поэтому
такие расходомеры используют в биохимической и пищевой промышленностях, где
доминирующими являются требования к стерильности измерений среды.
Измерительные каналы большинства современных ЭМРС имеют в основном
фторопластовую футеровку, которая является важным элементом конструкции первичных
преобразователей. Материал футеровки определяет как технические (стабильность
температур и давлений измеряемой среды на измерительном участке), так и
эксплуатационные характеристики (надежность, долговечность). В качестве изоляционного
покрытия применяется: твердая резина, полиэтилены, полипропилены, эмаль,
стекловолокно, фторопласты, в том числе армированные сеткой из нержавеющей стали для
повышения прочности, керамика и т.п. [6].
Электродная система — важный узел ЭМРС, чувствительная система, которая измеряет
величину ЭДС на электродах, связанную зависимостью со средней скоростью потока.
Электроды изготавливают из разных металлов, которые имеют высокую коррозийную
стойкость к измеряемой среде: включающие никель аустенитные стали, разнообразные
сплавы.
Вследствие термоударов, вакуумирования и т.п. существует возможность вытекания
рабочей среды по электродам. Кардинальное решение проблем утечки измеряемых сред
сквозь элементы электродов — это отказ от контакта со средой и переход к бесконтактному
(емкостному) принципу снятия сигнала, который позволяет не только избежать утечки по
электродам, но и исключить их коррозию, а также измерять расход жидкостей с низкой
электропроводностью. К недостаткам такой конструкции можно отнести более высокую
погрешность измерения, менее стойкий измерительный сигнал и ограниченный ряд Ду
первичных преобразователей с проточной частью, выполненной из керамики.
В реальных условиях эксплуатации на метрологические характеристики ЭМРС влияют
факторы, которые необходимо учитывать как при создании измерительных приборов, так и
при их эксплуатации в этих условиях. К таким факторам относится:
1) несимметричность распространения эпюры скорости измеряемой среды в канале
преобразователя;
2) искажение весовой функции, которое вызывает фазовая неоднородность (осадок) среды;
3) асимметричность распространения магнитного поля.
Довольно широкое применение получили ЭМРС с прямоугольным сечением
измерительного канала первичного преобразователя расхода, где профиль потока
измеряемой среды не влияет на показания ЭМРС.
Если в воде есть осадок, то футеровка канала расходомера не дает задерживаться
отложениям из осадка и ржавчины. Материал футеровки постоянно совершенствуется
таким образом, чтобы вообще изолировать измерительный канал от наличия любых
включений в измеряемой среде.
Применение усовершенствованных алгоритмов схем управления электромагнитной
системой, процессом получения и обработки измерительной информации позволяют
существенно упростить конструкцию первичного измерительного преобразователя и
повысить технологичность конструкции. Типичный динамический диапазон измерения
расхода ЭМРС в несколько раз превышает динамические диапазоны ультразвуковых,
вихревых и тахометрических расходомеров. При этом для осесимметричных потоков
показания ЭМРС не зависят от характера движения, которое позволяет измерять очень
низкие скорости, соответствующие ламинарному режиму.
Диапазон измеряемых скоростей потока ЭМРС составляет от единиц миллиметров в
секунду до 10- 15 метров в секунду [6].
Погрешности измерения ЭМРС в основном находятся в пределах ± 0,5 % от измеряемой
величины. ЭМРС давно стали основой поверочных установок [9], обеспечивая в
сравнительно узком диапазоне расхода и эталонных условий предельную точность в
пределах относительной погрешности ± 0,15 %. Этот показатель и определяет границу
погрешности современных ЭМРС. Важным преимуществом ЭМРС является определение
расхода на основе результатов измерения средней скорости потока в поперечном cечении
трубопровода, которая не зависит от изменений плотности и вязкости жидкости под
влиянием температуры.
Универсальность электромагнитного метода измерения обуславливается также и
широкими функциональными возможностями, которые разрешают создать
безынерционный измеритель с линейной градуированной характеристикой, характер
которой не зависит от физико-химических свойств измеряемой среды [10].
На сегодняшний день разработаны методики и проведены экспериментальные
исследования созданных электромагнитных расходомеров для трубопроводов больших
диаметров, выполненных с использованием магнитогидродинамических преобразователей
расхода с локальным магнитным полем. Такие расходомеры имеютлинейную
градуированную характеристику и погрешность измерения расхода не больше 1,0 %.
ЭМРС непригодны для измерения расхода газов, а также жидкостей с малой
электропроводностью, например легких нефтепродуктов, спиртов и т.п. Но применение
специальных устройств позволит существенным образом снизить требования к
электропроводности измеряемой среды и создать электромагнитные расходомеры для
измерения расхода любых жидкостей, в том числе нефтепродуктов [11].
Следующим шагом исследований и разработок станет гибридное питание ЭМРС с
резервным питанием от встроенных аккумуляторов, и, наконец полностью автономное [6].
Сегодня перед исследователями также стоит задача разработки методов определения связи
исходящего сигнала электромагнитного преобразователя (ЭМП) с его конструктивными и
геометрическими параметрами и измеряемыми величинами. В этом плане перспективными
являются формулирование и решение задач синтеза ЭМП с целью создания совершенного,
современного, с низкой материалоемкостью средства измерения [10].
Выводы
Электромагнитный метод измерения расхода позволяет создавать измерительные приборы
с высокими метрологическими и эксплуатационными характеристиками.
Итак, при проектировании современных ЭМРС необходимо решать ряд задач, основными
из которых являются следующие:
1) измерение в трубопроводах большого диаметра;
2) измерение сред с низкой проводимостью;
3) возможность использования приборов в автономном режиме питания и передачи
информации на большие расстояния без потерь и искажений.
Задачи, которые должны решаться при проектировании приборов измерения расхода,
основанных на электромагнитном методе, содержат в себе определенные противоречия.
Проведение исследований расходомеров, счетчиков, алгоритмов и процессов обработки, с
целью их усовершенствования, нужно производить при условиях, близких к
эксплуатационным. Но реально сделать это довольно тяжело, поэтому необходимо
развивать методы компьютерного моделирования, которые бы совершенствовали не только
математическую модель измерителя но и имитировали бы близкие к эксплуатационным
условия работы.
1.10. Методы и приборы для измерения уровня.
1.10.1 Методы измерения уровня.
В общем объеме измерительных операций в нефтепереработке, нефтехимии и
газовой промышленности измерение уровня составляет 18 - 20 %.
По измерением уровня понимается индикация положения раздела двух сред
различной плотности относительно какой-либо горизонтальной поверхности, принятой за
начало отсчета. Приборы, выполняющие эту задачу, называются уровнемерами.
Методы измерения уровня:
1) поплавковый,
2) буйковый,
3) гидростатический,
электрические и др.
1.10.2 Поплавковый метод измерения уровня.
Поплавковый уровнемер построен по принципу использования выталкивающей
силы жидкости. Чувствительный элемент представляет собой тело произвольной формы
(поплавок), плавающий на поверхности жидкости и имеющий постоянную осадку.
Поплавок перемещается вертикально вместе с уровнем жидкости и текущее значение
уровня определяется фиксацией положения поплавка.
1.10.3 Буйковые уровнемеры.
Действие буйкового уровнемера основано на законе Архимеда.
Чувствительный элемент буйкового уровнемера - буй - массивное тело,
подвешенное вертикально внутри сосуда, уровень жидкости в котором
контролируется. По мере изменения уровня жидкости изменяется
погружение буя вследствии компенсации выталкивающей силы жидкости
изменением усилия в подвеске.
Таким образом, по величине погружения буя судят об уровне жидкости в сосуде.
Характеристика буйкового уровнемера линейная, а чувствительность тем больше, чем
больше площадь поперечного сечения буя.
1.10.4 Гидростатические уровнемеры.
Р
1
3
2
В этих приборах измерение уровня
жидкости постоянной плотности сводится к
измерению
давления,
созданного
столбом
жидкости Р = ж g h.
Различают пьезометрические уровнемеры и
уровнемеры с непосредственным измерением
столба жидкости.
Пьезометрические
уровнемеры
применяются для измерения уровня самых
разнообразных, в том числе вязких и агрессивных
жидкостей.
Воздух из пьезометрической трубки 1 барботирует через слой жидкости. Количество
воздуха, подаваемого под давлением, ограничивается дросселем 3 таким образом, чтобы
скорость движения его в трубопроводе была минимально возможной. Уровень жидкости
определяется по разности давления в дифманометре 2.
1.10.5 Электрические методы измерения уровня.
Для измерения уровня жидкости может быть использовано
различие электрических свойств жидкости и парогазовой смеси под
ней. Под электрическими свойствами понимаются диэлектрическая
проницаемость и электропроводность веществ.
Кондуктометрический метод измерения уровня основан на
измерении
электрической
проводимости
первичного
преобразователя, зависящей от значения уровня.
Емкостной метод измерения основан на изменении емкости первичного
преобразователя в зависимости от положения уровня измеряемой среды. Обычно
первичный преобразователь выполняется в виде коаксиальных цилиндров.
2. Условные обозначения
Все местные измерительные и преобразовательные приборы, установленные на
технологическом объекте изображаются на функциональных схемах автоматизации в виде
окружностей (см. рис. а и б).
Если приборы размещаются на
10
щитах и пультах в центральных или
местных операторных помещениях, то
10
внутри
окружности
проводится
15
горизонтальная разделительная линия
(см. рис. в и г).
г)
в)
а)
б)
Внутрь окружности вписываются:
- в верхнюю часть - обозначения контролируемых, сигнализируемых или регулируемых
параметров, обозначение функций и функциональных признаков приборов и устройств;
- в нижнюю - позиционные обозначения приборов и устройств.
Места расположения отборных устройств и точек измерения указываются с
помощью тонких сплошных линий.
Буквенные обозначения средств автоматизации строятся на основе латинского
алфавита и состоят из трех групп букв:
1) Контролируемый, сигнализируемый или регулируемый параметр (1 буква):
D - плотность,
Р - давление,
Е - любая электрическая величина,
Q - состав смеси, концентрация,
F - расход,
R - радиоактивность,
G - положение, перемещение,
S - скорость (линейная или угловая),
Н - ручное воздействие,
Т - температура,
К - временна’я программа,
U - разнородные величины,
L - уровень,
V - вязкость,
М - влажность,
W - масса
В первой группе может указываться также уточнение характера измеряемой
меличины (1 символ):
D - разность, перепад,
F - соотношение,
J - автоматическое переключение,
Q - суммирование, интегрирование.
Далее указывается один или несколько символов, обозначающих функции и
функциональные признаки прибора:
I - показания,
R - регистрация,
С - регулирование,
S - переключение,
Y - преобразование сигналов, переключение,
А - сигнализация,
Е - первичное преобразование параметра,
Т - промежуточное преобразование параметра, передача сигналов на расстояние,
К - переключение управления с ручного на автоматическое и обратно, управление по
программе, коррекция.
Примеры схем контроля и регулирования.
ТE
1a
FE
1a
на
месте
на
щите
FТ
1б
FIR
1в
Регулирование расхода газа.
1а - диафрагма,
1б - преобразователь расхода,
1в - вторичный прибор (ПВ)
щит
ТС
1в
TIRC
1б
Схема регулирования температуры.
1а - термопара ТХА
1б - потенциометр КСП-3
1в - пневматическая панель (ручное рег-е)
ЕСТЕСТВЕННЫЕ ОГРАНИЧЕНИЯ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ РАСХОДА ВОДЫ, НАКЛАДЫВАЕМЫЕ МЕТОДОМ
ИЗМЕРЕНИЙ.
Создавая некоммерческое партнерство, учредители с первого момента позиционировали
НП как организацию добросовестных отечественных производителей приборов учета.
Добросовестность подразумевает, в первую очередь, соответствие декларируемых
показателей качества приборов их реальным характеристикам.
В принятой Хартии отечественных производителей записано, что члены НП принимают
на себя следующие обязательства:
• интересы своего бизнеса не должны противоречить интересам граждан РФ и государства
Российского;
• производить приборы, позволяющие совершать гражданам и юридическим лицам РФ
сделки купли-продажи товара на основе объективных данных;
• осуществлять конкурентную борьбу в цивилизованных формах.
Наряду с другими обязательствами Хартии, вышеперечисленные непосредственным
образом требуют соблюдения принципа добросовестности.
В данной статье речь идет об одном из видов приборов учета – приборах учета расхода и
(или) объема воды.
Эти приборы, помимо своего непосредственного назначения (учет воды), являются также
основой для систем учета тепла. Для того, чтобы оценить значение этих приборов для
экономики страны, достаточно отметить, что рынок воды и тепла в РФ сравним с рынком
электроэнергии и измеряется многими сотнями миллиардов рублей.
К сожалению, до сих пор этот рынок нельзя назвать цивилизованным, т.к. сегодня не
обеспечивается главное требование цивилизованного рынка – объективная информация о
качестве и количестве продаваемого товара.
При решении задачи создания цивилизованного рынка воды и тепла необходимо
рассмотреть много аспектов, одним из главных является юридический, т.е. создание
надлежащей законодательной базы.
Но реализация этих законов возможна только при наличии средств учета, позволяющих
объективно определять количество и качество продаваемого (покупаемого) товара. А это
уже задачи для производителей.
Одними из основных показателей качества измерительных приборов являются их
метрологические характеристики. Для приборов измерения расхода воды – это точность,
динамический диапазон, межповерочный интервал.
Причем все три показателя взаимосвязаны.
Получить высокую точность в узком динамическом диапазоне и сохранить ее короткое
время значительно проще, чем в широком диапазоне и на длительный срок.
Потребителю хочется, конечно, чтобы присутствовали и высокая точность, и широкий
диапазон измерений, и межповерочный интервал был бы как можно длиннее, да еще,
чтобы и дешево.
Желание Потребителя понятно и мы, производители приборов, исходя из своего желания
угодить Потребителю, и, значит, продать больше своей продукции, начинаем гонку за
показателями. Работаем над конструкцией, повышаем качество изделий, улучшаем
метрологические характеристики. Это естественный процесс, который объективно должен
работать на пользу Потребителя, если бы мы не вносили в него субъективный фактор –
желание получить конкурентное преимущество за счет декларирования максимально
высоких метрологических характеристик.
Причем речь обычно идет одновременно обо всех характеристиках, да еще и в сочетании
со стоимостью.
В этой гонке зачастую мы выходим за пределы разумного, забывая о том, что улучшение
одной характеристики может привести к ухудшению другой, забывая о физических
процессах, происходящих в реальных условиях, забывая, наконец, о том, что у каждого
метода измерения есть свои, естественные ограничения, преодолеть которые не под силу
даже при идеальном качестве продукции.
Поэтому в данной статье рассматриваются естественные (т.е. обоснованные законами
природы) ограничения метрологических характеристик, свойственные каждому типу
приборов (или методу измерения), выйти за которые невозможно, как бы ни хотелось
Производителям. По каждому из типов приборов приводятся метрологические
характеристики, декларируемые производителями, причем не каждая из характеристик в
отдельности, а их совокупность. Анализируются процессы, влияющие на эти
характеристики на основе информации, имеющейся у предприятий, входящих в НП. При
этом не рассматриваются сами конкретные производители, особенности конструкций,
показатели технической надежности.
Рассматриваются приборы, основанные на следующих методах измерений:
• тахометрический;
• электромагнитный;
• ультразвуковой;
• вихревой.
Именно на этих методах работают подавляющее большинство (более 95%) приборов
коммерческого учета воды и тепла.
Все остальные типы приборов тоже имеют свои естественные ограничения, но не
рассматриваются из-за малого влияния на рынок учета воды и тепла. Не затрагиваются
также образцовые средства измерения, которые работают в особых условиях и не имеют
непосредственного отношения к коммерческому учету.
I. Тахометрический.
Самый массовый по количеству тип приборов.
Имеют динамический диапазон до 1 : 100 ;
Относительная погрешность – до 1%;
Межповерочный интервал – до 5 лет.
Опыт эксплуатации этих приборов показывает, что динамический диапазон и точность
измерений полностью соответствуют декларируемым в течении межповерочного
интервала только в идеальных условиях.
Реальное качество воды в трубопроводах резко снижает межповерочный интервал.
Поэтому представляется целесообразным ограничение межповерочного интервала
тахометрических расходомеров воды сроком 1 год, при сохранении остальных
метрологических характеристик.
II. Электромагнитный (индукционный).
В данном случае рассматривается метод, основанный на измерении величины (амплитуда)
э.д.с., возникающей при движении проводника (воды) в магнитном поле.
Относительная погрешность - до 1 %;
Динамический диапазон - до 1 : 2000;
Межповерочный интервал - до 4-х лет.
Еще несколько лет назад производители электромагнитных приборов учета воды,
декларируя ту же точность измерений, что и сегодня, вносили в описание типа приборов
динамический диапазон 1?50, в лучшем случае 1?100, а межповерочный интервал
устанавливался 1-2 года.
Физические особенности прибора (полнопроходное сечение, однозначная зависимость
сигнала от расхода), развитие электроники позволили получить в условиях стенда
феноменальные метрологические характеристики. Можно уверенно говорить о том, что
существуют приборы, имеющие относительную погрешность 0,5% в диапазоне до1?500, 1% в диапазоне 1?1000 (поступала информация и о 1?2000), а погрешность 2%
достигалась и в диапазоне более чем 1?2000.
При этом, благодаря повышению чувствительности электронной части прибора
минимальное измеряемое значение расхода приближается к нулю.
Но …, все это успешно достигается в условиях стенда.
Значение амплитуды сигнала (э.д.с.), являющейся функцией интеграла скорости потока по
сечению трубы, очень зависит от большого числа факторов.
Не все эти факторы возможно учесть самой совершенной электроникой, что приводит к
изменению метрологических характеристик в процессе эксплуатации. Реальные условия
эксплуатации требуют сохранения точности измерения в заявленном диапазоне не менее 1
года.
Анализ изменения этих характеристик показывает, что относительная погрешность 1% в
течение 1 года сохраняется в лучшем случае в диапазоне 1?200, да и это значение
нуждается в уточнении.
При увеличении межповерочного интервала более 1 года, указанная точность обычно не
сохраняется во всем динамическом диапазоне из-за наличия шунтирующих отложений на
внутренней поверхности трубы.
III. Ультразвуковой.
Существует много методов измерения расхода жидкости на основе измерения параметров
ультразвукового луча, проходящего через измеряемую среду. Измеряются либо некоторые
частотные характеристики сигнала (фазовый или частотный сдвиг), либо время задержки.
Все они рассматриваются как различные варианты одного (ультразвукового) метода.
Не рассматриваются ультразвуковые корреляционные, как принадлежащие к отдельному
(корреляционному) методу.
Динамический диапазон – до 1:200;
Относительная погрешность – до 1 %;
Межповерочный интервал - до 4-х лет.
Измерение частотных или временных характеристик сигнала менее чувствительно к
возможным изменениям условий измерений.
На эти характеристики может влиять уменьшение амплитуды сигнала, вызванное
появлением газовой фазы или твердых примесей, носящее случайный характер и
зафиксированное в виде «пропуска» сигнала, но данные изменения должны
рассматриваться как неисправность, а не как изменение метрологических характеристик.
В ряде случаев «зарастание» примесями датчика приводит к снижению амплитуды
сигнала, вплоть до его исчезновения, но это также не является изменением
метрологических характеристик.
Поэтому декларируемые производителями точность и динамический диапазон обычно
сохраняются в течение всего периода измерений и, естественно, в межповерочном
интервале времени.
IV. Вихревой.
Подразумевается любой расходомер, принцип действия которого основан на измерении
частоты прохождения вихрей, созданных искусственным телом обтекания
(вихреобразователь) через точку (сечение) измерения, кроме вихревых корреляционных.
Используются самые разные принципы съема сигнала (акустический, пьезо-,
электромагнитный и т.п.), но всё это один тип – вихревой.
Динамический диапазон – до 1-100;
Относительная погрешность – до 1%;
Межповерочный интервал – до 4-х лет.
Вихревой принцип измерения подразумевает, что минимальный измеряемый расход
определяется скоростью, при которой начинается устойчивое вихреобразование, а
максимальное значение – скоростью, при которой это устойчивое вихреобразование
заканчивается.
Процесс вихреобразования зависит от характеристик жидкости (плотность, вязкость) и от
скорости жидкости.
В свою очередь, плотность и особенно вязкость зависят от температуры.
Устойчивость вихреобразования определяет точность измерения и, одновременно,
диапазон, в котором эта точность выдерживается.
Форма и размеры тела обтекания, расстояние от тела обтекания до точки съема сигнала –
это параметры, определяющие точность и динамический диапазон измерения.
Все эти факторы приводят к тому, что при относительной погрешности 1 % динамический
диапазон измерения может достигать 1?50 без учета зависимости свойств жидкости от
температуры и 1?100 с учетом этой зависимости.
Вышеперечисленные геометрические параметры датчиков расхода не изменяются с
течением времени, поэтому метрологические характеристики этих приборов остаются
неизменными в течение межповерочного интервала.