Проф. Осадчук В.С., проф. Осадчук О.В., к.ф.-м.н. Кравченко Ю.С., студ. Яремішена Н.А.

Вінницький національний технічний університет, Україна

Сучасний стан розвитку перетворювачів витрат

 

Роль і значення сенсорів зростає з кожним роком [1]. Подальший розвиток нанотехнологій змінює і вимоги до сенсорів: на зміну громіздким, ненадійним приладам повинні прийти сенсори, сумісні з іншими виробами наноелектроніки. Основні вимоги до таких сенсорів: висока точність, однозначність, швидкість вимірювання, вибірковість, багатофункціональність, низька вартість, працездатність у жарких експлуатаційних умовах, надійність, довговічність.

Серед сенсорів важливе місце посідають сенсори витрат газу і рідини, які необхід­ні для проведення наукових досліджень, для керування технологічними процесами, для комуна­льного та сільського господарства [2].

Без витратомірів неможливо забезпечити оптимальний технологічний режим в багатьох галузях промисловості, не можна автоматизувати відповідні процеси, і отримати в них максимальне значення коефіцієнта корисної дії.

Витратомірів базуються як на основі безконтактних, так і контактних методів вимірювання витрат. Розвиток безконтактного теплового методу відбувається у напрямку інтелектуальних багатоканальних витратомірів. Другим напрямком є організація нестаціонарного енергетичного режиму у вимірювальній системі [3]. В даний час зростає активність розробників у напрямку створення пристроїв з частотно-часовими характеристиками.

Новим напрямком у розробці радіовимірювальних мікроелектронних перетворювачів витрат є використання реактивних властивостей транзисторних структур з від'ємним опором, що дозволяє створювати перетворювач витрат з частотним виходом, оскільки розглянуті первинні перетворювачі є складовою частиною автогенераторних пристроїв визначення витрат рідини.

 

Перетворювачі витрат змінного перепаду тиску

Перетворювачами витрат змінного перепаду тиску називаються пристрої, дія яких основана на залежності перепаду тиску від витрат речовини, створюваного нерухливим пристроєм, встановлюваним у трубопроводі, або самим елементом трубопроводу [4].

Розглянуті перетворювачі містять у собі, принаймні, три окремі частини:

1.        Перетворювач витрат, що створює перепад тиску в залежності від витрат.

2.        Сполучний пристрій, що передає перепад тиску від перетворювача до вимірювального приладу.

3.        Диференціальний манометр, що вимірює перепад тиску, утворений перетворювачем витрат, і градуйований в одиницях витрат.

Якщо буде необхідність передати покази витратоміра на значну відстань, то до цих частин додаються ще три:

4.        Вторинний перетворювач, призначення якого є перетворення переміщення рухливого елемента первинного вимірювального приладу - дифманометра - в електричний або пневматичний сигнал, зручний для передачі.

5.        Вторинна лінія зв'язку - електричні з'єднання або трубки, по яких здійснюється передача сигналу від вторинного перетворювача.

6.        Вторинний вимірювальний прилад, що вимірює сигнал, створений вторинним перетворювачем, і градуйований в одиницях витрати.

Як первинний (дифманометр), так і вторинний вимірювальний приладів можуть бути самописними, інтегруючими і, крім того, обладнаними сигнальними і регулюючими пристроями.

Перетворювачі витрат змінного перепаду тиску підрозділяються на шість самостійних груп залежно від пристрою і принципу дії їхніх перетворювачів витрат:

1. Витратоміри із звужуючим пристроєм, основані на залежності від витрат перепаду тиску, що утвориться в звужуючому пристрої в результаті перетворення частини потенційної енергії потоку в кінетичну.

2. Витратоміри з гідравлічним опором, основані на залежності від витрат перепаду тиску, що утвориться на гідравлічному опорі.

3. Відцентрові витратоміри, основані на залежності від витрати перепаду тиску, що утвориться на закругленні трубопроводу в результаті дії відцентрової сили в потоці.

4. Витратоміри з напірним пристроєм, основані на залежності від витрат перепаду тиску, створюваного напірним пристроєм у результаті місцевого переходу кінетичної енергії струменя в потенційну.

5. Витратоміри з напірним підсилювачем, основані на залежності від перепаду тиску, створюваного напірним підсилювачем у результаті переходу кінетичної енергії струменя в потенційну та навпаки.

6. Струминні витратоміри, основані на залежності від витрат перепаду тиску, що утвориться при ударі струменя.

Найбільш важливими серед всіх перерахованих приладів є витратомірами із звужуючими пристроями (не менш 70-80 % всіх витратомірів). Причинами цього є такі переваги: універсальність застосування і зручність масового виробництва.

Витратоміри із звужуючим пристроєм мають і недоліки, наприклад, квадратична залежність між витратою і перепадом, наслідком чого є нерівномірність шкали, досить малий діапазон вимірювання, .

Найпоширенішим звужуючим пристроєм є діафрагма, що представляє собою тонкий диск, із круглим отвором, вісь якого збігається з віссю труби.

Рівняння для масової  і об'ємної  витрати запишуться у наступному вигляді [1]

 

 

де  – коефіцієнт витрат звужуючого пристрою,  – коефіцієнт, що враховує стискаємість речовини,  – площа звужуючого отвору,  - густина речовини,  – перепад тиску.

Перетворювачі витрат з гідравлічним опором

і відцентровим принципом дії

Крім звужуючих пристроїв у пристроях змінного перепаду тиску застосовуються ще і такі перетворювачі витрат: гідравлічні опори, відцентрові, напірні пристрої, напірні підсилювачі і струминні. У всіх цих перетворювачів за винятком гідравлічних опорів, що працюють у ламінарному режимі, має місце квадратична залежність між витратою і створюваним перепадом тиску [4].

Втрата тиску в гідравлічному опорі будь-якого типу залежить від витрати. Для практичних цілей знайшли застосування лише опори, що працюють в умовах ламінарного режиму. Їхньою перевагою є можливість одержання лінійної залежності між витратою Q і перепадом ∆р.

В якості опору застосовують одну або кілька капілярних трубок, включених паралельно. Такі перетворювачі зручні для вимірювання досить малих витрат рідин і газів, порядку десятків і сотень л/г і менше. Рідше при більш значних витратах застосовуються інші опори: скляні пористі диски, пористі набивання з тонкої мідної стружки або ж калібровані металеві чи скляні кульки. Як відомо, ламінарний рух у трубі має місце при числах Rе≤2300. Звідси одержуємо залежність

 

 

з якої можна визначити максимальну об'ємну витрат , або ж мінімально припустимий діаметр .

На рис. 1 показана зміна потенційної і кінетичної енергій, а також втрат по довжині капілярної трубки при русі рідини. Відповідно до закону Пуазейля втрати від в'язкісного тертя  пропорційні довжині  трубки, відповідно до рівняння [1]

 

 

Рисунок 1 – Зміна потенціальної і кінетичної енергії уздовж

довжини капіляра [1]

 

Крім того, при вході відбувається падіння тиску, що затрачається на утворення кінетичної енергії . При цьому профіль швидкостей при вході практично рівномірний. Потім на вхідній ділянці довжиною  відбувається утворення параболічного профілю швидкостей. Тому наприкінці ділянки кінетична енергія дорівнює .

При виході з капіляра кінетична енергія не відновлюється. Таким чином, тільки на ділянці капіляра довжиною  немає інших втрат, крім втрат на в’язкісне тертя. Тому, якщо ми хочемо мати у витратомірі лінійну залежність між  і ∆р, то обидва отвори для відбору перепаду треба робити в межах ділянки . У більшості випадків, особливо при скляних капілярах, наприклад, у реометра, тиск  відбирається до, а тиск  – після трубки.

Тоді залежність  від ∆р при довгих капілярах буде наближатися до лінійного, а при коротких – до квадратичного.

Щоб одержати шкалу приладу близьку до лінійної, потрібно мати довжину  в кілька сотень разів (200-300) більшу діаметра капіляра d.

Розглянуті прилади мають у порівнянні з іншими витратомірами змінного перепаду тиску більший діапазон вимірювання і, крім того, краще підходять для вимірювання пульсуючих витрат, але розміри первинного перетворювача виходять більшими при значних витратах.

 

Перетворювачі витрат обтікання

Перетворювачами витрат обтікання називаються прилади, робота яких основана на залежності від витрати речовини переміщення тіла, що сприймає динамічний тиск потоку, що його обтікає.

Форми тіл обтікання різні: поплавець, поршень, куля, диск, крило, тощо. У більшості приладів тіло обтікання переміщується прямолінійно, зазвичай вздовж своєї вертикальної осі.

Перетворювачі витрат системи обтікання класифікуються так [4]:

1.   Витратоміри постійного перепаду тиску.

2.   Витратоміри з перепадом тиску, що змінюється.

3.   Витратоміри з поворотною лопатою.

Схеми основних типів перетворювачів втрат обтікання показані на рис. 2. Ротаметр (рис. 2, а) являє собою конічну скляну трубку, що розходиться нагору, усередині якої переміщається поплавець. У поплавкового витратоміра          (рис. 2, б) конічний поплавець переміщається в тонкому круглому отворі. Є і інші форми поплавців, наприклад, дисковий, що переміщається в конічному сідлі подібно зображеному на рис. 2, г. У поршневому витратомірі (рис. 2, в) обтічним тілом є поршень, що рухається всередині втулки, що має одне або кілька бічних отворів.

Поплавково-пружинний витратомір з віссю, перпендикулярною до потоку, і вертикальним переміщенням поплавця зображений на рис. 2, г, а віссю, паралельної потоку, і горизонтальним переміщенням поплавця на       рис. 2, д. Кульковий витратомір показаний на рис. 2, е. У вигнутій по дузі кола, звичайно скляній трубці постійного перетину, під тиском потоку переміщується кулька.

Схеми витратомірів з поворотною лопатою зображені на рис. 2, ж, з. У першому випадку площина лопати перпендикулярна до потоку, у другому – паралельна потоку. Зі збільшенням витрати лопата повертається навколо осі підвісу. Кут повороту є мірою витрат.

 

 

Рисунок 2 - Схеми перетворювачів витрат обтікання [1]

 

Із всіх перерахованих витратомірів обтікання найбільш широке поширення одержали ротаметри, наступні - поплавкові витратоміри і витратоміри з поворотною лопатою. Ротаметри застосовуються для вимірювання невеликих витрат рідини і газу, що мають незначний тиск.

 

Література:

1.        Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества / П.П.Кремлевский. - Л.: Машиностроение, 1975. – 776 с.

2.        Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества веществ / П.П.Кремлевский. - М.: Машиностроение, 2009. – 502 с.

3.        Ющенко Ю.А. Огляд сучасного стану вимірювання витрат речовини на основі теплових методів / В.С. Осадчук, О.В. Осадчук, Ю.А. Ющенко // Матеріали ІІ Міжнародна науково-практична конференція «Перспективні напрямки науки і техніки  - 2007», 16-30 листопада 2007, м. Перемишль, 2007. Польща. – С. 74-79.

4.        Хансуваров К.И. Расходомеры веществ/К.И. Хансуваров, - М.: Энергия, 1972. – 526 с.