Расходомеры: от секундомера до лазера

Расходомеры

Расходомер — прибор, измеряющий объёмный расход или массовый расход вещества, то есть количество вещества (объём, масса), проходящее через данное сечение потока, например, сечение трубопровода в единицу времени. Если прибор имеет интегрирующее устройство (счётчик) и служит для одновременного измерения и количества вещества, то его называют счётчиком-расходомером.

Механические счётчики расхода

Скоростные счётчики
Скоростные счётчики устроены таким образом, что жидкость, протекающая через камеру прибора, приводит во вращение вертушку или крыльчатку, угловая скорость которых пропорциональна скорости потока, а следовательно, и расходу.

Объёмные счётчики
Поступающая в прибор жидкость или газ измеряется отдельными, равными по объёму дозами, которые затем суммируются. Счётчики газа на этом принципе часто встречаются в быту.

Ёмкость и секундомер
Возможно, самый простой способ измерить расход — это использовать некоторую ёмкость и секундомер. Поток жидкости направляется в некоторую ёмкость, и по секундомеру засекается время заполнения этой ёмкости. Зная объём ёмкости и поделив его на время заполнения, можно узнать расход жидкости. Этот способ подразумевает прерывание нормального течения потока, однако может давать непревзойдённую точность измерения. Широко используется в тестовых и поверочных лабораториях.

Шестерёнчатый расходомер
Впервые расходомер с овальными шестернями был изобретен компанией Bopp & Reuther (Германия) в 1932 году.

Измеряющий элемент состоит из двух шестерёнок овальной формы. Протекающая жидкость вращает данные шестерёнки. При каждом обороте пары овальных колес через прибор проходит строго определённое количество жидкости. Считывая количество оборотов, можно точно определить, какой объём жидкости протекает через прибор.

Данные расходомеры отличаются высокой точностью, надёжностью и простотой, что позволяет их использовать для жидкостей с высокой температурой и под большим давлением. Отличительной особенностью расходомеров с овальными шестернями является возможность использования для жидкостей с высокой вязкостью (мазут, битум и т. д.).

Расходомеры переменного перепада давления
Расходомеры переменного перепада давления основаны на зависимости разницы давлений, создаваемых конструкцией расходомера, от расхода.

Расходомеры с сужающими устройствами
Они основаны на зависимости перепада давления на сужающем устройстве от скорости потока, в результате которого происходит преобразование части потенциальной энергии потока в кинетическую.

Принцип действия расходометров этого типа основан на эффекте Вентури. Вентури-расходомер сужает поток жидкости в некотором устройстве, например, диафрагмой и датчиками давления или дифманометром измеряет разницу давлений перед указанным устройством и непосредственно в месте сужения. Этот метод измерения расхода широко используется при транспортировке газов по трубопроводам и использовался ещё во времена Римской империи.

Диафрагма представляет собой диск со сквозным отверстием, вставленный в поток. Дисковая диафрагма сужает поток, и разница давлений, измеряемая перед и за диафрагмой, позволяет определить расход в потоке. Этот тип расходомера можно грубо считать одной из форм Вентури-метров, однако имеющую более высокие потери энергии. Существует три типа дисковых диафрагм: концентрические, эксцентриковые и сегментальные.

Трубка Пито
Расходомеры на основе трубки Пито измеряют динамическое давление в застойной зоне потока (англ.).

Зная динамическое давление, с помощью уравнения Бернулли можно определить скорость потока, а значит, и объёмный расход (Q = S * V, где S — площадь поперечного сечения потока, V — средняя скорость потока).

Лазерные расходомеры
Маленькие частички, которые неизбежно содержатся в природных и промышленных газах, проходят через два лазерных луча, направленных на поток от источника. Свет лазера рассеивается, когда частичка проходит через первый лазерный луч. Рассеянный лазерный луч поступает на фотодетектор, который в результате генерирует электрический импульсный сигнал. Если та же самая частица пересекает второй лазерный луч, то рассеянный лазерный свет поступает на второй фотодетектор, который генерирует второй импульсный электрический сигнал. Измеряя интервал времени между двумя этими импульсами, можно вычислить скорость газа по формуле V = D / T, где D — расстояние между двумя лазерными лучами, Т — время между двумя импульсами. Зная скорость потока, можно определить расход (Q = S * V, где S — площадь поперечного сечения потока, V — средняя скорость потока).

Основанные на лазерах расходомеры измеряют скорость частиц — параметр, который не зависит от теплопроводности, вида газа или его состава. Лазерная технология позволяет получать очень точные данные, причём даже в тех случаях, когда другие методы применять не удаётся или они дают большу́ю погрешность: при высоких температурах, малых расходах, высоких давлениях, высокой влажности, вибрациях трубопроводов и акустическом шуме.

Оптические расходометры способны измерять скорости потока от значений 0,1 м/с до более чем 100 м/с

Добыча нефти и газа

нефть, газ, добыча нефти, бурение, переработка нефти

7.6. Оптические (лазерные) расходомеры

К числу сравнительно новых, но быстро развивающихся методов из­мерения локальных скоростей потока и расхода относятся методы, осно­ванные на применении оптических квантовых генераторов—лазеров (ОКГ). Достоинствами этих методов являются: бесконтактность, высо­кая чувствительность, малая инерционность, большой диапазон измере­ний скоростей и расходов независимо от физических свойств измеряе­мой среды (как жидкостей, так и газов), за исключением требования ее прозрачности в диапазоне длин волн, излучаемых квантовыми генерато­рами.

Наиболее перспективно применение оптических методов в экспери­ментальной гидродинамике, особенно в области турбулентных явлений, изучение которых традиционными способами (например, с помощью тер­моанемометров) уже не дает желаемых результатов вследствие малой точности приборов и, главное, вносимых ими искажений в изучаемую структуру потока.

Кроме того, лазерные расходомеры используют при измерении рас­хода агрессивных, высоко- и низкотемпературных (криогенных) жид­костей и газов.

Б настоящее время распространение получили две конструктивные разновидности оптических (лазерных) расходомеров,, отличающихся ле­жащими в их основе физическими явлениями: расходомеры, основанные на эффекте рассеяния света движущимися частицами (допплеровские расходомеры), и расходомеры, основанные на эффекте Физо-Френеля — увлечения света движущейся средой.

Б оптическом расходомере (назовем его сокращенно ДИС), реализу­ющем первый эффект, излучение лазера, рассеянное движущимися в по­токе естественными или искусственно введенными частицами, приобре­тает частотный сдвиг, пропорциональный осредненной скорости частиц.

Принципиальная схема ДИС показана иа рис. 70. Прибор работает следующим образом. Световой поток, излучаемый газовым лазером 1, делится расщепителем 2 на два параллельных пучка равной интенсивнос­ти, которые линзой 3 фокусируются в исследуемой области среды, дви­жущейся по трубопроводу 4. В области пересечения лучей возникает пространственная интерференционная картина из чередующихся светлых и темных полос. Перемещающиеся в этой области частицы перекрывают светлые полосы, в результате чего рассеянный частицами свет модулиру­ется частотой, пропорциональной скорости движения частиц.

Рассеянный свет улавливается приемной оптической системой 5 и на­правляется на фотодетектор 7. Выделение и регистрация.частотного сиг­нала (пропорционального скорости движения частиц) осуществляется анализатором спектра или автоматической следящей системой 8. Диа­фрагма 6 предохраняет фотодетектор от фонового излучения.

Рис. 70. Принципиальная схема лазерного измерителя скоростей

Для создания рассеивающих центров (зоны движущихся частиц) в жидкостях в настоящее время чаще всего используют полистироловые шарики диаметром 0,5—1,0 мкм, добавляемые в поток с объемной кон­центрацией 0,002—0,02 %. Для получения сигнала требуемой интенсив­ности в газах достаточно 0,15 • 10

3
кг/м3 взвешенных примесей и аэро­золя. Эффективным способом получения рассеивающих центров в газах является способ распыления жидкостей (например, воды).

Основными источниками методических погрешностей ДИС являют­ся: неравномерность профиля скоростей потока; турбулентные пульса­ции скоростей; неоднородность рассеивающих частиц и их „проскальзы­вание” (несовпадение скоростей) относительно основного потока.

Эти погрешности совместно с аппаратурными обусловливают сум­марную погрешность измерений расхода с помощью ДИС порядка 1,5— 2,0%.

Принципиальная схема расходомера, реализующего эффект Физо-Френеля, показана на рис. 71. Основным элементом расходомера являет­ся гелиево-неоновый лазер, резонатор которого образован зеркалами 1, 4, 5, расположенными в вершинах треугольника, и активным элементом 9. Лазер генерирует две встречные волны, бегущие по замкнутым опти­ческим путям. Поток жидкости или газа, движущийся на некотором участке резонатора по трубопроводу 2 с прозрачными окнами 3, создает различные по знаку приращения оптических путей встречных волн лазера за счет составляющей проекции вектора скорости потока на направление луча. Вследствие этого различны и частоты встречных волн.

Часть энергии встречных лучей выводится из резонатора и зеркалами б, S направляется на фотодетектор 7, в цепи которого появляется фото-ток разностной частоты биений, пропорциональной скорости потока, ос-редненной по пути луча.

Инструментальная погрешность описанных расходомеров определя­ется, в основном, погрешностью измерения частоты биений. Нестабиль­ность частоты биений вызывается механическими вибрациями, изменени­ем температуры окружающей среды, а также процессами, происходящи­ми в плазме ОКГ. Известны „Физо-Френелевские” расходомеры, основ­ная погрешность которых не превосходит 0,5 % верхнего предела измере­ний.

гч- Г : / ^ i

Рис. 71. Принципиальная схема фи-зо-френелевого лазерного расхо­домера

— Методические погрешности зтих расходомеров обусловливаются не­постоянством показателя преломления измеряемой среды и отличием скорости, осредненной по длине луча, от действительной средней скорос­ти потока (аналогично, как у рассмотренных выше ультразвуковых рас­ходомеров) .

Особенно перспективны данные расходомеры для измерения расхода газов, поскольку частота выходного сигнала при показателях преломле­ния, близких к единице (что характерно для большинства газов), про­порциональна массовому расходу.

7.7. Измерение расхода методом контрольных „меток”

Если создать в потоке измеряемой среды какую-либо „метку” (ка­кой-либо отличительный признак части потока, за перемещением которо­го можно проследить) и измерять время tM, за которое эта „метка” пройдет определенный фиксированный путь LM, то, считая, что скорость перемещения „метки” v равна скорости потока, получим

Расходомеры, основанные на этом методе измерений (рис. 72), со­стоят из устройства, периодически создающего ту или иную „метку” по­тока; устройства, фиксирующего момент прохождения „метки”, и при­бора, измеряющего продолжительность перемещения „метки” на фикси­рованное расстояние LM.

На основании формулы (7.28) уравнение измерений зтих приборов будет иметь вид

Рис. 72. Схема измерения расхода ме­тодом контрольных „меток”

где sf — коэффициент, зависящий от распределения скоростей по сечению потока и числа Рейнольдса.

Погрешности измерения при данном методе не нормируются. Метод, как правило, используется в лабораторных условиях для измерения рас­хода газа при сверхвысоких скоростях, т. е. там, где другие методы трудно применить.

R контрольному вопросу № 13

Действительно, „закрутка” потока, вызванная сопротивле­нием первой турбинки, оказывает тормозящее действие на вто­рую.

7.8. Расходомеры, основанные на явлении ядерного магнитного резонанса (ЯМР-расходомеры)

Поляризованные в постоянном магнитном поле атомные ядра боль­шинства элементов, помещенных в переменное осциллирующее поле, при угловой частоте осциллирующего поля, равной угловой скорости прецес­сии (колебаний относительно среднего положения) ядер (ларморовой частоте), взаимодействуют с ним, поглощая часть его энергии. При этом изменяется намагниченность ядер, т. е. суммарный магнитный момент ядер в единице объема вещества.

Это явление — явление взаимодействия поляризованных ядер с резо­нансным осциллирующим полем называется ядерным магнитным резо­нансом.

Существует несколько принципов построения расходомерных уст­ройств, основанных на ядерном магнитном резонансе. Во-первых, явле­ние ядерного резонанса используется для создания „меток” в потоке жидкости.

Схема ЯМР-расходомера, работающего на принципе контрольных „меток”, показана на рис. 73. Жидкость проходит через магнитное поле, создаваемое магнитом 1 и поляризуется (ядра жидкости ориентируются

Спортивный секундомер – Система “Старт финиш”

Вот он результат работы которая длилась несколько месяцев. Это проектирование, разработка схем, испытание и много разных процессов было. Начиналось все с простого секундомера на Attiny 2313. Похожих проектов в сети найдено не было. Профессиональная система старт финиш стоит слишком больших денег. Данный спортивный секундомер предназначен для такого вида как пожарно-прикладной спорт. С ее помощью можно замерить время как при подъеме по штурмовой лестнице в окна учебной башни так и на стометровую полосу с препятствиями. Показания выводятся на светодиодное табло. Отсчет времени будет начинаться одновременно с выстрелом стартового пистолета. Осуществить это нам поможет звуковой сенсор Arduino.

В принципе данная система универсальна. Может использоваться и в других видах спорта.
За основу взята все так же схема секундомера на Attiny 2313. Имеет 4 символа. Если Вам понадобиться больше, все просто будет изменить.

Старт производится выстрелом из стартового пистолета. В качестве датчика звука выступает звуковой сенсор для Arduino с дискретным выходом D0.

Работает она так: настраиваем чувствительность подстроечным резистором, замеряем его сопротивление и впаиваем на его место постоянный резистор чтобы не сбилось значение. Будет неприятно если система на соревнованиях будет стартовать от чиха стартера). Сенсор я разместил за сто метров от финиша и расположения плат управления которые спрятал в корпусах табло. Подключен по витой паре и глюков не замечал.
По это схеме подключаем звуковой сенсор к плате. Транзистор VT3 – S8050. На плате он не предусмотрен, будьте внимательны!

С этим разобрались. Финиш пока трогать не будем, т.к. у меня нет схем (упс..). Я схитрил и использовал готовые ИК-барьеры для финиша. Если будут просьбы, я обязательно нарисую для вас. Выглядят они в нашем проекте примерно так:

Вот и дошли руки доделать проект до конца. Собрал нормальный лазерный финиш и смастерил красивые и удобные коробки для подключения финишных площадок.

Сейчас расскажу про лазерный финиш. Лазеры использовал обычные китайские на 5 Вольт. Модель используемого фотодиода – BPW-34. Корпус для платы использовал Gainta G403. Всего установлено 5 стоек. Так как у меня 4 дорожки в манеже, у меня 4 платы приемника. Последняя пятая стойка держит лишь один лазер, и для нее корпус меньше Gainta G403. А у самой первой стойки плата без лазера. Остальные три стойки с лазером на плате. На плате предусмотрено место под него.
Вот как разрабатывалась плата под корпус Gainta G401. Часами сидел и все правильно вымерял. Чтобы все аккуратно сидело. После уже подгонял плату Дремелем. Разъем на плате использовал для удобства. И пригодилось несколько раз. Так же рекомендую его использовать.
Шаровое крепление для настройки направления лазера использовал не очень распространенные на рынке крепление для фотоаппаратуры.

И теперь готовое устройство.

Схему лень рисовать, поэтому просто скрин платы из Sprint Layout.

Теперь расскажу как собирал корпус для подключения площадок финишных. Ранее использовались телефонные разъемы. После недолгого использования разъемы эти пришли в негодность и пропал контакт, что на соревнованиях недопустимо. И решено было сделать что то более надежное и простое. Для этого были выбраны разъемы “Бананы” вилка и розетка. Соединяются площадки с разъемами проводом ПВС. Для красоты сделал наклейку с номерами контактов чтобы было понятно что куда подключать. Потом понял что чего то не хватает и добавил еще место под светодиод синий а к нему рамку еще чтобы сидел красиво и ровно. Все собрал, приклеил, припаял и коробку прикрутил к стене. И теперь когда мы бегаем по учебной башне у нас горят все коробочки. Их три кстати, на каждом этаже. P.S. Тут я задумался о большом видео работы все системы.

Чуть не забыл самое важное. Вот основная схема самого секундомера.

Тут видите “умощнитель нагрузки” транзисторную сборку Дарлингтона, микросхему ULN2003 (подойдут и аналоги ULN2004, UDN и прочая чепуха). Вот схема которая включает каждую цифру по очереди согласно программе:

Пояснения. VT1 – КП503, VT2 – КТ972. Можно и аналоги использовать.

Кнопку “Сброс” я решил не использовать. Ведь если остановлен отсчет времени, то следующее начало отсчета “старт” будет начинаться с нуля.

В начале в целях экономии предполагалось использовать корпус для табло из ДСП. Вот как бы они выглядели.

Но все же это было все не то. В итоге получился такой корпус в эскизе.

Теперь расскажу о светодиодах. Ушло примерно 18 метров. Мощность 14 Вт/М. В нашем варианте 4 двусторонних светодиодных табло, в итоге получилось 224 сегмента. Схема тянет свое табло без проблем.
Плату повесил в воздухе внутри корпуса как то так:

В качестве шайб-подставок был использован простой кембрик сделанный из изоляции какого-то провода.

Теперь о плате. На фото Вы можете увидеть реле. Это планировалось реализовать функцию которая в итоге не пригодилась, так что его я исключил. Файл платы в формате SL в конце статьи.

Вот что в итоге получилось. Тестировали систему старт-стоп сразу на соревнованиях.

Файл печатной платы секундомера в формате Sprint Layout – Загрузить.
Файл прошивки и исходник для 6 разрядов секундомера – Загрузить.
Файл прошивки и исходник а так же файлы протеуса – Загрузить.
Файл печатной платы лазерного финиша для корпуса Gainta G403 в формате Sprint Layout – Загрузить.
Файл наклейки для коробок с разъемами в формате PDF – Загрузить.
Схема будет работать в режиме работы “Общий катод”. Вот сразу готовый файл прошивки рабочий если вдруг не знаете как сделать – Загрузить.

Обещаю статью постепенно обновлять, так как материала много, мог что то и забыть.

ПРАМЕНЬ – Производство и поставка расходомеров, счетчиков топлива. – ООО ПРАМЕНЬ. Производство расходомеров, дозаторов, искробезопастных барьеров

Звоните:+74993488793, +74957776675доб 29797, 810 375293333813
факс: +7 (495) 777-66-75 доб. 37645
WhatsApp;Viber: +375293333813
Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Оптические расходомеры

Оптические расходомеры – это расходомеры, основанные на зависимости от расхода вещества того или иного оптического эффекта в потоке.

Существуют следующие разновидности этих приборов:

• допплеровские расходомеры (принцип их работы основан на измерении разности частот, появляющейся при отражении светового луча движущимися частицами потока);
• расходомеры, основанные на эффекте Физо-Френеля (в них измеряется сдвиг интерференционных полос или частоты световых колебаний, связанный с зависимостью скорости света в движущемся прозрачном веществе от его скорости);
• особые оптические расходомеры;
• корреляционные оптические расходомеры;
• расходомеры, основанные на измерении времени перемещения на определённом участке пути оптической метки, введённой в поток.

Оптические расходомеры часто называют лазерными, так как развитие их основных разновидностей стало возможным после создания мощных оптических квантовых генераторов (ОКГ), которые чаще называют лазерами.

Допплеровские оптические расходомеры являются основными среди рассматриваемых оптических приборов. В основном они применяются для измерения местных скоростей жидкости и газа. Для измерения расхода они применяются реже, в отличие от приборов, основанных на принципе Физо-Френеля, которые предназначены только для измерения расхода. Оптические расходомеры обычно применяют в трубах небольшого диаметра.

Допплеровские расходомеры

Принцип действия расходомеров данного типа основан на измерении разности частот, возникающих при отражении светового или звукового луча движущимися частицами потока.

Свет отражается (или рассеивается) от большого числа естественных или искусственных неоднородностей измеряемого вещества. Вследствие чего на приёмник будет поступать сигнал, содержащий случайные составляющие спектра, так как характер сложения амплитуд и фаз элементарных отражений случайный. Хотя мощность сигнала не велика, но этого достаточно для измерения допплеровского сдвига.

Схемы оптических устройств у анемометров и расходомеров Допплера могут быть различны. Чаще всего источник излучения и фотоприемное устройство располагаются на противоположных сторонах трубы, несмотря на то, что при этом требуется весьма жесткая опорная конструкция, обеспечивающая неизменность положения оптической системы. При необходимости всю система можно расположить с одной стороны, но в этом случае потребуются более мощный источник излучения и более чувствительная измерительная схема, так как здесь на фотоприемник поступают отраженные лучи, направленные в сторону, противоположную движению потока, интенсивность которых в сотни и тысячи раз меньше лучей, отражаемых по направлению потока.

Измерение допплеровского сдвига частоты при обычных скоростях основано на измерении частоты биений двух когерентных оптических сигналов, из которых один опорный, а другой рассеиваемый неоднородностями движущегося вещества[1].

Устройство допплеровских оптических скоростемеров

Схема Иэха и Каммингса (первая по времени):

Принцип действия этой схемы основан на том, что луч, образованный оптическим квантовым генератором ОКГ и сфокусированный в точке О линзой Л1, отражает часть своей энергии, которая собирается линзой Л3 и направляется зеркалом З1 через диафрагму D на фотокатод фотоэлектронного умножителя ФЭУ. Но данная схема обладает существенным недостатком, заключающимся в трудности регулирования положения рабочей точки О.

Данная схема лишена недостатка предыдущей, так как разделение луча происходит до входа в поток, благодаря чему можно легко менять положение рабочей точки. Принцип действия: луч после выхода из ОКГ падает на полупрозрачное зеркало ПЗ и частично отражается им, образуя опорный луч, проходящий через линзу Л1, затем через жидкость (перпендикулярно её движению без допплеровского эффекта) и через диафрагму D поступает на фотокатод ФЭУ. Из ОКГ идёт другая часть луча, которая проходит через зеркало ПЗ, фокусируется линзой Л2 в рабочей точке О (частично рассеиваясь) и образует рабочий луч, проходящий через диафрагму D, и поступает на фотокатод ФЭУ. Положение рабочей точки О регулируется передвижением зеркала З.

Измерение расхода с помощью эффекта Допплера.

Рисунок 3. Схема допплеровского расходомера ЛДР-100:

(1 — лазер; 2 — поворотные зеркала; 3 — полуволновая фазовая пластинка; 4 — коллиматор; 5 — призмы; 6 — расширитель пучка; 7 — выходной объектив; 8 — сопло Витошинского; 9, 10 — объективы приемного блока; 11 — фотоприемник)

Для измерения расхода оптическими средствами с помощью эффекта Допплера применяют два метода:

1. Этот метод состоит в измерении с помощью лазерного допплеровского анемометра средней скорости потока и умножении результата измерения на площадь потока;
2. Применение лазерного допплеровского расходомера особой конструкции.

При первом методе измеряется местная скорость (при известном её соотношении со средней скоростью). Скорость измеряют в центре трубы или на расстоянии 0,758r (где r — внутренний радиус трубы) от оси трубы. Во втором случае измеряется непосредственно средняя скорость, но здесь требуется большая длина прямого участка трубы, чем при измерении скорости в центре. Также затрудняющего измерение средней частоты допплеровского сигнала из-за большого градиента скорости в данной точке, который приводит к нежелательному расширению спектра этого сигнала.

Точка в центре трубы не имеет данного недостатка. Но для измерения скорости в данной точке необходимо знать коэффициент гидравлического трения трубы. Требования, которые необходимо соблюдать при измерении скорости в одной точке, а также погрешности площади сечения трубопровода приведены в п. 5.3 ГОСТа 8.361—79.

Для снижения погрешности измерения средней скорости и погрешности измерения площади потока в трубе устанавливают сужающее устройство типа сопла Витошинского, которое формирует равномерное поле скоростей. При этом может быть получена высокая точность измерения расхода, близкая к точности образцовых расходомерных установок.

При втором методе необходимы устройства, позволяющие или одновременно измерять допплеровский сдвиг частот в нескольких точках, расположенных на разных расстояниях от оси трубы, или же делать эту операцию последовательно, например с помощью двигателя, который с постоянной скоростью передвигает фокусирующую линзу и, следовательно, перемещает рабочую точку [1]. На рисунке 3 показана схема прибора, измеряющего допплеровский сдвиг частот в нескольких точках. На полупрозрачное зеркало 2 падает световой луч от лазера 1. Часть луча, отражённая от зеркала, направляется непосредственно в поток 5, а другая часть поступает на зеркало 3 и затем на расщепитель 4, из которого выходит в виде ряда пучков. Эти пучки интерферируют с прямым пучком в отдельных точках потока. Проходя через линзу 6 и диафрагму 7, они поступают на протяженный фотоприемник 8. Для получения измерительной информации применяется многоканальный быстродействующий анализатор спектра либо многолучевой допплеровский измеритель с частотным сдвигом пучков, в котором осуществляется как пространственное, так и частотное разделение световых пучков с помощью вращающейся дифракционной решетки.

Обеспечить измерение массового расхода можно дополнив допплеровский оптический расходомер корректором, который учитывает плотность измеряемого вещества.

Расходомеры, основанные на эффекте Физо-Френеля

Скорость света в веществе сп, движущемся со скоростью v, зависит от величины и направления этой скорости. Скорость сп определяется уравнением, которое теоретически вывел Френель, а экспериментально подтвердил Физо:

где с_n – скорость света в неподвижном прозрачном веществе; v – скорость движения вещества; n — коэффициент преломления вещества.

Принцип действия расходомеров, основанных на эффекте Физо-Френеля, следующий: для измерения скорости v на определенном участке пути длиной l создается замкнутый контур длиной L, по которому свет циркулирует в противоположных направлениях (свет надо пропускать по потоку и против него и измерять разность времен прохождения светом данного участка пути). Измеряемое вещество движется лишь на части этого контура длиной L. Сдвиг интерференционных полос или сдвиг частоты световых колебаний между обоими потоками измеряются с помощью фотоприёмного устройства, на которое поступают оба световых потока после прохода замкнутого контура L. Причем как сдвиг интерференционных полос, так и сдвиг частоты световых колебаний пропорциональны скорости v измеряемого вещества.

Рисунок 4 – Схема интерференционного расходомера Физо-Френеля

На рисунке 3 приведена схема оптического интерференционного расходомера. Свет от источника 11 проходит через светофильтр 12 и полупрозрачным зеркалом 10 делится на два потока, проходящие через прозрачные вставки 6 и 13, установленные в корпусе 1. После отражения от зеркал 3 и 4 (укрепленных в трубе с помощью струевыпрямителей 2 и 5) один световой луч проходит путь l по потоку измеряемого вещества, а другой против него. Затем они вновь отражаются от зеркал 3 и 4 и возвращаются к зеркалу 10, где смешиваются и образуют интерференционную картину. Часть интерференционной полосы проходит через диафрагму 7 и поступает к фотоприемнику 8. Фототок измеряется прибором 9. [1]

Особые оптические расходомеры

К особым оптическим расходомерам можно отнести приборы, основанные на зависимости от расхода оптических свойств волоконного световода, который находится в потоке измеряемого вещества.

Оптический расходомер с волоконным световодом, расположенным по оси трубы.

Рисунок 5 – Оптический расходомер с волоконным световодом, расположенным по оси трубы

В данном расходомере неоново-гелиевый лазер 1 соединен с волоконным световодом 2. Данный световод проложен вдоль оси медной трубки 3 (диаметром 30 мм и длиной 500 мм), по которой движется измеряемая жидкость. Противоположный конец световода 3 соединен с фотопреобразователем 4. Течение жидкости вызывает небольшую вибрацию волоконного световода, благодаря чему возникают фазовые изменения светового луча. Фотопреобразователь 4 вырабатывает сигнал, поступающий к измерительному прибору, но только после непосредственного усиления, фильтрации и интегрирования. Главным достоинством данного расходомера является простота его конструкции. Но точность этого прибора невысока.

Оптический расходомер с волоконным световодом, расположенным по диаметру трубы.

Рисунок 6 – Оптический расходомер с волоконным световодом, расположенным по диаметру трубы

Этот прибор даёт гораздо лучшую точность в сравнении с предыдущим. Преобразователь данного расходомера состоит из тонкого стекловолокнистого световода 6, натянутого грузом 9 и расположенного поперек трубопровода 7. Нить укреплена вверху в клеммодержателе 5, проходя через уплотнения 8. Источником света в данном случае является неоново-гелиевый лазер.

При движении измеряемого вещества с обеих сторон нити будут поочередно срываться вихри с частотой, пропорциональной объемному расходу. Ввиду чего данный преобразователь рассматривают, как один из возможных вариантов преобразователей вихревых расходомеров. Срывы вихрей вызывают вибрацию световода и, как следствие, фазовую модуляцию проходящего через него светового луча, воспринимаемую фотодетектором[1].

Основными достоинствами оптических (лазерных) расходомеров являются:

• высокая точность;
• отсутствие контакта с измеряемым веществом;
• высокая чувствительность;
• малая инерционность;
• широкий диапазон измерения скоростей (0,1…100 м/с) и расходов независимо от физических свойств измеряемой среды (как жидкостей, так и газов), за исключением требования прозрачности среды в диапазоне длин волн, излучаемых лазерами.

Наиболее перспективно применение оптических методов в экспериментальной гидродинамике, особенно в области турбулентных явлений, изучение которых традиционными способами не дает желаемых результатов вследствие малой точности приборов и, главное, вносимых ими искажений в изучаемую структуру потока.

Расходомеры данного типа применяются для оптически прозрачных жидкостей, к которым относятся вода, керосин, бензин, спирт, растворы серной, азотной кислот и газов. Также лазерные расходомеры используют при измерении расхода агрессивных, высоко- и низкотемпературных (криогенных) жидкостей и газов.

Контроль расхода учет жидкостей осуществляется с помощью различных счетчиков и расходомеров. Определится с выбором вам поможет наш сайт.

Используемая литература:

1. Кремлевский П. П. Расходомеры и счетчики количества веществ: Справочник: Кн. 2 / Под общ. ред. Е. А. Шорникова. — 5-е изд., перераб. и доп. — СПб.: Политехника, 2004. — 412 с

Руководство по выбору расходомера. Часть 2

Выбор типоразмера расходомера, метрологические характеристики

В первой части руководства были рассмотрены особенности применения расходомеров различных принципов измерения расхода и ограничения по их использованию в зависимости от физико-химических свойств измеряемой среды.

Теперь, после того, как мы примерно определились с тем какие расходомеры лучше подходят для решения поставленной измерительной задачи, необходимо выяснить, какого типоразмера и какой динамический диапазон измерения должен иметь расходомер, чтобы обеспечить измерение расхода с требуемой точностью в заявленном диапазоне.

Особенности выбора типоразмера расходомера

В большинстве случаев величина расхода, которую требуется измерять, изменяется в довольно широких пределах от Q_min (минимальный расход) до Q_max (максимальный расход). Отношение величины максимального к величине минимального расхода называется динамическим диапазоном измерения. Необходимо помнить, что под минимальной и максимальной величинами расхода, в данном случае, понимаются такие значения, при измерении которых расходомер обеспечивает заявленную точность.

Выбор типоразмера измерителя расхода является наиболее сложной задачей. Номинальный диаметр его измерительной части (Ду) и диаметр трубопровода определяют расход измеряемой среды, скорость движения которой должна находиться в определенных пределах.

Так при измерении расхода абразивных жидкостей, пульпы, рудного шлама и т.п. электромагнитными расходомерами, необходимо обеспечить скорость движения среды не более 2 м/с. При измерении расходов сред, склонных к образованию отложений (сточные воды), скорость движения среды наоборот рекомендуется повысить, чтобы илистые отложения более эффективно вымывались. Для измерения расходов чистых неабразивных жидкостей электромагнитными расходомерами рекомендуется обеспечить скорость потока равной 2,5…3 м/с.

При измерении расходов жидкостей скорость потока не должна превышать 10 м/с. При измерении расхода газов и пара скорость потока, в большинстве случаев, не должна быть выше 80 м/с.

Ориентировочные значения расхода жидкости в зависимости от диаметра трубопровода и измерительной части расходомера при разных скоростях движения среды приведены в таблице 1.

На диапазон измерения расхода также влияют температура и давление измеряемой среды. В таблице 2 для примера показаны диапазоны измерения расхода воздуха при температуре 20°С и различном избыточном давлении вихревого расходомера Vortex VN2000.

Более точное определение минимального и максимального значения расходов для данного типоразмера расходомера производится с помощью специальных программных средств, разработанных производителем. При расчете учитывается влияние минимальных и максимальных значений температуры и давления среды, ее плотность, вязкость и другие характеристики, влияющие на скорость потока и объемный расход.

Влияние гидравлического сопротивления

Необходимо также учитывать и то, что расходомер может оказывать определенное сопротивление движению измеряемой среды и вносить дополнительное гидравлическое сопротивление. Наибольшим гидравлическим сопротивлением обладает вихревой расходомер из-за наличия в измерительной части прибора тела обтекания довольно большого объема. Кориолисовый расходомер также обладает гидравлическим сопротивлением, приводящим к потере давления, из-за наличия в конструкции изгибов и разветвлений трубопроводов.

Наименьшим гидравлическим сопротивлением обладают электромагнитные и ультразвуковые измерители расхода, так как они не имеют изгибов и частей, выступающих внутрь измерительной части. Они относятся к полнопроходным. Некоторые потери давления могут быть вызваны материалом футеровки измерительной части (например, резиновой футеровкой) или неправильной установкой (уплотнительные прокладки выступают внутрь проточной части расходомера).

В таблице 3 приведены значения динамического диапазона измерения расхода и максимальные значения скорости потока для расходомеров различного принципа действия.

Метрологические характеристики и их влияние на выбор

В настоящее время встречаются электромагнитные расходомеры с заявленным динамическим диапазоном 500:1 и даже 1000:1. Такие значительные динамические диапазоны измерения достигаются путем применения многоточечной калибровки при выпуске расходомера из производства. К сожалению, в процессе дальнейшей эксплуатации метрологические характеристики ухудшаются и реальный динамический диапазон значительно сужается.

Метрологические характеристики расходомеров выходят на первый план в случае их применения для коммерческого учета энергоресурсов. Необходимо помнить, что все приборы, которые планируется использовать для целей коммерческого учета, должны быть в обязательном порядке внесены в Государственный реестр средств измерений после прохождения соответствующих испытаний, по результатам которых подтверждаются заявленные производителем метрологические характеристики. Именно действующим описанием типа средства измерения следует руководствоваться при оценке погрешностей. Так как, например, в некоторых случаях, заявленная производителем низкая погрешность измерения может быть обеспечена не во всем диапазоне, а только в некоторой его узкой части. И, к сожалению, производители не всегда отражают этот факт в своей технической документации и рекламных материалах.

Для снижения издержек на последующее метрологическое обслуживание (поверку) расходомеров при прочих равных условиях рекомендуется выбирать приборы с максимальным межповерочным интервалом. На данный момент большинство расходомеров имеет межповерочный интервал один раз 4 года и более. При выборе марки прибора не стоит гнаться за максимальным значением межповерочного интервала в случае когда долговременная точность измерения является определяющей характеристикой, особенно если это предложение от малоизвестного производителя. Для расходомеров с условным диаметром более 250 мм (DN 250) наличие методики поверки без демонтажа измерительной части, так называемой имитационной, беспроливной поверки, зачастую становиться решающим фактором в пользу выбора конкретного производителя и типа. Проведение поверки проливным методом расходомеров с условным диаметром более 250 мм в настоящее время является сложной задачей в виду отсутствия в России аттестованных проливных установок для поверки средств измерения расхода большого диаметра. Но необходимо помнить, что метод беспроливной поверки добавляет к базовой погрешности измерения еще дополнительную погрешность 1…1,5%, что не всегда может быть приемлемо.

В таблице 4 приведены метрологические характеристики измерителей расхода с различным способом измерения, пожалуй, с лучшими на сегодняшний день показателями точности. Если предлагаемое вам поставщиком решение обладает еще более высокими показателями точности, то следует более тщательно подойти к вопросу проверки заявленных метрологических характеристик данного оборудования.

На точность измерения объемного и массового расхода влияет не только метод измерения, качество применяемых при изготовлении материалов, примененные схематические решения и программные алгоритмы вычислений, но и правильность монтажа и настройки, своевременность и полнота технического обслуживания. Этим вопросам будет посвящена заключительная, третья часть руководства по выбору расходомеров, так как затраты на монтаж и последующее обслуживание, а также возможные технические особенности применения тоже должны учитываться в процессе выбора расходомера.

Оптические, лазерные расходомеры

Оптические расходомеры – это расходомеры, основанные на зависимости от расхода вещества того или иного оптического эффекта в потоке. Существуют следующие разновидности этих приборов: допплеровские расходомеры (принцип их работы основан на измерении разности частот, появляющейся при отражении светового луча движущимися частицами потока); расходомеры, основанные на эффекте Физо-Френеля (в них измеряется сдвиг интерференционных полос или частоты световых колебаний, связанный с зависимостью скорости света в движущемся прозрачном веществе от его скорости); особые оптические расходомеры; корреляционные оптические расходомеры; расходомеры, основанные на измерении времени перемещения на определённом участке пути оптической метки, введённой в поток. Оптические расходомеры часто называют лазерными, так как развитие их основных разновидностей стало возможным после создания мощных оптических квантовых генераторов (ОКГ), которые чаще называют лазерами. Допплеровские оптические расходомеры являются основными среди рассматриваемых оптических приборов. В основном они применяются для измерения местных скоростей жидкости и газа. Для измерения расхода они применяются реже, в отличие от приборов, основанных на принципе Физо-Френеля, которые предназначены только для измерения расхода. Оптические расходомеры обычно применяют в трубах небольшого диаметра. Допплеровские расходомеры. Принцип действия расходомеров данного типа основан на измерении разности частот, возникающих при отражении светового или звукового луча движущимися частицами потока.

Свет отражается (или рассеивается) от большого числа естественных или искусственных неоднородностей измеряемого вещества. Вследствие чего на приёмник будет поступать сигнал, содержащий случайные составляющие спектра, так как характер сложения амплитуд и фаз элементарных отражений случайный. Хотя мощность сигнала не велика, но этого достаточно для измерения допплеровского сдвига. Схемы оптических устройств у анемометров и расходомеров Допплера могут быть различны. Чаще всего источник излучения и фотоприемное устройство располагаются на противоположных сторонах трубы, несмотря на то, что при этом требуется весьма жесткая опорная конструкция, обеспечивающая неизменность положения оптической системы. При необходимости всю система можно расположить с одной стороны, но в этом случае потребуются более мощный источник излучения и более чувствительная измерительная схема, так как здесь на фотоприемник поступают отраженные лучи, направленные в сторону, противоположную движению потока, интенсивность которых в сотни и тысячи раз меньше лучей, отражаемых по направлению потока. Измерение допплеровского сдвига частоты при обычных скоростях основано на измерении частоты биений двух когерентных оптических сигналов, из которых один опорный, а другой рассеиваемый неоднородностями движущегося вещества. Устройство допплеровских оптических скоростемеров. Схема Иэха и Каммингса (первая по времени):

Принцип действия этой схемы основан на том, что луч, образованный оптическим квантовым генератором ОКГ и сфокусированный в точке О линзой Л1, отражает часть своей энергии, которая собирается линзой Л3 и направляется зеркалом З1 через диафрагму D на фотокатод фотоэлектронного умножителя ФЭУ. Но данная схема обладает существенным недостатком, заключающимся в трудности регулирования положения рабочей точки О.

Данная схема лишена недостатка предыдущей, так как разделение луча происходит до входа в поток, благодаря чему можно легко менять положение рабочей точки. Принцип действия: луч после выхода из ОКГ падает на полупрозрачное зеркало ПЗ и частично отражается им, образуя опорный луч, проходящий через линзу Л1, затем через жидкость (перпендикулярно её движению без допплеровского эффекта) и через диафрагму D поступает на фотокатод ФЭУ. Из ОКГ идёт другая часть луча, которая проходит через зеркало ПЗ, фокусируется линзой Л2 в рабочей точке О (частично рассеиваясь) и образует рабочий луч, проходящий через диафрагму D, и поступает на фотокатод ФЭУ. Положение рабочей точки О регулируется передвижением зеркала З. Измерение расхода с помощью эффекта Допплера.

Рисунок 3. Схема допплеровского расходомера ЛДР-100:

(1 — лазер; 2 — поворотные зеркала; 3 — полуволновая фазовая пластинка; 4 — коллиматор; 5 — призмы; 6 — расширитель пучка; 7 — выходной объектив; 8 — сопло Витошинского; 9, 10 — объективы приемного блока; 11 — фотоприемник). Для измерения расхода оптическими средствами с помощью эффекта Допплера применяют два метода: Этот метод состоит в измерении с помощью лазерного допплеровского анемометра средней скорости потока и умножении результата измерения на площадь потока; Применение лазерного допплеровского расходомера особой конструкции. При первом методе измеряется местная скорость (при известном её соотношении со средней скоростью). Скорость измеряют в центре трубы или на расстоянии 0,758r (где r — внутренний радиус трубы) от оси трубы. Во втором случае измеряется непосредственно средняя скорость, но здесь требуется большая длина прямого участка трубы, чем при измерении скорости в центре. Также затрудняющего измерение средней частоты допплеровского сигнала из-за большого градиента скорости в данной точке, который приводит к нежелательному расширению спектра этого сигнала. Точка в центре трубы не имеет данного недостатка. Но для измерения скорости в данной точке необходимо знать коэффициент гидравлического трения трубы. Требования, которые необходимо соблюдать при измерении скорости в одной точке, а также погрешности площади сечения трубопровода приведены в п. 5.3 ГОСТа 8.361—79. Для снижения погрешности измерения средней скорости и погрешности измерения площади потока в трубе устанавливают сужающее устройство типа сопла Витошинского, которое формирует равномерное поле скоростей. При этом может быть получена высокая точность измерения расхода, близкая к точности образцовых расходомерных установок. При втором методе необходимы устройства, позволяющие или одновременно измерять допплеровский сдвиг частот в нескольких точках, расположенных на разных расстояниях от оси трубы, или же делать эту операцию последовательно, например с помощью двигателя, который с постоянной скоростью передвигает фокусирующую линзу и, следовательно, перемещает рабочую точку [1]. На рисунке 3 показана схема прибора, измеряющего допплеровский сдвиг частот в нескольких точках. На полупрозрачное зеркало 2 падает световой луч от лазера 1. Часть луча, отражённая от зеркала, направляется непосредственно в поток 5, а другая часть поступает на зеркало 3 и затем на расщепитель 4, из которого выходит в виде ряда пучков. Эти пучки интерферируют с прямым пучком в отдельных точках потока. Проходя через линзу 6 и диафрагму 7, они поступают на протяженный фотоприемник 8. Для получения измерительной информации применяется многоканальный быстродействующий анализатор спектра либо многолучевой допплеровский измеритель с частотным сдвигом пучков, в котором осуществляется как пространственное, так и частотное разделение световых пучков с помощью вращающейся дифракционной решетки. Обеспечить измерение массового расхода можно дополнив допплеровский оптический расходомер корректором, который учитывает плотность измеряемого вещества.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Увлечёшься девушкой-вырастут хвосты, займёшься учебой-вырастут рога 10078 – | 7829 – или читать все.