Ось энкодера механически связана с осью вращающегося тела, угол поворота которого надо измерить.

Инкрементный энкодер при вращении оси выдает последовательность импульсов, количество которых пропорционально углу поворота оси, а количество импульсов в единицу времени пропорционально скорости вращения. Принцип работы инкрементального эн кодера поясняется рисунком.х

Для обработки сигнала инкрементого энкодера применяют счетчик, который запускается при прохождении маркера (метки, соответствующей нулевым координатам, сигнал маркируется Z, C или R) и считает импульсы, количество которых пропорционально углу поворота. Для определения направления вращения энкодер формирует две последовательности импульсов, обозначаемые в документации как каналы А и В, сдвинутых на 90° относительно друг друга. Существуют специализированные контроллеры, имеющие входы для обработки этих сигналов (Quadrature Encoder Interface). В настоящее время выпускаются инкрементные энкодеры c числом импульсов на один оборотот 1 до 8192 и максимальной рабочей скоростью до 36 000 мин^-1.

Абсолютные энкодеры генерируют цифровой код, в каждый момент времени соответствующий углу поворота (перемещению) и не нуждаются в маркерах нулевого положения. Однооборотные датчики определяют текущую координату только в пределах одного полного оборота вала, а многооборотные датчики могут дополнительно распознавать несколько полных оборотов. Обычно абсолютные датчики вращения и датчики угла передают измеренную координату по последовательным интерфейсам — EnDat, SSI, PROFIBUS-DP или другим. Двунаправленные интерфейсы EnDat и PROFIBUS-DP позволяют также осуществлять контроль и диагностику датчиков.

Важным техническим параметром абсолютного энкодера является разрядность генерируемого кода, которая определят его угловое разрешение. Так фирма Renishaw предлагает абсолютный оптический энкодер RESOLUTE™ c разрешением 32 бит, что соответствует 4 294 967 296 отсчетов на оборот,

Абсолютный многооборотный (4096 оборотов) энкодер (8192 положения на оборот)

Из метрологических характеристик эенкодеров наиболее важной является число импульсов на оборот для инкрементных и число бит для абсолютных энкодеров. От данного показателя разрешающая способность системы — чем больше импульсов (разрядность) тем выше точность.

Из технических характеристик следует отметить способ сопряжения с контролируемым механизмом, интерфейс сопряжения с другими элементами САУ.

Датчики расхода

Датчики расхода по назначению можно разделить на расходомеры объема и расходомеры массы.

Расходомеры постоянного перепада давления (ротаметры).В этих расходомерах обтекаемое тело (поплавок, поршень, клапан, поворачивающаяся пластинка, шарик и др.) воспринимает со стороны набегающего потока силовое воздействие, которое при возрастании потока увеличивается и перемещает обтекаемое тело. В результате перемещающая сила уменьшается и вновь уравновешивается противодействующей силой. В качестве противодействующей силы служит вес обтекаемого тела при движении потока снизу вверх или сила противодействующей пружины при произвольном направлении потока. Выходным сигналом служит величина перемещения обтекаемого тела. Рисунок . 54 иллюстрирует принцип действия расходомера постоянного перепада давления.

В конической трубке 1 размещено обтекаемое тело 2, на которое действует сила гидродинамического давления Р, направленная вверх и зависящая от скорости течения в кольцевом канале, образованном трубкой и телом обтекания.

где k – коэффициент пропорциональности;

S – площадь сечения тела обтекания;

r и V - плотность и скорость текущей среды соответственно.

При подъеме тела на высоту h сила гидродинамического давления уравновешивается силой веса тела F и силой статического давления на тело обтекания Р_СТ, направленной сверху вниз.

При равновесии сил, действующих на поплавок, он устанавливается на высоте, соответствующей значению измеряемого расхода. Расход можно определить по формуле:

где S_К – площадь кольцевого зазора;

Р_СТ – статическое давление на тело обтекания.

Очевидно, что площадь кольцевого зазора S зависит от высоты подъема тела h

Где R - радиус тела обтекания;
Поскольку в состоянии равновесия сила гидродинамического давления всегда равна постоянной величине - весу тела плюс статическое давление, ротаметры называют расходомерами постоянного перепада давления.

Во избежание трения и удара поплавка о стенки трубки в его верхнем ободе выполнены наклоненные к вертикали прорези. Вещество, протекая через прорези, придает

Рис. 54 Схема расхо-

домера обтекания

поплавку вращение, и он центрируется в середине потока. При равновесии сил, действующих на поплавок, он устанавливается на высоте, соответствующей значению измеряемого расхода.

Расходомеры обтекания для измерения жидкостей и газов выпускаются в нескольких вариантах. В ротаметрах со стеклянной конической трубкой для измерения прозрачных жидкостей и газов шкала нанесена непосредственно на внешнюю поверхность трубки, а показания снимаются по верхней вращающейся плоскости поплавка. На нижнем патрубке имеется седло, куда опускается поплавок при нулевом расходе. На верхнем патрубке имеется ограничитель хода поплавка.

Для измерения расхода газов и жидкостей при необходимости передачи информации на расстояние применяют ротаметры с преобразовательными элементами (электрические или пневматические). На рис. 55 представлена схема ротаметра с электрической передачей показаний.

Рис. 55 Схема ротаметра с

электрическим

преобразователем

Приборы работоспособны при температурах от — 80 до 400 °С, предпочтительны для трубопроводов диаметром до 150 мм, имеют равномерные шкалы, градуированные в единицах объемного расхода. Достоинства: возможность измерений расхода жидкостей и газов от весьма малых значений (0,002 л/ч по воде, 0,03 л/ч по воздуху) до высоких (150-200 и до 3000 м³/ч); широкий диапазон измерений (10:1); малые потери давления (до 0,015 МПа). Погрешность 0,5-2,5% от макс. расхода.

Основная приведенная погрешность ротаметров с дифференциально-трансформаторным преобразователем в комплекте с вторичным прибором составляет ±2,5 %, с пневматическим выходным сигналом ±(1,5...2,5) %.

Класс точности этих ротаметров в комплекте со вторичным прибором – 2,5.

Расходомеры переменного перепада давления. Одним из самых распространенных способов измерения расходов газов, жидкостей и паров является метод переменного перепада давления, создаваемого на сужающем устройстве, помещаемом в трубопровод. Принцип действия расходомера показан на рисунке хх

Рис. Принцип работы расходомеров переменного перепада давления.

В соответствии с этим методом в трубопровод устанавливают сужающее устройство. При протекании измеряемой среды через отверстие сужающего устройства скорость потока увеличивается по сравнению с его скоростью до сужения. Вследствие этого давление потока на выходе из сужающего устройства уменьшается и на сужающем устройстве создается перепад давления, измеряемый диффманометром. Перепад давления DР зависит от скорости потока в сужении.

где k –коэффициент, зависящий от конструкции сужающего устройства;

r - плотность среды;

V – скорость.

Измерив перепад давления можно вычислить скорость и расход :

Q = SV=S

где S – сечение сужающего устройства.

Расходомеры такого типа применяются на трубопроводах диаметром 50...1000мм при температурах до 400°С и давлениях до 100МПа для измерения расхода различных жидкостей и газов. Погрешность измерения составляет 1.5...2.5% от максимального расхода.

Преимущества метода заключаются в простоте, надежности, отсутствие движущихся частей, высокая технологичность серийного изготовления средств измерений. Кроме того, имеется возможность получения градуировочной характеристики расчетным путем без использования дорогих метрологических установок измерения расхода.

Недостатком является небольшой диапазон измерений из-за квадратичной зависимости между расходом и перепадом давлений (3:1), значительные потери давления на гидравлическом сопротивлении и связанные с этим дополнительные затраты энергии.

Скоростные счетчикиприменяют для определения объемного количества измеряемой среды. Чувствительным элементом скоростных счетчиков является аксиальная или тангенциальная турбинка, приводимая во вращение потоком жидкости, протекающим через счетчик.

Принцип действия скоростных счетчиков основан на пропорциональности числа оборотов турбинки n в единицу времени скорости потока, омывающего турбинку:

n = kV

где k – коэффициент пропорциональности;

V – скорость потока в некотором сечении S счетчика.

Мгновенный объемный расход через счетчик равен

dQ/dt = VS=(n/k)S

расход за определенный интервал времени t₁-t₂ будет равен

Где N₁ и N₂ показания счетчика оборотов турбинки в моменты времени t₁ и t₂ соответственно.

Принцип действия скоростного расходомера с аксиальной турбинкой показана на рисунке хх

Рис Скоростной расходомер с аксиальной турбинкой

Внутри корпуса 1 размещена горизонтально вдоль направления измеряемого потока жидкости турбинка 2, выполненная в виде многозаходного винта. Информация о вращении турбинки подается на счетное устройство либо с помощью механической связи, либо с помощью датчика оборотов 3.

Счетчики с аксиальной турбинкой изготавливают с диаметром условного прохода 50…300 мм для измерения количества вещества при расходах 3…1300 м³/ч, классы точности 1,0; 1,5; 2,0, динамический диапазон измерений 25:1.

Для измерения расхода при малых скоростях течения применяют скоростные счетчики с тангенциальной турбинкой. В этих счетчиках турбинка с прямолинейными или криволинейными лопастями установлена на вертикальной оси.

Рис. 48 Схема одноструйного счетчика с

тангенциальной турбинкой

Жидкость подводится к прямому гладкому каналу на лопасти турбинки 2 через фильтр 3. Турбинка находится в корпусе 1 практически без зазора. Ось турбинки связана с внешним счетным механизмом.

Счетчики с тангенциальной турбинкой выпускаются с диаметром условного прохода 15…40 мм, верхний предел измерений по расходу 3…20 м³/ч и классы точности 2 и 3.

Существенным недостатком скоростных счетчиков является зависимость показаний от вязкости измеряемой жидкости, которая в свою очередь зависит от температуры.

Электромагнитные расходомеры. Принцип действия основан на законе электромагнитной индукции – законе Фарадея, согласно которому в проводнике, пересекающем магнитные силовые линии, индуцируется ЭДС, пропорциональная индукции и скорости движения проводника. Если использовать вместо проводника поток электропроводящей жидкости, текущей между полюсами магнита, и измерить наведенную в ней ЭДС, то можно определить скорость потока или объемный расход жидкости. Принцип работы электромагнитного расходомера приведен на рисунке тт. Между полюсами электромагнита переменного тока перпендикулярно магнитным силовым линиям располагается отрезок металлической немагнитной трубы 3. Внутренняя поверхность трубы покрыта электроизоляционным материа-

Рис. Принцип работы электромагнитного (индукционного) расходомера.

лом. В плоскости, перпендикулярной магнитным силовым линиям, диаметрально противоположно установлены электроды 1 и 2, которые подключены к измерительному прибору 4.

Под действием магнитного поля в потоке жидкости индуцируется ЭДС

где В индукция магнитного поля;

V – скорость потока;

D – диаметр трубопровода.

С учетом того, что объемный расход и площадь сечения трубопровода () перепишется

Из уравнения (153) следует, что при B = const измеряемая ЭДС линейно зависит от объемного расхода жидкости и может служить мерой расхода.

Для избежания эффекта поляризации для создания магнитного поля чаще используются электромагниты переменного тока. Электромагнитные расходомеры возможно использовать для измерения расхода жидкостей с электропроводимостью 10^-5…10^-6 См/м (несколько ниже электропроводимости питьевой воды).

Эти расходомеры позволяют измерять расход жидкостей без измерения плотности потока; на показания расходомера не влияют взвешенные в жидкости частицы и пузырьки газов, а также параметры измеряемого потока (вязкость, давление, температура, плотность и т.п.), если они не изменяют ее электропроводности.

Расходомеры позволяют проводить измерения без потерь давления, а также на стерильных объектах. Электромагнитные расходомеры практически без инерционны, могут использоваться при измерении быстро меняющихся потоков.

Диапазон измерения 1…2500 м³/ч для трубопроводов диаметров 10…1000 мм при линейной скорости движения 0,6…10 м/с. Однако есть модификации для измерения очень малых расходов – порядка 3*10^-9 м³/с. Динамический диапазон расходомера одного типоразмера 10:1. Типовая погрешность 0.5% от измеряемой величины, благодаря чему электромагнитные расходомеры могут служить эталонными приборами.

Недостатками электромагнитных расходомеров является их непригодность для измерения расхо­да газов, а также жидкостей с электропроводностью менее 10⁻³ – 10⁻⁵ См/м - например, лёгких нефтепродуктов, спиртов и т. п.

Ультразвуковые расходомеры. Поскольку ультразвук – это механические колебания частиц среды, скорость распространения этих колебаний зависит от скорости движения среды, в которой они распространяются. На этой зависимости построен принцип работы ультразвуковых расходомеров, показаный на рисунке хх.

Время прохождения ультразвукового импульса от излучателя И1 до приемника П1 (по течению) равно

Время прохождения ультразвукового импульса от излучателя И2 до приемника П2 (против течения) равно

где L – расстояние между излучателями и приемниками;

с – скорость ультразвука;

V – скорость течения жидкости.

Разность времен прохождения ультразвуковых импульсов равна

Из () с учетом того, что расход , следует

Т.е. расход прямо пропорционален интервалу времени Dt.

На практике ультразвуковые расходомеры размещают в прямом отрезке трубы так, как показано на рисунке хх

При этом расход вычисляется по формуле

Ультразвуковые расходомеры применяют для измерения расхода в трубах диаметром 10 мм и больше 2 м.

Достоинства ультразвуковых расходомеров

• значительный динамический диапазон, достигающий 25—75;

• высокой точности измерения, составляющей ±(1;2) %;Погрешность измерения ультразвуковых расходомеров находится пределах от 0,1 до 2,5 %.

• возможности измерения расхода неэлектропроводных сред (нефтепродукты), загрязненных сред, суспензий;

• широкий диапазон диаметров трубопроводов от 10 мм и выше без ограничений;

• малая инерционности;

• отсутствие потери давления;

• широкий диапазон температур (от -220 до 600 °С) и давлений.

К недостаткам этого метода измерения расхода следует отнести:

• необходимость значительных длин линейных участков до и после преобразователя;

• влияние на показания пузырьков воздуха в потоке;

• необходимость контроля отложений в трубопроводе на его рабочем участке;

• сложность и высокая стоимость приборов, которая при прочих равных условиях в 3—4 раза превышает стоимость тахометрических и электромагнитных расходомеров;

• ограничения по минимальной скорости потока.

(1)

(2)

(3)

(3) Временное

(4)

Q=SV (1)

Q=V/S (2)

Q=S/V (3)

Вихревые расходомеры используют эффект Кармана, который заключается в том, что после тела, помещенного в поток жидкости, образуются вихри, частота образования которых прямо пропорциональна скорости этой жидкости.

f = St (v/d)

где f – частота образования вихрей Кармана;

St – число Струхаля;

v – скорость потока среды;

d- ширина тела обтекания.

Число Струхаля – эмпирическая величина, зависящая от геометрии тела обтекания и свойств среды.

Упорядоченное образование вихрей начинается только при определенной скорости, которая соответствует определенному числом Рейнольдса, т.е. когда течение становится турбулентным. Благодаря тому, что в определенном диапазоне чисел Рейнольдса число Струхаля практически постоянно, частота вихрей становится независимой от плотности и вязкости измеряемой среды, и одинакова для всех типов сред. Минимальная скорость потока составляет 0,3…0,6 м/с, максимальная скорость для жидкостей 5…10 м/с, для газов от 30 до 80 м/с.

Принцип работы вихревого расходомера с ультразвуковым детектором частоты следования вихрей показан на рисунке хх

Рис. Принцип работы вихревого расходомера.

Расходомер состоит из проточной части и электронного блока. В корпусе проточной части расположены тело обтекания – призма трапецеидальной формы 1, пьезоизлучатели 2, пьезоприемники 3 и термодатчик 7.

Электронный блок включает в себя генератор 4, фазовый детектор 5, микроконтроллер 6.

Тело обтекания расположено на входе в проточную часть. При обтекании тела потоком жидкости за ним образуется вихревая дорожка, частота следования вихрей в которой с высокой точностью пропорциональна расходу.

За телом обтекания в корпусе проточной части расположены звуковой пьезоизлучатель 2 и пьезоприемник 3. На пьезоизлучатель 2 от генератора 4 подается переменное напряжение, которое преобразуется в ультразвуковые колебания. Пройдя через поток, эти колебания в результате взаимодействия с вихрями оказываются модулированными по фазе. В пьезоприемнике 3 ультразвуковые колебания преобразуются в электрические и поступают на фазовый детектор 5, который определяет разность фаз между сигналами пьзоприемника и опорного генератора. На выходе фазового детектора образуется напряжение, которое по частоте и амплитуде соответствует интенсивности и частоте следования вихрей, которые в силу пропорциональности скорости потока являются мерой расхода.

Для увеличения диапазона преобразователя за счет измерения малых расходов, где характеристика преобразователя не линейна и зависит от температуры измеряемой среды, в проточную часть установлен термодатчик 7. Сигнал от него автоматически водится в программу вычислений расхода в области малых значений.

Вихревые расходомеры применяются на трубопроводах диаметром 15...500мм, обеспечивая 5% всех измерений расхода жидкостей и газов.

Динамический диапазон составляет 40:1, погрешность (1...1.5%) при температурах среды -60...500°С.