Датчики и приборы для измерения расхода и состава среды.

Какой способ измерения расхо­да жидкости получил наибольшее распространение на судах?

Наиболее широкое распространение в судовой энергетике получил способ измерения расхода жидких и газообразных сред, основанный на измерении падения давления в трубопроводе, по которому проходит измеряемая среда.

Схема изменения давления Лр при прохождении вещества через диафрагму (сужение) показана на рис. 9, где I, II — сечение трубопровода до и после диафрагмы; D, d — диаметры трубы и отверстия диафрагмы соответственно. Неизбежные и невозвратимые потери давления. Др. обусловлены трением.

Для сужения потока в основном применяют нормальные диафрагмы, а также нормальные сопла, сопла и трубы Вен тури. Последние называют расходомерной трубой или соплом с конусом. На практике в основном применяют нормальные диафрагмы.

Что представляет собой нормальная диафрагма?

Нормальная диафрагма — это тонкий обычно стальной диск с концентрическим отверстием оп­ределенного профиля. Толщина диска не должна превышать 0,Ю (где D — внутренний диаметр тру­бопровода), толщина диафрагмы . 6—8 мм. Отверстие диафрагмы со стороны входа потока должно быть цилиндрическое на длине не бо­лее 0.02D, но не менее 1 мм, а далее расточено под углом не менее 30° (обычно угол рас­точки составляет 45°). Если тол­щина диафрагмы меньше 0.02D и она предназначена для трубопро­водов большого диаметра, коничес­кую расточку можно не делать.

Диафрагму устанавливают в^/ большинстве случаев между двумя фланцами трубопровода. Очень важно, чтобы угол между торцо­вой поверхностью со стороны вхо­да потока и цилиндрической частью отверстия был прямой. Кромка от­верстия должна быть острой, без заусенцев. Давление следует изме­рять непосредственно перед диаф­рагмой в сечении I и после нее в сечении II (см. рис. 9). Ши­рина отверстия для отбора дав­ления не должна превышать 0,03 D и быть менее 3 мм.

Чтобы не нарушать равномер­ного распространения скорости по сечению, устанавливают кольцевые камеры. Камерные диафрагмы предназначены для трубопроводов диаметром 50—400 мм, давление в которых не превышает 10 МПа.

Почему вместо нормальной диафрагмы иногда применяют нормальное сопло?

При прохождении потока через диафрагму вытекают потери давления из-за завихрений среды, образующихся до и после диафрагмы. Эти потери бывают меньше, если использовать нормальное сопло, так как профиль его соответствует очертанию струи. Поэтому до сопла завихрений не образуется. Отбор среды для определения давления можно осуществлять как через отверстия, так и с помощью кольцевых камер. Недостаток сопла — его большая длина и связанные с этим трудности монтажа.

Почему применяют сопла или трубы Вен Тури?

Сопла или трубы Вен Тури, применяют в том случае, если необходимо значительно уменьшить потери давления в трубопроводах диаметром 100—800 мм. Канал трубы Вен Тури состоит из входного и выходного конусов и цилиндрической части. Входной профиль сопла Вен Тури такой же, как и у нормального сопла, а выходной выполняется в виде конуса с углом 5— 30°. Давление измеряют перед входом в сопло в наиболее узкой (цилиндрической) ее части с помощью кольцевых камер. Нормальная труба Вен Тури имеет угол входного конуса 21°.

Места измерений давлений: на расстоянии 0/2 до начала входного конуса и в цилиндрической части за входным конусом. Для измерения давления среду отбира­ют по кольцу через шесть отверс­тий диаметром около 4 мм.

Какие условия необходимо соблюдать при измерении перепада давлений?

При измерении расхода жидкости или газа можно определять перепад давлений на дросселирующем устройстве, установленном в трубопроводе. При этом необходимо выполнение следующих условий:

· течение должно быть стационарным или квазистационарным, т. е. расход может меняться медленно;

должны быть исключены ко­лебания потока;

· среда должна находиться в од­ном состоянии. Измерения вблизи точки преобразования (например, точки кипения) приводят к ошибкам;

· должна быть точно известна плотность вещества;

· должна быть приблизительно (т. е. не обязательно точно) известна вязкость вещества;

· сечение потока должно быть полностью заполненным.

Что представляют собой индуктивные датчики расхода?

Принцип работы датчика основан на законе индукции.

Если среда протекает через магнитное поле, имеющее среднюю плотность магнитного потока В со средней скоростью v, то в каждой точке поперечного сечения потока возникает напряжение электрического поля Е (рис. 10). Если в изолированной трубе расположить два электрода друг против друга, между ними возникает напряжение Ux=vBD, которое не зависит от распределения скоростей по сечению. Напряжение пропорционально расходу жидкости.

Индуктивные датчики расхода применяют только для электропроводящих жидкостей. При скорости потока 1 м/с измеряемое напряжение составляет 1 мВ. Помехи могут достигать таких же значений. В связи с этим приходится применять специальные схемы усилителей. Индуктивные датчики на практике применяют реже, чем датчики перепада давления, но они имеют следующие преимущества: их можно устанавливать в любом положении без потерь давления; результат измерений не зависит от параметров жидкости (давления, температуры и вязкости).

Что собой представляют турбинные водосчетчики?

Принцип действия турбинных водосчетчиков основан на том, что измеряемый водяной поток, проходя через счетчик, приводит во вращение турбину, частота вращения которой пропорциональна расходу воды. Турбинные счетчики типа ВТ и ВТГ состоят из двух основных частей (рис. II): измерителя 1 скорости потока и счетной головки 2. Измеритель скорости потока состоит из корпуса счетчика 3, турбинки с осью и червяком, струе выпрямителя, кронштейна и регулятора.

Регулятор предназначен для регулировки погрешности счетчика. Поворот пластины регулятора отклоняет в ту или другую сторону часть потока, что замедляет или ускоряет вращение турбинки. Счетная головка 2 состоит из редуктора и счетного механизма.

Связь между турбинкой и счетным механизмом осуществляется через червячную пару, цилиндрическую прямозубую пару и магнитную муфту. Счетный механизм состоит из стрелочного и роликового счетных указателей. Счетная головка помещается в пластмассовый кожух и закрывается откидной крышкой. Кожух крепится к корпусу счетчика при помощи специальной гайки.

Турбинные водосчетчики типа ВТ (для холодной воды) и типа ВТГ (для горячей воды) применяют на условные проходы 50, 80, 100 и 150 мм. Счетчики рассчитаны на давление воды в трубопроводе до 10 МПа.

Для чего применяют датчики влажности и как они устроены?

Содержание водяных паров в воздухе (абсолютная влажность) выражается обычно или в граммах на единицу объема, или как температура точки росы, или как парциальное давление водяных паров. Температура точки росы — это та температура, при которой количество водяных паров в воздухе соответствует состоянию насыщения. Поэтому для практических целей наиболее целесообразно указывать ее температуру, так как сразу становится известно, до какой температуры можно охлаждать воздух, не опасаясь выпадения конденсата. С повышением температуры газ может «вместить» большее количество водяных паров. Следовательно, относительная влажность газа в замкнутом объеме понижается, хотя его абсолютная влажность (точка росы) остается постоянной.

Относительная влажность показывает, сколько процентов влаги от насыщающего количества при данной температуре содержится в газе. Она равна отношению действительного парционального давления водяных паров р к парциальному давлению р' в состоянии насыщения при данной температуре: ф=р//?'.

Абсолютная влажность определяется температурой точки росы. Датчик влажности с хлористым литием (рис. 12) состоит из двух электродов 3, изготовленных из проволоки и утопленных в стеклоткань 2, пропитанную хлористым литием, который очень гигроскопичен. Поэтому ткань быстро впитывает влагу из окружающей среды. При прохождении тока электроды нагреваются и влага испаряется. Проводимость стеклоткани ухудшается, и ток уменьшается. При определенной температуре устанавливается состояние равновесия, при котором парциальное давление водяных паров в окружающей атмосфере соответствует насыщенному раствору хлористого лития. Эта температура измеряется термометром сопротивления /, установленным в датчике. Она является мерой абсолютной влажности, выраженной в виде температуры точки росы. Если одновременно измерять и температуру в помещении, можно определить и относительную влажность.

Область применения таких датчиков ограничена свойствами хлористого лития — линией насыщения паров его раствора и температурой чувствительного элемента, которая не должна превышать 130 °С. Измерения должны производиться в неподвижном или слабо перемещающемся воздухе. Если же воздух движется со скоростью более 2 м/с, датчик следует защищать экраном.

Какова схема действия датчиков солесодержания?

В качестве измеряемой величи­ны используется проводимость диссоциированной жидкости. При небольшой концентрации, как то имеет место на судах в котельных и испарительных установках, можно считать, что происходит полная диссоциация, т. е. все молекулы соли распадаются на ионы. Проводимость зависит от концентрации ионов. Для кислот, солей и оснований она различна и для смесей может быть определена только суммарно. Для сульфатов, нитратов, хлоридов, карбонатов и других солей, содержащихся в питательной воде, она при равном солесодержании изменяется лишь в небольших пределах, так что если шкала прибора тарирована, например, в миллиграммах хлористого натрия на 1 л жидкости, то такой прибор может показывать среднюю проводимость имеющегося солевого раствора. Но поскольку проводимость зависит не только от концентрации, а в значительной степени и от температуры (изменяется на 1— 2% на 1 °С), необходимо при измерениях учитывать и это влияние. Измерение проводимости используется, прежде всего, для контроля предельных значений.

Датчик состоит из двух электродов с определенным расстоянием между ними. Электроды погружены в контролируемый раствор. Влияние температуры учитывается путем одновременного измерения термометром сопротивления. Измерительная схема питается переменным током, чтобы исключить явления поляризации. Мостовая же схема питается через выпрямители. При постоянной температуре можно отказаться от использования мостовой схемы.

Как можно определить содержание углекислого газа в дымовых газах с помощью датчиков?

Для непрерывного определения содержания углекислого газа СО2 используют то обстоятельство, что теплопроводность его меньше, чем других газов — кислорода О2, азота Nz и окиси углерода СО, ко­торые входят обычно в состав продуктов сгорания топлива. Следовательно, и общая теплопроводность смеси газов зависит от содержания в ней С02.

Рассмотрим схему датчика для газового анализа (рис. 13, а). В камере / и камере 5 помещают тонкую проволоку диаметром 40 мк. Проволока натянута в камерах вертикально. Камеры 5 так же, как и камеры /, сообщаются между собой через капилляры 3. Контролируемый газ 7 и воздух 6, используемые для сравнения, поступают по каналам 2. Проволоки при прохождение тока нагреваются до 100 °С и образуют мостовую схему.

Изменение содержания СО2 в контролируемом газе приводит к изменению температуры, а значит и сопротивления проволок, омываемых контролируемым газом. Камеры измерения 1 и камеры сравнения 5 выполнены в блоке из материала с хорошей теплопроводностью. Контролируемый газ и воздух для сравнения должны иметь одинаковую относительную влажность. При выполнении этого условия нельзя допускать «соприкосновения» контролируемого газа и воздуха. Если газ содержит также и водород На, то его необходимо предварительно сжечь с катализатором, так как содержание Н2 вносит погрешность в измерения для определения содержания С02.

Это объясняется высокой теплопроводностью водорода: в 11 раз больше, чем Nz, 02 или СО. Содержание 0,09 % (по объемным частям) вызывает погрешность в определении содержания COz в 1 %. На рис. 13,6 показано содержание СО2, О2 и СО в продуктах сгорания топлива в зависимости от коэффициента избытка воздуха К. Определения содержания СО еще недостаточно для оценки качества сгорания топлива: необходимо определять также содержание окиси углерода и кислорода.

Как определять содержание СО+Н2?

Содержание СО - (Не определя­ется путем дожигания с катализатором окиси углерода вместе с возможными остатками водорода). Для этого контролируемый газ 4 (рис. 14,а) смешивают с воздухом 5 и подают в измерительную камеру 2. Полученная в этой камере теплота и является мерой содержания. Нагревательная обмотка в измерительной 2 и сравнительной / камерах образует мостовую схему.

Как определяется содержание О2?

Схема измерения (рис. 14,6) заключается в следующем. Под воздействием магнитного потока образуется поперечный поток О2, которым охлаждается резистор R\.. Причем конец резистора R1 со сто­роны входа 02 охлаждается значительнее, чем конец его обмотки, примыкающей к резистору R2. Чем больше скорость в контролируемом потоке газа, тем существеннее различие в охлаждении концов резистора R. Обмотки резисторов R1 и R2 включены в мостовую схему, в которую еще входят резисторы R3—R5. В диагональ мостовой схемы включен амперметр, шкала которого проградуирована в % О2.