ФІО = 7.2

 Запитання:2. Яким чином можна вимірювати потік рідини? Чи буде це корисним для виконаної в цій роботі задачі?
Датчики потоку застосовуються для контролю потоків рідин і газів в різних галузях промисловості. Саме поняття потоку може бути визначене по-різному, наприклад масовий потік або об'ємний, ламінарний або турбулентний. Зазвичай хочуть з'ясувати кількість речовини в потоці і, якщо рідина має постійну щільність, то зазвичай вимірюється об'ємний потік, оскільки його легше виміряти. Розглянемо найбільш використовувані технології і пристрої для виміру потоку рідин і газів.
1. Калориметричні датчики потоку.
Калориметричні датчики потоку працюють за принципом виміру перенесення тепла потоком рідини від нагрівача до температурного датчика. Перенесене тепло пропорційно швидкості потоку. Такі датчики зазвичай мають другий температурний датчик для компенсації змін температури рідини. Калориметричні датчики потоку краще працюють при малих швидкостях потоку рідини або газу близько 30 - 3000 см/сек(для газів), замінюючи датчики, працюючі на принципі перепаду тиску.
Особливістю калориметричних датчиків виміру тиску є компактне виконання, що дозволяє проводити вимір в найменших діаметрах трубопроводах, відсутність рухливих частин і великий динамічний діапазон. До основних недоліків можна віднести залежність свідчень від різких стрибків температури вимірюваної рідини і у разі різких змін властивостей рідини - наприклад зміні щільності або теплопровідності.
2. Витратоміри диференціального тиску.
Витратоміри, працюючі на принципі виміру диференціального тиску найбільш застосовні для виміру витрати рідин. Принцип з роботи грунтований на тому, що падіння тиску в потоці рідини на вимірюваній ділянці пропорційно квадрату швидкості потоку рідини. Тим самим, вимірюючи диференціальний тиск в потоці рідини і обчислюючи квадратний корінь, набуваємо значення витрати. Ці пристрої, як і багато витратомірів, складаються з двох частин.
Перша частина змінює кінетичну енергію рідини, створюючи диференціальний тиск в трубі. Ця деталь, як правило, вставляється в трубопровід, в якому вимірюється потік рідини, так само вона повинна забезпечувати необхідну точність в усьому діапазоні вимірів. Друга частина витратоміру вимірює диференціальний тиск і конвертує отриманий сигнал в значення витрати рідини.
Для виміру потоку повітря або газу методом диференціального тиску використовуються трубки Пито, а так само інші трубки, сітки і грати. Чутливі елементи об'єднані з датчиків диференціального тиску і видають сигнал, пропорційний квадрату швидкості потоку газу або повітря. Трубка Пито складається з двох трубок, які вимірюють тиск в різних частинах трубопроводу. Одна трубка, те, що вимірює статичний тиск розташовується зазвичай в стінці трубопроводу.
Інша трубка вимірює набігаючий тиск(статичний тиск, плюс тиск набігаючого потоку повітря). Чим більше швидкості потоку повітря, тим більше набігаючий тиск.
Для виміру потоку рідин у витратомірах диференціального тиску використовуються різні сітки, звуження отворів, вставки. Вставка, що звужує отвір трубопроводу, найбільш простий і дешевий пристрій для виміру диференціального тиску. Такий звужуючий отвір створює перешкоду потоку рідини і в результаті виходить різниця тисків до і після звужуючого отвору. Трубка Вентури має великі розміри і більш високу вартість, серед інших облаштувань створення диференціального тиску.
Трубка Вентури поступово звужує діаметр трубопроводу і тиск вимірюється в різних точках - зазвичай на початку звуження і в найвужчій частині. Далі діаметр трубки Вентури розширюється до початкового, тим самим відновлюючи початковий тиск в трубопроводі. Трубки Вентури зазвичай використовуються в трубопроводах великих діаметрів, завдяки низькому падінню тиску і більш високої точності свідчень.
Основним недоліком витратомірів диференціального тиску є порівняно вузький динамічний діапазон вимірів.
3. Вихрові витратоміри.
Вихрові витратоміри працюють на принципі, відкритим ученим фон Кишенею: коли потік рідини обтікає перешкода - тіло обтікання, то в потоці, що відходить, по краях цього тіла виникають завихорення рідини. Частота цих завихорень пропорційна швидкості рідини. Вихрові витратоміри найбільш проявляють себе на швидкостях потоку 2 - 40 м/сек., проте вимірювати витрату в'язких рідин ними не рекомендується.
4. Ультразвукові витратоміри.
Ультразвукові витратоміри працюють принципу часу проходження сигналу. Принцип виміру грунтований на тому, що звуковий імпульс, що йде в тому, же напрямі, що і потік рідини, має загальну швидкість поширення рівну швидкості звуку плюс швидкість течії рідини. А звуковий імпульс, що йде в напрямі, протилежному до швидкості течії, матиме швидкість, меншу на значення швидкості потоку рідини.
За допомогою ультразвукових датчиків вимірюється час проходження акустичних сигналів, які рухаються в напрямі і проти потоку. Різниця в часі проходження пропорційна середній швидкості потоку і перетвориться у вихідний сигнал і свідчення волюметрического і сумарної витрати. Вимірювальні промені витратоміру утворюють тривимірний профіль розподілу швидкостей руху середовища або профіль потоку середовища, яке проходить по вимірювальній трубі.
Ці лінії виміру розташовуються так, щоб максимально понизити дію профілю потоку(ламинарного або турбулентного). У комбінації з використанням новітніх технологій цифрової обробки сигналу це дає стабільні і надійні виміри витрати.
5. Масові витратоміри.
Багато хімічних реакцій вимагають точнішого виміру витрати речовини. Це привело до розробки масових витратомірів. Існує велика кількість моделей, але найбільш поширені Кориолисовые витратоміри Принцип яких грунтований на існуванні Коріолісової сили. Кориолисовые витратоміри вимірюють безпосередньо масову витрату, тоді як інші витратоміри вимірюють в основному об'ємну витрату речовини.
Оскільки маса речовини незмінна, то в таких витратомірах немає необхідності його підстроювання залежно від зміни властивостей вимірюваної речовини. Більше того, кориолисовый витратомір не вимагає підстроювання при зміні температури або тиску. Ці витратоміри застосовуються для виміру витрати рідин, в'язкість яких міняється залежно від температури і тиску.
Сили Коріоліса проявляються в коливальних системах, коли рідина або газ переміщається у напрямі осі коливань. Вимірювальна система Коріоліса має симетричну форму і складається з однієї або двох вимірювальних трубок прямої або викривленої форми. За допомогою електромагніту вимірювальна труба наводиться в коливання на резонансній частоті. Коли швидкість потоку дорівнює нулю, сила Коріоліса також дорівнює нулю.
За наявності у вимірювальній трубці потоку, частки рідини в продукті прискорюються на одному відрізку труби і сповільнюються на іншому. Сила Коріоліса створюється прискорюваними і уповільнюваними частками рідини. Ця сила викликає дуже незначну деформацію вимірювальної трубки, яка накладається на основну складову і прямо пропорційна масовій витраті. Ця деформація уловлюється за допомогою спеціальних датчиків.
Оскільки характеристики коливань вимірювальної труби залежать від температури, температура вимірюється постійно, відповідно вимірювана величина піддається корекції. Такі витратоміри мають дуже широкий спектр застосувань, починаючи від виміру агресивних рідин і рідкого азоту.
6. Електромагнітні витратоміри.
Принцип дії електромагнітних витратомірів грунтований на використанні закону електромагнітної індукції Фарадея, який свідчить, що в провіднику, що рухається в магнітному полі, виникає електрична напруга. Рідина є провідником, а магнітне поле створюється котушками розташованими навколо труби. Виникаюча напруга пропорційно швидкості потоку. Електроди, вмонтовані в стінки трубопроводу, вимірюють напругу, що вийшла.
Електромагнітні витратоміри можуть вимірювати витрату рідин, що тільки проводять електричний струм, і застосовуються там, де потрібні точні виміри і мінімальне обслуговування.


 
Датчики потока и расходомеры применяются для контроля потоков жидкостей и газов в различных отраслях промышленности. Само понятие потока может быть определено по-разному, например массовый поток или объемный, ламинарный или турбулентный. Обычно хотят выяснить количество вещества в потоке и, если жидкость имеет постоянную плотность, то обычно измеряется объемный поток, поскольку его легче измерить. Многие технологии измерения успешно справляются с измерением потоков газов и жидкостей, однако другие специфичны к тому, что измеряют. 
Расход обычно вычисляют, измеряя во-первых скорость течения жидкости в трубе и умножая ее на известную площадь сечения трубы в точке измерения. Эта статья дает пример наиболее используемых технологий и устройств для измерения потока жидкостей и газов.
1. Калориметрические датчики потока.
Калориметрические датчики потока работают по принципу измерения переноса тепла потоком жидкости от нагревателя к температурному датчику. Перенесенное тепло пропорционально скорости потока. Такие датчики обычно имеют второй температурный датчик для компенсации изменений температуры жидкости. Калориметрические датчики потока лучше работают при малых скоростях потока жидкости или газа порядка 30 – 3000 см/сек (для газов), заменяя датчики, работающие на принципе перепада давления. Достоинством калориметрических датчиков измерения давления является компактное исполнение, позволяющее проводить измерение в самых малых диаметрах трубопроводах, отсутствие подвижных частей и большой динамический диапазон. К основным недостаткам можно отнести зависимость показаний от резких скачков температуры измеряемой жидкости и в случае резких изменений свойств жидкости – например изменению плотности или теплопроводности.
2. Расходомеры дифференциального давления.
Расходомеры, работающие на принципе измерения дифференциального давления наиболее применимы для измерения расхода жидкостей. Принцип из работы основан на том, что падение давления в потоке жидкости на измеряемом участке пропорционально квадрату скорости потока жидкости. Тем самым, измеряя дифференциальное давление в потоке жидкости и вычисляя квадратный корень, получаем значение расхода. Эти устройства, как и многие расходомеры, состоят из двух частей. Первая часть изменяет кинетическую энергию жидкости, создавая дифференциальное давление в трубе. Эта деталь, как правило, вставляется в трубопровод, в котором измеряется поток жидкости, так же она должна обеспечивать необходимую точность во всем диапазоне измерений. Вторая часть расходомера измеряет дифференциальное давление и конвертирует полученный сигнал в значение расхода жидкости.
Для измерения потока воздуха или газа методом дифференциального давления используются трубки Пито, а так же другие трубки, сетки и решетки. Чувствительные элементы объединены с датчиков дифференциального давления и выдают сигнал, пропорциональный квадрату скорости потока газа или воздуха. Трубка Пито состоит из двух трубок, которые измеряют давление в разных частях трубопровода. Одна трубка, измеряющее статическое давление располагается обычно в стенке трубопровода. Другая трубка измеряет набегающее давление (статическое давление, плюс давление набегающего потока воздуха). Чем больше скорость потока воздуха, тем больше набегающее давление. 
Для измерения потока жидкостей в расходомерах дифференциального давления используются различные сетки, сужения отверстий, вставки. Вставка, сужающая отверстие трубопровода, наиболее простое и дешевое устройство для измерения дифференциального давления.  Такое сужающее отверстие создает препятствие потоку жидкости и в результате получается разность давлений до и после сужающего отверстия. Трубка Вентури имеет большие размеры и более высокую стоимость, среди других устройств создания дифференциального давления. Трубка Вентури постепенно сужает диаметр трубопровода и давление измеряется в разных точках – обычно в начале сужения и в самой узкой части. Далее диаметр трубки Вентури расширяется до исходного, тем самым восстанавливая исходное давление в трубопроводе. Трубки Вентури обычно используются в трубопроводах больших диаметров, благодаря низкому падению давления и более высокой точности показаний.
Основным недостатком расходомеров дифференциального давления является сравнительно узкий динамический диапазон измерений.
3. Вихревые расходомеры.
Вихревые расходомеры работают на принципе, открытым ученым фон Карманом: когда поток жидкости обтекает препятствие – тело обтекания, то в отходящем потоке по краям этого тела возникают завихрения жидкости. Частота этих завихрений пропорциональна скорости жидкости. Вихревые расходомеры наиболее проявляют себя на скоростях потока 2 – 40 м/сек., однако измерять расход вязких жидкостей ими не рекомендуется.
4. Ультразвуковые расходомеры.
Ультразвуковые расходомеры работают принципу времени прохождения сигнала. Принцип измерения основан на том, что звуковой импульс, идущий в том, же направлении, что и поток жидкости, имеет общую скорость распространения равную скорости звука плюс скорость течения жидкости. А звуковой импульс, идущий в направлении, противоположном скорости течения, будет иметь скорость, меньшую на значение скорости потока жидкости. При помощи ультразвуковых датчиков измеряется время прохождения акустических сигналов, которые движутся в направлении и против потока. Разница во времени прохождения пропорциональна средней скорости потока и преобразуется в выходной сигнал и показания волюметрического и суммарного расхода. Измерительные лучи расходомера образуют трехмерный профиль распределения скоростей движения среды или профиль потока среды, которая проходит по измерительной трубе. Эти линии измерения располагаются таким образом, чтобы максимально снизить воздействие профиля потока (ламинарного или турбулентного). В комбинации с использованием новейших технологий цифровой обработки сигнала это дает стабильные и надежные измерения расхода.
5. Массовые расходомеры.
Многие химические реакции требуют более точного измерения расхода вещества. Это привело к разработке массовых расходомеров. Существует большое количество моделей, но наиболее распространены Кориолисовые расходомеры Принцип которых основан на существовании Кориолисовой силы. Кориолисовые расходомеры измеряют непосредственно массовый расход, в то время как другие расходомеры измеряют в основном объемный расход вещества. Так как масса вещества неизменна, то в таких расходомерах нет необходимости его подстройки в зависимости от изменения свойств измеряемого вещества. Более того, кориолисовый расходомер не требует подстройки при изменении температуры или давления. Эти расходомеры применяются для измерения расхода жидкостей, вязкость которых меняется в зависимости от температуры и давления. 
Силы Кориолиса проявляются в колебательных системах, когда жидкость или газ перемещается в направлении оси колебаний. Измерительная система Кориолиса имеет симметричную форму и состоит из одной или двух измерительных трубок прямой или искривленной формы. С помощью электромагнита измерительная труба приводится в колебание на резонансной частоте. Когда скорость потока равна нулю, сила Кориолиса также равняется нулю. При наличии в измерительной трубке потока, частицы жидкости в продукте ускоряются на одном отрезке трубы и замедляются на другом. Сила Кориолиса создается ускоряемыми и замедляемыми частицами жидкости. Эта сила вызывает очень незначительную деформацию измерительной трубки, которая накладывается на основную составляющую и прямо пропорциональна массовому расходу. Эта деформация улавливается при помощи специальных датчиков. Так как характеристики колебаний измерительной трубы зависят от температуры, температура измеряется постоянно, соответственно измеряемая величина подвергается коррекции. Такие расходомеры имеют очень широкий спектр применений, начиная от измерения агрессивных жидкостей и жидкого азота.
6. Электромагнитные расходомеры.
Принцип действия электромагнитных расходомеров основан на использовании закона электромагнитной индукции Фарадея, который гласит, что в движущемся в магнитном поле проводнике возникает электрическое напряжение. Жидкость является проводником, а магнитное поле создается катушками расположенными вокруг трубы. Возникающее напряжение пропорционально скорости потока. Электроды, вмонтированные в стенки трубопровода, измеряют получившееся напряжение. Электромагнитные расходомеры могут измерять расход только проводящих электрический ток жидкостей и применяются там, где необходимы точные измерения и минимальное обслуживание.



====================================