Цифровой измеритель расхода воздуха (стр. 2 из 5)
1.5 Измерение расхода методом постоянного перепада давления
Расходомеры постоянного перепада относятся к средствам измерений, называемыми расходомерами обтекания. Они основаны на измерении вертикального перемещения чувствительного элемента, зависящего от расхода среды и приводящего одновременно к изменению площади проходного отверстия расходомера таким образом, что разность давлений на чувствительный элемент (перепад давлений) остается практически постоянной. Противодействующей силой в расходомерах этого вида является сила тяжести чувствительного элемента, выполненного в виде поплавка или поршня. К приборам постоянного перепада давления относятся ротаметры, поршневые и поплавковые расходомеры. Приборы устанавливаются в вертикальных трубопроводах с восходящим потоком измеряемой среды.
1.6 Измерение расхода путём генерирования завихрений в протекающем веществе
Любое препятствие в трубопроводе создаёт завихрения в потоке вещества, пропорциональное его объёмному расходу. В преобразователях используются два способа генерированиязавихрений: вынужденные колебания, при котором поток вещества вращается или прецессирует вдоль оси трубопровода в виде некоторой спирали, и естественные колебания, при которых стабильные структуры периодических вращающихся в разные стороны вихрей возникают в потоке за препятствием.
В расходомерах с генерированием вынужденных колебаний обычно используют пьезоэлектрические преобразователи для определения числа прецессий, проходящих через конкретную точку трубопровода. В расходомерах с естественными колебаниями вещества применяются тензометрические преобразователи силы или ультразвуковые средства для определения периодических изменений силы, происходящих при вихревом движении вещества.
1.7 Объемный метод измерения расхода
Принцип действия объемных счетчиков основан на отмеривании определенного объема проходящего через прибор вещества и суммирования результатов этих измерений. К числу таких устройств относятся мерные баки, счетчики жидкости с овальными шестернями и ротационные счетчики газа.
Мерные баки состоят из двух спаренных мерных баков и расходного бака. Измеряемая жидкость, поступающая по трубопроводу, направляется поочередно в каждый из мерных баков при помощи перекидного желоба. Счетчики с овальными шестернями применяются в широком диапазоне вязкости. Действие их основано на отмеривании (вытеснении) определенных объемов жидкости, заключенных между стенками измерительной камеры и овальными шестернями, при вращении последних под влиянием разности давлений измеряемой жидкости до и после счетчика. Для измерения количества горючих газов применяются ротационные счетчики типа РГ, принцип действия которых тот же, что и счетчиков жидкости с овальными шестернями.
1.8 Ультразвуковой метод измерения расхода
Ультразвуковые приборы можно применять не только в качестве преобразователя в расходомерах с генерированием естественных колебаний вещества, но и непосредственно для измерения расхода. Например, измеряют время, затрачиваемое на прохождение ультразвуковым импульсом через вещество, или прибегают к эффекту Доплера, при котором частота колебаний на входе приёмника ультразвукового излучения изменяется в зависимости от скорости жидкости или газа.
Одним из важнейших параметров преобразователя является линейность его характеристики, которая может влиять на точность измерения. Рекомендуется использовать преобразователи с линейной характеристикой (рис. 1.1, а), поскольку соединённые с преобразователем схемы формирования сигнала также являются линейными, следовательно, весьма дешёвыми при проектировании и изготовлении. При нелинейном преобразователе можно применить линеаризирующую схему формирования сигнала (рис. 1.1, б). Однако эта схема будет очень дорого стоить.
На основании этого принимаем решение, в качестве первичного преобразующего элемента использовать метод пропеллера, вращающегося при протекании воздуха, частота вращения которого пропорциональна расходу воздуха
Рис. 1.1 Линейные и нелинейные характеристики преобразователей:
а – линейный преобразователь; б - нелинейный преобразователь. (1 – реальная характеристика нелинейного преобразователя; 2 – линейная область выходного сигнала; 3 – линейная характеристика, которая ппроксимирует действительную реакцию преобразователя за счёт использования ограниченной части диапазона).
2 Техническое задание
2.1 Наименование объекта проектирования и область применения (ОП)
Объектом проектирования является цифровой измеритель расхода воздуха, предназначенный для контроля расхода воздуха в вентиляционной трубе САЭС.
2.2 Цель создания ОП
Создание непрерывной системы измерения расхода воздуха, лишенной недостатков других систем, простой по конструкции и имеющей первичный преобразователь с линейной зависимостью.
2.3 Назначение ОП
Измеритель расхода воздуха предназначен для дистанционного измерения текущего и среднесуточного значений расхода воздуха через вентиляционную трубу САЭС.
2.4 Характеристики ОП
Диапазоны измерений:
текущего значения расхода, м3/ч от 0,23·106 до 5·106;
среднесуточного значения расхода, м3/ч от 23·106 до 5·106;
- Основная погрешность не более:
при измерении текущего расхода, м3/ч ± (0,114·106+0,05Q),
где Q-измеряемое значение расхода;
- Питание осуществляется:
от сети переменного тока напряжением, В 220
частотой, Гц 50±1;
от источника постоянного тока напряжением (12)В;
Потребляемая мощность, не более:
от сети переменного тока 75 ВА;
от источника постоянного тока 10 Вт;
Габаритные размеры, мм, не более:
датчики скорости 720x400x695;
пульта 330x380x170;
Масса, кг, не более:
датчика скорости 6,2;
пульта 8;
Условия эксплуатации:
датчик скорости эксплуатируется:
в диапазоне температур от –50 +50єС,
относительной влажности до 98%;
Порог чувствительности датчика, м3/ч не более 0,183·10;
Момент трения датчика, Н м на оси вертушки 0,0015 (15 Г См);
Амплитуда напряжения выходных импульсов при сопротивлении нагрузки, кОм 3.
2.5 Требования к ОП
2.5.1 Требования к структуре ОП
Цифровой измеритель расхода воздуха должен полностью удовлетворять требованиям непрерывного измерения расхода воздуха через вентиляционную трубу САЭС.
2.5.2 Требования к функциям ОП
- Измерение средней по сечению трубы скорости воздуха;
- Преобразование скорости воздуха в частоту следования импульсов;
- Преобразование частоты импульсов в десятичный цифровой код расхода;
2.5.3 Требования к техническим параметрам ОП
Входными сигналами пульта должны быть последовательности импульсов, условно названные ОС и СС, частоты следования которых одинаковы. Для работы пульта достаточно наличия любой из этих последовательностей, другая является резервной.
Номинальная статистическая характеристика преобразования частоты входных импульсов в цифровой код расхода воздуха:
Q=kmf,
где Q-значение расхода воздуха;106 м3/ч;
m=0,254-коэффициент пропорциональности, м3Гц/ч;
f-частота входных импульсов, Гц;
k-отношение средней скорости потока воздуха, в данном сечении трубы к скорости в точке измерения. Регулируется от 0,5 до 1 с дискретностью 0,01. Цена деления младшего разряда трехразрядного десятичного кода-0,01·106 м3/ч.
Диапазоны преобразования:
текущего значения частоты от 0,9 до 19,7 Гц
(усреднение за 750 с) (от 0,23·106 до 5·106 м3/ч)
среднего значения частоты от 0,9 до 19,7 Гц
(усреднение за 24 ч) (от 0,23·106 до 5·106 м3/ч).
Диапазоны преобразования частоты в ток от 0,9 до 20 Гц.
Номинальная статическая характеристика преобразования частоты в ток пульта определяется по формуле: I=0,317f, где I-выходной ток пульта (мА) при сопротивлении нагрузки не более1 кОм.
Параметры входных сигналов:
уровень – минус (10±5)В;
длительность - не менее 2% периода входных сигналов при значении входного сопротивления пульта не менее 5 кОм.
Электрическое питание пульта осуществляется:
переменным однофазным током с напряжением 220 В, частотой 50 Гц; постоянным током с напряжением 12 В. Допускается одновременное подключение обоих источников (буферный режим).
Потребляемая пультом мощность при номинальном напряжении электрического питания от источника:
переменного тока – 20 ВА, постоянного тока – 7 Вт.
Основная погрешность преобразования частоты импульсов в цифровой код – не более 0,02·106 м3/ч.
Основная погрешность преобразования частоты импульсов в цифровой код при измерении среднесуточного значения расхода – не более ±0,03·106 м3/ч.
Основная погрешность преобразования частоты импульсов в ток – не более ±0,015 мА при частоте входных сигналов менее 9 Гц и ±0,01 мА при 9 Гц и более.
Дополнительная погрешность, обусловленная изменением температуры окружающей среды в диапазоне: при преобразовании частоты импульсов в ток – не более основной погрешности.
Входное сопротивление пульта – не менее 5 кОм.
2.5.4 Требования к средствам защиты от внешних воздействий
При работе прибор должен быть защищен от воздействия пыли, прямого нагрева солнечными лучами или близко расположенными источниками тепла, вблизи прибора не должно быть сильных электромагнитных полей, поэтому для обеспечения нормального функционирования необходимо использовать кожух.