Общие сведения о методах и средства измерения скоростей, расходов и количества вещества

Существующие первичные преобразователи скорости, расхода и количества вещества характеризуются многообразием базовых физико-технических эффектов и методов, лежащих в их основе. Наиболее полно эти методы представлены в классификационной схеме на рис.1. Как следует из представленной классификации, все традиционные методы предлагается разделить на две большие группы: газогидродинамические, основанные на силовом взаимодействии потока с помещенным в него телом (вспомогательным веществом, потоком, подвижным “элементом”) и скоростные (кинематические), основанные на измерении скорости потока, которая пропорциональна основному расходу потока. Газогидродинамические методы в основном являются контактными методами со свойственными им погрешностями, обусловленными силовым взаимодействием подвижного “элемента” c движущимся потоком вещества. Большая часть кинематических методов относится к бесконтактным [5].

При исследовании и контроле энергетических объектов техники в наиболее информативной является величина не объемных, а массовых расходов потоков, так тепловые, силовые и иные энергетические преобразования, происходящие в объектах исследования и контроля определяются не объемом, а количеством массы рабочих тел – носителей энергии. Объемные расходомеры могут использоваться только тогда, когда с необходимой точностью известна плотность потока в момент измерений. В противном случае необходимы специальные измерители массы газов или их смесей.

Наиболее просто осуществляется измерение массовых расходов гомогенных потоков при постоянной плотности или при ее медленном и небольшом изменении. В этих случаях измерения могут проводиться или с помощью тепловых расходомеров, или схем, состоящих из двух объемных расходомеров различающихся принципом измерения.

Для измерения в гомогенных потоках с быстрыми и значительными изменениями плотности известно значительное число методов и средств измерения, в основу действия которых положен один общий принцип возбуждения в потоке такого дополнительного движения, при котором проявляется действие массовых сил, измеряемых соответствующими преобразователями.

Наименее разработаны в настоящее время массовые расходомеры, пригодные для использования в гетерогенных потоках. Рассмотрим подробнее некоторые характерные методы и средства измерения массового расхода в соответствии с классификацией приведенной на рис.1. Основные метрологические характеристики существующих методов измерения расхода приведены в табл.1.

Таблица 1

Метод измерения	Диапазон измерения	Погрешность измерения	Измеряемый расход
Ультразвуковой	1:10…1:100	1,5-2,5%	объемный
Меточный	1:10…1:50	0,5-2,5%	объемный
Переменного перепада	1:5…1:20	2-4%	объемный массовый с коррекцией по р, t
Постоянного перепада	1:10…1:20	2-4%	объемный массовый
Ионизационный	1:100	2-5%	массовый
Вихревой	1:100	0,5-1,0%	объемный
Струйный	1:10	1-3%	объемный
Оптический	1:10	0,25-0,5%	объемный
Радиоактивный	1:10	1,5%	объемный

Массовый расход газа относится к физическим величинам, которые в большинстве случаев измеряются косвенным методом. В общем случае массовый и объемный расходы определяются в соответствии с зависимостями

(1)

(2)

и связаны между собой посредством соотношения

(3)

где – плотность вещества в сечении S,а – средняя скорость потока в том же сечении.

В современной технике достаточно широко для измерения массового расхода применяются традиционные методы измерения объемных расходов и плотности потока вещества с использованием встроенных в измерительный тракт микропроцессоров [1] и других вычислительных устройств [1]. Например, системы измерения объемного расхода (метод переменного перепада), измеряющие величину могут быть дополнены измерителем скорости . В этом случае в результате обработки сигналов измерителей (т.е. проводится деление величины на ) определяется массовая скорость , умножением которой на площадь сечения S определяется массовый расход .

Другим наиболее распространенным методом измерения массового расхода является метод, основанный на алгоритмической обработке сигналов датчика объемного расхода и датчика плотности. Измеритель объемного расхода может быть реализован на основе некоторых из представленных на рис.1 и в табл.1 методов измерения, однако в последнее время более широкое применение находят бесконтактные методы: ультразвуковой, вихревой, меточный, оптический (лазерный).

В качестве плотномеров, входящих в состав измерителей массового расхода, наиболее известно применение электроемкостных плотномеров, принцип действия которых основан на зависимости диэлектрической проницаемости от плотности вещества . Такие плотномеры могут быть использованы, как правило, для коррекции результатов измерения расхода по плотности. Достаточно широкое распространение получили плотномеры, реализованные на зависимости плотности вещества от температуры. В этом случае информативный сигнал по плотности потока заменяется на сигнал по температуре потока, кроме того, при измерении расхода газообразных веществ требуется измерять давление и коэффициент сжимаемости.

Величина объемного расхода выдоха и вдоха является важнейшей диагностической характеристикой системы дыхания. При оценке результатов измерений объемных расходов выдоха (вдоха) на этих скоростях появляются довольно большие погрешности в определении объемных расходов, превышающих 10 литров за секунду. Это делает невозможным применение методов спирометрии для оценки объемных расходов в диапазоне свыше 10 л/с. Поэтому для измерения объемных расходов в пневмотахометрии широкое применение нашли методы, заимствованные из промышленной расходометрии: метод переменного перепада, ультразвуковой метод, анемотахометрический метод, термоанемометрический метод.