CC BY
97
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ
УДК 621.12
Э. А. Артемьев Астраханский государственный технический университет
РОТАМЕТР С ЦИФРОВЫМ ВЫХОДОМ
Введение
Ротаметры относятся к группе расходометров постоянного перепада давления.
Они применяются как в научных исследованиях, так и в различных отраслях промышленности благодаря простоте конструкции, эксплуатационной надежности, устойчивости к агрессивным средам, возможности измерения расхода слабозагрязненных жидкостей с дисперсными включениями инородных частиц, высокой чувствительности, незначительной, почти постоянной, потере давления и постоянной погрешности при значительном диапазоне измерения расхода. Доля ротаметров в настоящее время составляет около 10 % всех видов приборов, измеряющих расход [1, 2]. В России выпускаются и эксплуатируются ротаметры двух видов - ротаметры для местного измерения расхода (тип РМ) и ротаметры с дистанционным измерением, оснащенные вторичными преобразователями «перемещение - электрический сигнал» (тип РЭ) и пневматическими преобразователями (тип РП).
В ротаметрах типа РЭ поплавок жестко крепится на стержне с чувствительным элементом индуктивного типа, который взаимодействует с расположенным снаружи корпуса ротаметра чувствительным элементом вторичного преобразователя «перемещение - напряжение переменного тока». Ход поплавковой системы в таких ротаметрах значительно меньше хода поплавка в ротаметрах с местной шкалой, вследствие чего они не применяются для измерения расхода по месту. В том случае, когда необходимо измерять расход дистанционно и одновременно контролировать его по месту, оба вида ротаметров встраиваются в трубопровод, что вызывает в нем дополнительную потерю напора. Из-за аналоговой формы выходного сигнала (напряжение переменного тока) и большой постоянной времени вторичного преобразователя «перемещение -электрический сигнал» ротаметры типа РЭ не применяются в современных системах автоматического управления (САУ).
В Астраханском государственном техническом университете разработаны магнитострик-ционные преобразователи линейных перемещений во временной интервал (МПП), обладающие высокими метрологическими и эксплуатационными характеристиками [3, 4]. Использование последних в конструкциях ротаметров для дистанционного измерения расхода позволило устранить недостатки известных устройств [5, 6].
Структурная схема ротаметра представлена на рис. 1. Трубка переменного сечения 1 с местной шкалой 2, поплавок 7, направляющая 3 с ограничителями хода поплавка 10, выполненная из коррозионностойкого материала, укрепленная в подводящем 5а и отводящем 5б патрубках, образуют первичный преобразователь объемного расхода Q ротаметра.
Структурная схема ротаметра
Статическая характеристика первичного преобразователя ротаметра имеет вид
Н = ме - Но, (1)
где Н - текущая координата (высота подъема поплавка); е - объемный расход среды; к1 - постоянная, зависящая от формы и размера трубки переменного сечения, объема и относительной плотности поплавка, от геометрических особенностей канала потока и от характера и режима течения потока в зоне поплавка; Н0 - постоянная, назначаемая при конструировании ротаметра.
Ферромагнитный волновод 4, один конец которого помещен в демпфер 11, а другой 6 жестко защемлен в отводящем патрубке 5б, поплавок 7 с постоянным магнитом 8, элемент считывания 9 и электронная схема 18 МПП образуют вторичный преобразователь ротаметра «перемещение - электрический сигнал». Ферромагнитный волновод, выполненный из материала с высокой магнитострикцией, размещен внутри немагнитной направляющей 3, электрически изолирован от нее и подвергается растяжению под воздействием груза 12. Длина ферромагнитного волновода равна Ь, а максимальная высота подъема поплавка равна Нт.
Электронная схема 18 ротаметра содержит генератор импульсов тока возбуждения 13, элемент запаздывания 14, электронный ключ 15, усилитель-формирователь сигналов считывания 16 и формирователь временного интервала 17.
Ротаметр работает следующим образом [6, 7].
В исходном состоянии формирователь временного интервала 17 устанавливается в состояние «0» (на схеме цепь установки не показана), при этом вход усилителя-формирователя импульсов считывания 16 закорочен через электронный ключ 14 на землю.
По команде «ЗАПУСК» на выходе генератора импульсов 13 формируется импульс тока
возбуждения 1в длительностью тв. Этот импульс, во-первых, возбуждает в ферромагнитном вол-
новоде 4 под постоянным магнитом 8, вследствие прямого эффекта Видемана, упругую волну механической деформации (крутильную волну), которая распространяется вверх и вниз от места возникновения со скоростью
С = (С/р)0,5, (2)
и, во-вторых, запускает элемент запаздывания 14, временное запаздывание которого равно:
Тз = (Нт + 2Н + Но)/Ск, (3)
где О и р - соответственно модуль сдвига и плотность материала ферромагнитного волновода; Нт - максимальная высота подъема поплавка; Н0 и к - постоянные, назначаемые при конструировании ротаметра.
Распространяясь вниз от места возникновения, крутильная волна достигает элемента считывания 9 и на выходе его возникает ЭДС (обратный эффект Видемана).
Распространяясь далее вниз, крутильная волна достигает демпфера 11, где затухает. За время тв + ту + тп крутильная волна пройдет по ферромагнитному волноводу 4 вниз от места возбуждения расстояние
Нм.з (тв + Ту + тп) Ск. (4)
Расстояние Нмз определяет «мертвую зону» МПП, которая при длительности импульса возбуждения ти < 5 мкс составляет от 60 до 120 мм.
Крутильная волна, которая распространяется вверх по ферромагнитному волноводу от места возбуждения, доходит до защемленного конца 6, отражается от него и через промежуток времени
tз = {[2(Нт + к) + Н0] - Н}/Ск (5)
достигнет элемента считывания 9, наведет в последнем ЭДС считывания е9 и затем, распространяясь далее, дойдет до демпфера 11 и поглотится им.
Одновременно с этим через промежуток времени Тз на выходе элемента считывания 14 появляется импульс напряжения, который переводит формирователь временного интервала 17 в состояние «1», в результате чего срабатывает ключ 15 и усилитель-формирователь импульсов считывания 16 подключается к элементу считывания 9.
ЭДС считывания, возникшая на выходе элемента 9 в момент времени (з, после усиления и формирования в усилителе-формирователе импульсов считывания 16 в виде импульса напряжения поступает на вход формирователя временного интервала 17 и переводит его в состояние «0» - на выходе последнего будет сформирован импульс напряжения, длительность которого (временной интервал)
Д = (3 - Тз = [(Нт - Н0) - Н]/Ск (6)
пропорциональна высоте подъема поплавка Н.
С учетом (1) статическая характеристика электрического ротаметра будет иметь вид
Д( = а - ЬН, (7)
где
а = Нт/Ск и Ь = К1/Ск (8)
постоянные, определяемые конструкцией ротаметра.
Одновременно с возбуждением крутильной волны в ферромагнитном волноводе в цепи «элемент считывания 9 - ключ 14 - усилитель-формирователь импульсов считывания 16» возникает переходный колебательный процесс, длительность Тп, которого определяется длительностью Тв импульса тока возбуждения и параметрами элемента возбуждения 9 и входной цепи усилителя-формирователя импульсов считывания 16. Амплитуда переходного процесса такова, что усилитель-формирователь импульсов считывания 16 насыщается, вследствие чего после окончания переходного процесса усилитель-формирователь импульсов считывания 16 будет находиться еще некоторое время Ту в насыщенном состоянии.
Если элемент возбуждения - постоянный магнит 8 находится от элемента считывания 9 на расстоянии меньшем, чем Нмз, то измерение времени в промежутке 0 ^ (тв + ту + тп) не представляется возможным. Это ограничивает динамический диапазон измерения расхода. Поэтому использование в качестве информационного сигнала ЭДС считывания, наводимой в элементе считывания 9 от отраженной волны, т. е. через интервал времени (3 позволяет использовать всю высоту хода поплавка.
Так как модуль сдвига О и плотность материала р ферромагнитного волновода 4 изменяются при изменении температуры 0 среды, то и скорость крутильной волны Ск в нем будет зави-
сеть от температуры потока, т. е. ротаметр будет чувствителен к изменению температуры. Если в качестве материала ферромагнитного волновода 4 выбрать такой, для которого температурные коэффициенты модуля сдвига aG и линейного расширения aL связаны соотношением
aG ~ 3aL, (9)
то скорость крутильной волны в нем
Ск = (G/p)0 5 = [Go(1 - OgA0)/p(1 - 3aLA0)]0 5 « Go/po, (10)
что обеспечивает низкую чувствительность ротаметра к изменению температуры среды.
Здесь G0 - модуль сдвига материала ферромагнитного волновода при температуре 0О (обычно 00 = 20 °С); р0 - плотность материала ферромагнитного волновода;
А0 = 0 - 00. (11)
Условию (10) в значительной степени удовлетворяют прецизионные ферромагнитные сплавы (элинвары), например 42НХТЮ и 44НХМТ, применяемые в качестве волноводов МПП [4].
Выводы
Описываемый ротаметр обладает следующими достоинствами:
1. Ротаметр можно использовать одновременно для контроля расхода как по месту, так и для дистанционного измерения: при этом исключается дополнительная потеря напора в трубопроводе.
2. Выходной величиной ротаметра является временной интервал, который простыми и дешевыми средствами (аналогово-цифровой пребразователь «время - код») преобразуется в цифровой код, что, во-первых, повышает помехоустойчивость системы при дистанционной передаче показаний; во-вторых, обеспечивает простоту согласования ротаметра с современными микропроцессорными САУ и, наконец, при оснащении схемы цифровым сумматором позволяет, наряду с измерением расхода, определять объем среды, прошедший через ротаметр за измеряемый интервал времени.
3. Наличие неподвижной направляющей позволяет использовать в ротаметре поплавки с отрицательной остойчивостью (тарельчатого или дискового типа) [1, 2], обеспечивающие ротаметру низкую чувствительность к изменению плотности и вязкости среды, расход которой измеряется.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Балдин А. А., БошнякЛ. Л., СоловскийВ. М. Ротаметры. - Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1983. - 200 с.
2. Кремлевский П. П. Расходометры и счетчики количества: Справ. - 4-е изд., перераб. и доп. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1989. - 701 с.
3. Артемьев Э. А. Магнитострикционные преобразователи перемещений: классификация, принципы построения // Датчики и системы. - 2002. - № 5. - С. 3-10.
4. Надеев А. И. Магнитострикционные интеллектуальные преобразователи параметров движения: Моногр. / Астрахан. гос. техн. ун-т. - Астрахань, АГТУ, 1999. - 155 с. - Деп. в ВИНИТИ 22.07.99 № 2385-В99.
5. Пат. № 2265806 RU , С2 G 01 F 1/24, 23/38. Ротаметр / Артемьев Э. А. (RU), Ванигасурия Саджит Ранга Перера (SL), Баев П. В. (RU), Черепанов М. В. (RU); Заяв. 31.05.2001; Опубл. 10.20.2005, Бюл. № 34.
6. Пат. № 2290608 RU C1 G01F 1/24, G01F 23/38.: Заяв. 17.06.2005; Ротаметр / Артемьев Э. А., Опубл. 27.12.2006, Бюл. № 36.
7. Пат. № 2227896 RUС2 7 G 01 B 7/14, 17/100. Способ преобразования перемещений во временной интервал / Артемьев Э. А., Фомин А. Ю.; Заяв. 23.02.2000; Опубл. 27.04.2004, Бюл. № 12.
Получено 15.11.2006
DIGITAL OUTPUT ROTAMETER
E. A. Artemiev
The design of a rotameter with magnetostrictive transducer of shifts with time interval is considered, it enables the use of a float with negative stability and provides along with local counting the distant transmission of readings.
