В системах управления производством прецизионных полупроводниковых устройств, химическими и фармацевтическими технологическими процессами, а также при проведении биомедицинских исследований требуются миниатюрные расходомеры.
Большинство таких микродатчиков основаны на принципе переноса тепла и изготавливаются на кремниевых подложках методами микротехнологий. Почти во всех монолитных расходомерах в качестве детекторов температуры используются термопары, но их термоэлектрические коэффициенты в 10…100 раз меньше коэффициентов традиционных термопар. Поэтому результирующие выходные сигналы таких преобразователей малы, что требует интеграции дополнительных усилителей непосредственно на подложке преобразователя.
.files/image843.jpg)
Корреляционные методы измерения расхода Основаны на использовании вызываемых турбулентностью потока или особыми течениями многофазных смесей случайных возмущений, например, местных нерегулярных колебаний давления, температуры, электропроводности, оптической проницаемости потока.
Учет этих факторов позволяет улучшить характеристики приборов и расширить область применения других методов измерения расходов. Производится регистрация и обработка статистических сигналов двух последовательно установленных в потоке датчиков. В идеальном случае сигналы имеют одинаковую форму, но смещены во времени. Если задержать сигнал от первого датчика и сравнить с сигналом второго, то они совпадут. Задача ЭВМ заключается в минимизации СКО сигналов. При заданном времени опроса обоих датчиков значения сигналов заносятся в память, и вычисляется коэффициент корреляции.Затем находят интервал времени задержки сигнала, при котором коэффициент корреляции достигает максимального значения. Быстродействие устройств данного типа определяется вычислительными возможностями ЭВМ.
Потоки измеряемого вещества редко бывают однородными, так как плотность, электрическая проводимость, температура и т. д. подвержены изменению. Вычислить объемный расход потока можно имея параметры потока в двух сечениях, находящихся на некотором удалении L и, учитывая поперечное сечение потока.
.files/image844.jpg)
Рис. Схема корреляционного расходомера
В схеме корреляционного расходомера (рис. ) параметры потока фиксируются преобразователями 1 и 2 в сечениях А и Б расходомера. Сигналы в сечениях случайного характера имеют корреляционную связь. Сигнал в сечении А опережает сигнал в сечении Б на некоторое время. Вычисление этого времени происходит с помощью коррелометра (см. рис., блок 3,4,6) вычислительного устройства 5. Далее в блоке 6 происходит преобразование сигнала. Блок 6 установлено регулирующее устройство изменения Т задержки. Блок 3 умножает сигналы, а блок 4 показывает среднюю величину сигнала за определенное время.
У корреляционных расходомеров в основном два канала преобразования расхода. Разработаны также расходомеры, имеющие несколько пар каналов преобразования, смонтированных в трубопроводе последовательно. Такие расходомеры используют для измерения неустановившихся переменных расходов.
Достоинства корреляционных расходомеров:
- возможность вычисления величины расхода многофазных потоков, загрязненных сред и расплавленных металлов;
- нет потерь давления;
- нет соприкосновения с измеряемым веществом
Недостатки корреляционных расходомеров:
- относительная длительность времени измерения потока
- относительно небольшая точность измерения потока вещества (погрешность измерения расхода не менее 1,5-2%).
Корреляционные расходомеры в первую очередь используются для вычисления расхода многофазных веществ и потоков неоднородного вещества При установке таких расходомеров необходимо иметь прямой участок трубы длиной после колена должна в пределах (5-10)D.
Предельная погрешность измерения объемного расхода корреляционных расходомеров в обычно составляет ±(2-4)%. Причем для двухфазных потоков она обычно меньше, чем для однофазных. Например, при измерении расхода водопесчаной пульпы с содержанием песка от 2 до 15% по массе при размерах частиц от 150 до 2000мкм погрешность измерения не превосходила 1-2%.
В зависимости от вида и способа измерения параметров, случайные колебания которых контролируются в корреляционных расходомерах, существует много различных вариантов их технической реализации. Например, в обоих контрольных сечениях снаружи или внутри трубы устанавливается излучатель акустических колебаний частотой 0,3-1МГц. Эти колебания направлены перпендикулярно к оси трубы и воспринимаются пьезопреобразователем, находящимся на противоположной стороне трубы. Присутствие в жидкости различных неоднородностей в виде твердых частиц или газовых пузырей вызывает в результате поглощения и рассеяния ослабление акустических колебаний, поступающих на приемные преобразователи, соединенные через усилители, демодуляторы и фильтры с коррелометром. Турбулентность смещает луч, это модулирует по фазе сигнал приемника.
Разработан вариант корреляционного ультразвукового расходомера, в контрольных сечениях которого установлены лишь по одному пьезоэлементу, излучающему акустическую волну перпендикулярно к оси трубы и воспринимающему волну, отраженную от рефлектора, помещенного на противоположной стенке трубы. Неоднородности потока жидкости или газа влияют на образовавшуюся стоячую волну и изменяют акустическую нагрузку на пьезоэлемент, а следовательно, и его электрический импульс. Расходомер измерял расход воды при скоростях выше 0,4м/с в трубе диаметром 34мм и расход воздуха при скоростях до 20м/с в трубе диаметром 100мм. Его устройство проще, но погрешность измерения до ±4%.
Корреляционный ионизационный расходомер состоит из источников радиоактивного излучения, устанавливаемых с одной стороны трубы, и приемников — обычно сцинтилляционных счетчиков, располагаемых с другой стороны. Подобные расходомеры пригодны для измерения газа, содержащего твердые частицы, но применяются сравнительно редко, так как требуют мощных источников радиации, чтобы приемное устройство могло реагировать на высокочастотный измерительный сигнал. Если само измеряемое вещество радиоактивно, то устройство корреляционного расходомера упрощается благодаря отсутствию необходимости в посторонних источниках измерения.
Лазерные методы основаны на измерении времени пробега частиц в потоке определенного расстояния, ограниченного двумя лазерными лучами. Достоинство метода заключается в том, что нет подвижных частей и нет воздействия на поток.
Широкое применение нашли методы, основанные на использовании эффекта Доплера. Принцип работы устройств данного типа основан на том, что при перемещении частиц относительно неподвижной точки частота рассеиваемого ими света изменяется пропорционально скорости частиц. При малых скоростях потоков изменение цветности рассеиваемого света настолько мало, что не воспринимается спектрометром. Однако малые сдвиги частот рассеиваемого света могут точно измеряться при использовании в качестве излучателя когерентного источника света (лазера).
.files/image846.jpg)
Рис. 8.7 Лазерный метод измерения скорости потока, основанный на использовании эффекта Доплера. 1 – лазер, 2 – зеркало, 3 – фотоэлемент.
Например, в типовом устройстве доплеровский эффект для красного излучения гелий-неонового лазера составляет ~ 1 МГц при скорости потока 1 м/с. Данный метод позволяет бесконтактно контролировать скорости потоков жидкостей и газов в диапазоне от 0,01мм/с до 1000м/с. Метод применим при достаточной прозрачности среды и незначительном содержании в ней частиц, отражающих излучение. Так как эффект Доплера зависит от направления измерения, то тремя, осуществляемыми в различных направлениях измерениями могут быть определены три составляющие вектора скорости. Точечная фокусировка лазерного излучения обеспечивает высокое пространственное разрешение метода.
Меточные методы измерения расхода с использованием химических и радиоизотопных меток предусматривают введение в поток контрольного вещества и определения времени прохождения определенного участка пути или изменение его концентрации в среде.
Метод солевых растворовоснован на импульсном введении в среду порций солевого раствора малой концентрации. Две пары электродов, находящихся на различных расстояниях по потоку измеряют проводимость раствора и время прохождения.
Меточные методы используются для измерения скоростей движения сред в пределах от 0, 01 до 1000м/с. Для этого вводят в поток среды инородные тела, безинерционно перемещающиеся с потоком, с применением лазерного анемометра. При этом излучение, рассеиваемое содержащимися в потоке частицами, обрабатывается доплеровским радарным методом.
