Расходомеры с мишенями

Расходомеры этого типа используются при работе с турбулентными потоками. Их области применения: мониторинг окружающей среды, метеорология, гидрология, морские исследования, где требуется определение скорости потоков воздуха или воды, а также их турбулентности в зоне, расположенной рядом с поверхностью [11]. В структуру таких расходомеров всегда входит твердое тело, часто называемое ми­шенью, которое вводится в поток изучаемой среды. При этом измеряется сила, дей­ствующая на тело в потоке жидкой среды. Полученное значение преобразуется в величину скорости потока. Важным достоинством таких датчиков является возмож­ность проведения измерений расхода и скорости потока в двух, а то и в трех направ­лениях. Для проведения многомерных исследований необходимо обеспечить сим­метричность мишени во всех направлениях измерений. Уже почти в течение полу­века такие многомерные расходомеры используются в промышленности, в комму­нальной сфере, в аэрокосмических и других исследовательских лабораториях для измерения расхода однонаправленных и двунаправленных потоков жидкостей (включая криогенные), газов, паров (как насыщенных, так и перегретых).

Принцип действия таких датчиков основан на измерении механического напряжения эластично­го резинового троса, вызванного силой, приложен­ной к мишени, прикрепленной к нему (рис. 11.18). Идеальной мишенью является плоский диск [12], поскольку величина расхода не влияет на его ко­эффициент уноса. Для сферической симметрич­ной мишени коэффициент уноса зависит от ско­рости потока, поэтому при использовании такой мишени датчик необходимо калибровать и опти­мизировать для каждого конкретного случая при­менения. Измерения механического напряжения можно выполнять при помощи тензодатчиков, но при этом им надо обеспечить физическую защиту от влияния жидкой среды. Сила, действующая на мишень в потоке несжимаемой жидкости, определя­ется выражением:

(11.28)

где r — плотность жидкости, V— скорость потока в точке измерения, А — площадь проекции тела на плоскость, перпендикулярную потоку, C_D — коэффициент уно­са, являющийся безразмерным коэффициентом, величина которого зависит в основном от формы тела и его ориентации относительно направления потока. Пренебрегая массой троса, величину его деформации, вызванную действием силы на мишень, можно выразить в виде:

(11.29)

где L — длина троса, х — координата расположения тензодатчиков, Е— модуль Юнга, а и b — геометрические коэффициенты мишени. Из выражения (11.29) видно, что напряжение троса и скорость потока связаны квадратичной зависимостью.

Литература

1 В enedict, R P Fundamentals of Temperature, Pressure, and Flow Measurements, 3rd ed John Wiley &
Sons, New York, 1984

2 Kmg, LV On the convention of heat from small cylinders ma stream of fluid Phil Trans Roy Soc
A214, 373, 1914

3 Colhs, D С and Williams, M J Two-dimensional convection from heated wires at low Reynolds'
numbers 7 Fluid Mech 6, 357, 1959

4 Gessner, U The performance of the ultrasonic flowmeter in complex velocity profiles IEEE Trans
Вю-Med Eng MBE-16, 139-142, 1969

5 Cobbold, R S С Transducers/or Biomedical Measurements John Wiley & Sons, New York, 1974

6 Van Herwaarden, AW and Sarro, PM Thermal sensors based on the Seebeck effect Sensors Actuators
10,321-346, 1986

7 Wachutka, G, Lenggenhager, R , Moser, D, and Baltes, H Analytical 2D-model of CMOS
micromachined gas flow sensors In Transducers'91 International Conference on Solid-State Sensors and
Actuators Digest of Technical Papers IEEE, New York, 1991

8 Esashi, M Micro flow sensor and integrated magnetic oxygen sensor using it In

Transducers'91 International Conference on Solid-State Sensors and Actuators Digest of Technical Papers IEEE, New York, 1991

9 Cho, S T and Wise, К D A high performance microflowmeter with built-in self test In
Transducers'91 International Conference on Solid-State Sensors and Actuators Digest of Technical
Papers, IEEE, New York, 1991, pp 400^л03 10 Yoder, J Conolis Effect Mass Flowmeters

In Mechanical Variables Measurement, J Webster, ed CRC Press, Boca Raton, FL, 2000

11 Phihp-Chandy, R , Morgan,Rand Scully, PJ Drag force flowmeters In Mechanical Variables
Measurement, J Webster, ed CRC Press, Boca Raton, FL, 2000

12 Clarke T Design and operation of target flowmeters In Encyclopedia of Fluid Mechanics, Vol 1 Gulf
Publishing, Houston, TX, 1986

ГЛАВА 12

АКУСТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ

«Твои уши всегда тебе указывают правильное направление, но ты всегда должен знать, зачем тебе туда надо»

Антон Ван Вебер

В разделе 3.10 главы 3 приведены основные законы акустики. В этой главе будут рассмотрены акустические датчики, работающие в разных частотных диапазонах. Датчики, работающие в слышимом диапазоне, обычно называются микрофона­ми. Однако это название может употребляться и для детекторов ультразвуковых и инфразвуковых волн. По существу, микрофон является датчиком давления, при­способленным для преобразования звуковых волн в широком спектральном диа­пазоне, из которого обычно исключены очень низкие частоты (ниже нескольких герц). Микрофоны обычно характеризуются: чувствительностью, направленнос­тью, полосой частот, динамическим диапазоном, размерами, стоимостью и т.д Для работы в разных средах используются различные конструкции акустических дат­чиков. Например для детектирования волн в воздухе или вибраций в твердых те­лах применяются микрофоны, а для работы в жидкой среде — гидрофоны (при­ставка «гидро» произошла от греческого названия мифологической водяной змеи Гидры). Основное отличие между обычным датчиком давления и акустическим преобразователем заключается в том, что последнему не приходится измерять постоянное или очень медленно меняющееся давление. Его рабочий частотный диапазон начинается с нескольких герц (иногда с десятков миллигерц), а закан­чивается в районе нескольких мегагерц для ультразвуковых датчиков, и даже не­скольких гигагерц для устройств, реализованных на поверхностных акустических волнах (ПАВ).

Поскольку акустические волны являются механическими волнами, любой микрофон или гидрофон имеет ту же основную структуру, что и датчик давления: в его состав входит диафрагма и преобразователь перемещений, преобразующий отклонение диафрагмы в электрический сигнал. Поэтому все акустические пре­образователи отличаются только конструкцией этих двух компонентов. Хотя не­которые из них могут также включать дополнительные компоненты, такие как звукопоглотители, фокусирующие отражатели или линзы и т.д. Однако в этой главе будут рассмотрены только чувствительные элементы некоторых наиболее инте­ресных акустических датчиков.

Резистивные микрофоны

В прошлом резистивные преобразователи давления довольно широко применялись в составе микрофонов. Такие преобразователи состояли из полупроводникового по­рошка (обычно графита), объемное удельное сопротивление которого менялось в зависимости от величины приложенного давления. (В настоящее время, описывая принцип действия резистивных микрофонов, мы бы написали, что графит облада­ет пьезорезистивными свойствами.) Такие устройства обладали очень ограничен­ным динамическим диапазоном, плохими частотными характеристиками и высо­ким уровнем шума. Сейчас в некоторых микродатчиках также используется пьзо-резистивный принцип преобразования. Например, в датчиках, описанных в разде­ле 10.5 главы 10, пьезорезисторы, чувствительные к механическому напряжению, являются составной частью кремниевой диафрагмы.

Поиск по сайту: