пульсирующи-м постоянным токо.м. Э.д.с, индуцируемая в жидкости, и.змеряется .1вумя изолиропанны.ми .электродами; она пропорциональна расходу. Можно нока-шъ, что э.д.с. между противоположны.ми точка.ми трубы .мало зависит от распределения скоростей по сечению трубы (профиля скорости). Поскольку принято, что сечение трубы постоянно, то выходное напряжение пропорционально расходу.

Следуюпшй способ и.з.мерения расхода жидкости в трубе основан на эффекте фон Кармана (von Кагтйп). Если тело определенной фор.мы помещено в поток жидкости, то в кильватерной струе возникает турбулентность, порождающая области с переменным давлением, которые можно обнаружить датчиками. Частота порождения вихрей прямо нронорционапша скорости жидкости. И,з-за весь.ма сложной зависимости -между расходом и скачками давления и влияния других факторов (например, температуры) вихревые расходо.меры требуют специальных .электронных устройств обработки, которые обычно монтируются в.месте с датчико.м.

За исключением .магнитных методов из.мерения расхода все другие способы основаны па наблюдении каких-либо гидродина.мических характеристик потока. Точность измерений для ла.минарных потоков выше, чем для турбу.лептных. Для исключения влияния различных .элементов гидравлического тракта (насосов, из-I нбов и соединений труб и т. д.) во всех случаях требуется, чтобы до и после датчика были сглаживающие прямолинейные участки трубопровода длиной, равной по крайней мере 10-кратно.му диаметру, - они не должны содержать каких-либо ВН0СЯПП1Х возмупюния .элементов (клапанов, сужений и т. п.). Такие участки трубопровода необходимы для придания потоку ла.минарного характера и для гашения турбулентности.

Измерение массового расхода

Во многих случаях в.место объемного расхода или скорости жидкости необходимо знать массовый расход. Если известна плотность несжимаемой жидкости, то массовый расход рассчитывается непосредственно по объс.мно.му с учето.м, если необходимо, температуры, давления и вязкости. Патрактике, однако, плотность часто неизвестна.

Многие попытки определить .массовый расход на основе измерения сил и ускорений потерпели неудачу. Один принцип, однако, получил промышленное применение - зто измерение .массового расхода па остове гиростатического .метода и влия-[шя ускорения силы Кориолиса.

Во вращающейся системе на массу, движущуюся вдоль радиуса, действует сила, на.эываемая силой Кориолиса. Паправлепие этой силы перпендикулярно оси вращения и направлению движения массы, а ее величина пропорциональна скорости вращения и радиальной скорости массы. Массовые расходо.меры, основанные па измерении силы Кориолиса, дают хорошие результаты, не требуя компенсации давления и температуры.

В прямолинейном участке трубопровода с помощью э.лектромагнита возбуждаются колебания, резонансные собственной частоте трубы или частоте какой-либо ее rap.vtoiiHKH. Ma входе и выходе трубопровода симметрично по отношению к электромагниту размещены приемники для определения фазы колебаний трубы. Когда трубопровод пуст, фазы колебаний совпадают. На любой .элемент жидкости, текущей по трубе, будет действовать боковое ускорение. Из-за инерции этого элемента колебания на входе будут затухать. По мере прохождения элемента жидкости по трубе, он

передает ей накопленную энергию, и ее колебания на выходном конце усиливаются Фазы сигналов, измеренных на входе и выходе участка трубопровода, будут разли-чаться; разность фаз прямо пропорциональна массовому расходу. Датчики расхода построенные в соответствии с принципом Кориолиса, очень мало влияют на потер;-давления в трубопроводах.

Расходомер Кориолиса можно также использовать для измерения плотност;-жидкости. Для этого определяется собственная частота колебаний заполне[1Н0Г( участка трубопровода, которая обратно пропорциональна плотности жидкости.

Расходомеры Кориолиса - непростые устройства и требуют сложных согласующих и обрабатывающих схем. Одно и то же устройство может применяться для измерения и расхода, и плотности. Кроме того, массовые расходомеры Кориолиса не тре. буют сглаживающих участков труб и обладают высокой точностью (0.5 % о: измеряемой величины). Однако эти расходомеры чувствительны к вибрациям и имеют ограничения по способам их установки. Кроме того, они довольно дороги.

4.4.6. Химические и биохимические измерения

В химических и биохимических процессах очень важно измерять ряд физических характеристик. Некоторые из них можно постоянно измерять в оперативном режиме, в частности:

- концентрацию;

- проводимость;

- содержание солей;

- окислительно-восстановительный потенциал (redox potential - oxidation-reduction potential);

- величину pll;

- уровень растворенного кислороаа (dissolvedoxygen, DO);

- плотность взвешенных частиц.

Для всех указанных типов измерений в большинстве случаев существуют серийные промышленные датчики с приемлемыми характеристиками. Как уже указывалось, точность и погрешность измерений зависят не только от самих датчиков, но и от того, как они используются, т. е. от обслуживания, своевременных поверок и градуировок. Это особенно суп1ественно в отношении химических и биохимических измерений.

Существует много типов датчиков для измерения концентрации органического углерода, соединений азота, фосфора и т. д. Многие из них основаны на своего рода лабораторном химическом анализе, который выполняется автоматически с помоицло специального оборудования. Устройства этого типа обычно довольно сложны и, соответственно, довольно дороги. Они работают в автономном режиме, поскольку анати может потребовать некоторого времени и специально отобранных образцов веществ* результаты могут передаваться компьютеру по специальному информационному каналу. Регулярное обслуживание - важнейшая часть эксплуатации такого оборудова ния, и тем не менее его надежность нельзя считать полностью удовлетворительно?-

4.5. Согласование и передача сигналов

Передача информации между различными частями системы управления является одним из неотъемлемых и критически важных элементов. Сигналы, вырабатываемые датчиками, обычно име[от весьма низкий уровень, поэтому для дальнейшей передачи их необходимо обработать и усилить. Уровни сигнала и импедансы выхода датчика, кабеля и входа компьютера должны соответствовать друг другу. Обработка сигнала для достижения указанного соответствия называется согласованием сигнала.

Другой очень важной практической проблемой являются наводки. Любое .электронное устройство способствует возникновению электрических возмущений. Если две .электрические цепи по тем или иным причинам расположены рядом друг с другом, то изменение тока или напряжения в одной цепи вызывает также изменения тока и напряжения в другой. В частности, соединительные провода и кабели выступают в качестве антенны для шумов и возмуп1ений. Многие проблемы, связанные с .электрическими наводками, можно решить с помощью экранирования цепей и заземления; некоторые принципы экранирования рассмотрены в этом разделе. Выбор способа передачи сигнала (напряжение, ток или свет) зависит от нескольких факторов, главным из которых является устойчивость к наводкам и шумам. В этом разделе будут приведены различные методы решения этих проблем.

4.5.1. Согласование сигналов в цепях с операционными усилителями

В разделе 4.2 было показано, что для удовлетворительной передачи сигнала необходимо минимизировать влияние нагрузочных эффектов между компонентами системы. С одной стороны, уровень выходного сигнала датчика должен быть достаточно высок, с другой - входной импеданс компьютера должен быть значительно больше по сравнению с выходным импедансом системы "датчик-измерительньп преобразователь". Для согласования уровней сигналов и величин импедансов между выходом датчика и входом компьютера устанавливаются усилители.

Фильтр согласования импедансов имеет высокий входной импеданс и низкий выходной при коэффициенте усиления, равном единице. Последний каскад в схеме- обычно стабилизирующий усилитель с большим коэффициентом усиления. Для согласования импедансов применяются операцио1П1ые усилители в цепи с обратной связью.

Операционный усилитель (ОУ, operational amplifier - op-amp) представляет собой устройство, выполненное на интегральных схемах, с очень большим коэффициентом усиления но напряжению (порядка 10*-10), высоким входным импедансом (несколько МОм) и низким выходным импедансом (как правило, менее 100 Ом). Выходной ток обычно ограничен величиной 10 мЛ при напряжении ± 10 В. Операционный усилитель является распространенным составным элементом в аиачоговых цепях, поскольку его рабочие характеристики могут изменяться в широких пределах с помощью небольшого набора дешевых электронных ко.мпонентов. Существуют сотни различ1Н.1х типов операционных усилителей. Схематическое изображение операционного усилителя показано на рис. 4.18.