Электронный блок датчика расхода газа автомобиля

     В самолетах расходомеры применяются  для измерения расхода топлива, потребляемого авиационными двигателями, а также для измерения расхода воздуха в двигателях и герметических кабинах. В других областях техники используется для контроля и учёта жидкости, пара или газа при их производстве, отпуске, потреблении и хранении, а также служит для регулирования технологических и теплоэнергетических процессов в автоматических системах контроля и регулирования.

     Для измерения суммарного количества топлива  за определенное время (например, за время  полета) применяются суммирующие  расходомеры. Эти приборы состоят  из собственного расходомера, измеряющего  расход в единицу времени, и интегрирующего устройства, обеспечивающего суммирование сигналов, пропорциональных расходам. Зная расход топлива, можно судить о выдерживании заданного режима полета. Стрелка суммирующего расходомера перед полетом устанавливается на делении, указывающем количество залитого в баки топлива, и по мере выработки топлива прибор показывает запас (остаток) топлива в баках (обычно в килограммах).

     Суммирующие расходомеры в большинстве случаев  показывают не израсходованное, а оставшееся количество топлива, поэтому их показания дублируют показания топливомеров. По сравнению с топливомерами расходомеры более надежны и их показания не зависят от положения самолета в пространстве.

     Мгновенный  объемный расход жидкости, протекающий  по трубопроводу сечением S,  

                                                        Q = S·υ ,                                                  (1) 

     где υ – средняя по сечению скорость потока.

     Мгновенный  весовой расход жидкости 

                                                   Q’ = Q·γ = S·υ·ρ·g,                                         (2) 

     где γ – удельный вес жидкости; ρ – плотность жидкости; g – ускорение силы тяжести.

     Во  многих случаях одна из величин  S или V остается постоянной, тогда измерение расхода можно свести к измерению величины V при постоянной S или наоборот.

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

                                          ,                             (3)

                                                 ,                                               (4) 

     И связаны между собой посредством  соотношения  

                                                 ,                                              (5) 

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

     В настоящее время к расходомерам и счетчикам предъявляется много  требований, удовлетворить которые  совместно достаточно сложно и не всегда возможно. Рассмотрим эти требования:

1. Высокая точность измерения – одно из основных требований, предъявляемых особенно к расходомерам. Повышение точности достигается как за счет применения новых прогрессивных методов и приборов, так и за счет совершенствования старых классических методов. Снижение погрешности вихревых расходомеров достигается с помощью использования износоустойчивых материалов, а также применения вычислительных устройств для учета изменения плотности вещества. Таким образом, погрешность разрабатываемого расходомера не должна превышать 3%.
2. Быстродействие прибора, определяемое его хорошими динамическими характеристиками, необходимо прежде всего при измерении быстро меняющихся расходов, а также в случае применения прибора в системе автоматического регулирования. Быстродействие большинства расходомеров удобно оценивать значением его постоянной времени Т, т. е. времени, в течение которого показания прибора при скачкообразном изменении расхода от Q1 до Q2 изменяются приблизительно на две трети от значения Q2 - Q1. Для улучшения быстродействия применяют особые измерительные схемы (дифференцирующие). Быстродействие можно оценивать и рабочей полосой частот. Таким образом, рабочая полоса частот разрабатываемого расходомера 0,005 – 5 Гц достижима и наиболее оптимальна, исходя из теоретических требований.
3. Необходимость измерения расхода не только в обычных, но и в экстремальных условиях при очень низких и очень высоких давлениях и температурах. Исходя из условий эксплуатации разрабатываемого расходомера, рабочий диапазон температур 20 ±10°С, рабочий дипазон давлений 760±30 мм рт. ст. и относительная влажность (максимальная) 80% при t=20°С определены верно и соответствуют реальности.

3. ОБЗОР МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ  РАСХОДА  

     В настоящее время известно свыше 20 методов измерения расхода и  большое число их разновидностей. Расходомеры, наиболее широко распространенные в промышленности, по принципу действия разделяются на следующие основные группы: переменного перепада давления; обтекания – постоянного перепада давления; тахометрические; электромагнитные; переменного уровня; тепловые; вихревые; акустические. Кроме того, известны расходомеры, основанные на других принципах действия: резонансные, оптические, ионизационные, меточные и др. Однако многие из них находятся в стадии разработки и широкого применения пока не получили. Наибольшее распространение получили расходометры переменного и постоянного перепада давления. К расходометрам переменного перепада давления относятся дифманометры, при использовании которых перепад давления в трубопроводе создаётся сужающими устройствами (диафрагмами, соплами, трубой Вентури и т.п.).

     В расходометрах постоянного перепада давления изменяется площадь проходного сечения, а перепад до и после  него остаётся неизменным. Такого типа расходометры выполняются с погруженным поплавком или поршнем.

     Недостатком этих способов является необходимость  в сверхчувствительном электронном  манометре.

     В некоторых случаях, когда невозможно применять расходометр, скорость потока измеряют с помощью напорных трубок, гидравлических вертушек и анемометров и вычисляют скорость потока в каком-либо его сечении. Объёмный расход определяют, умножая скорость на площадь сечения.

     Во  всех отраслях промышленности широко применяются тахометрические расходомеры. Принцип их действия основан на использовании зависимостей скорости движения тел – чувствительных элементов, помещаемых в поток, от расхода веществ, протекающих через эти расходомеры. Из этой группы расходомеров наиболее часто на практике применяются турбинные, шариковые и камерные.

     Для измерения скорости и (или) расхода  проводящего вещества могут применятся электромагнитные расходомеры. В основу работы электромагнитных расходомеров положена зависимость ЭДС, индуцируемой в электропроводящей среде, движущейся в электромагнитном поле. Конструктивно преобразователь электромагнитного расходомера представляет собой участок трубопровода, выполненного из немагнитного материала, в который вмонтированы два электрода. В месте расположения электродов вне трубопровода размещаются магнитная система или полюса магнита . Основным недостатком этих приборов является невозможность измерения расхода непроводящих сред.

     Если  необходимо измерять расход загрязненных жидкостей, известкового молока, диффузионного сока, сусла-самотека и т. п., то обычно применяются расходомеры переменного уровня. Принцип действия приборов основан на зависимости уровня жидкости в сосуде от расхода при свободном истечении ее через калиброванное отверстие (щель) в дне или боковой стенке сосуда.

     В настоящее время разработаны  и имеют весьма широкие перспективы  применения вихревые расходомеры, принцип  действия которых основан на зависимости  от расхода частоты колебаний  давления среды, возникающих в потоке в процессе вихреобразования.

     Все большее распространение получают акустические расходомеры. Принцип  действия таких расходометров основан  на зависимости акустического эффекта  в потоке вещества от его скорости. Широкому распространению акустических расходомеров способствует возможность их применения для измерения расходов загрязненных и агрессивных сред, безинерционность, бесконтактность измерений, отсутствие движущихся частей в потоке, отсутствие потерь давления в трубопроводах и др

     Весьма  перспективны тепловые расходомеры. Принцип их действия основан на использовании зависимости эффекта теплового воздействия на поток вещества от массового расхода этого вещества. Различают калориметрические, расходомеры теплового слоя и термоанемометрические расходомеры. Калориметрические расходомеры основаны на нагреве или охлаждении потока посторонним источником энергии, создающим в потоке разность температур. Расходомеры теплового слоя, основанные на создании разности температур с двух сторон пограничного слоя. Термоанемометры принято различать по ряду признаков, характеризующих тепловой режим преобразователя: способу нагрева чувствительного элемента (прямой, косвенный, непрерывный, импульсный); роду тока, питающего мост (постоянный, переменный); особенностям электрической схемы и др.

     Термоанемометрический метод основан на зависимости теплоотдачи нагретого чувствительного элемента от скорости потока. В общем случае теплоотдача зависит от многих факторов, а именно – от скорости потока, физических свойств газа (плотности, теплопроводности, теплоемкости и вязкости), разности температур чувствительного элемента и газа, а также от конфигурации преобразователя. Охлаждение чувствительного элемента потоком газа приводит к уменьшению его температуры, изменению электрического сопротивления и Джоулева тепловыделения. Измеряя падение напряжения на ЧЭ и ток в его цепи, можно, при известных физических свойствах материала чувствительного элемента и закономерностях теплообмена, определить локальную скорость потока.

     Термоанемометрический метод обладает рядом достоинств: высокая чувствительность обеспечивает возможность измерения в широком диапазоне скоростей потоков; миниатюрные размеры чувствительного элемента обеспечивают возможность измерения быстро изменяющихся локальных скоростей; независимость показаний от плотности газа (измеряется массовая скорость); наличие электрического выходного сигнала с уровнем, не требующем дополнительного усиления; измерительные схемы ПИП предельно просты; дистанционное измерение осуществляется сравнительно просто.

     К числу недостатков метода относятся: необходимость индивидуальной градуировки каждого ПИП, обусловленная невозможностью изготовления идентичных преобразователей по электрическим и конструктивным параметрам; нестабильность градуировочной характеристики, обусловленная структурными изменениями материала чувствительного элемента, вызываемыми нагревом, динамическими нагрузками, загрязнением; существенная температурная зависимость показаний термоанемометра, обуславливающая необходимость выполнения градуировки при различных температурах газа.

     В сферах народного хозяйства, связанных  с использованием и транспортировкой газов и жидкостей (газовой, нефтяной, нефтеперерабатывающей, химической и  т. д.) широко используются термоанемометрические  преобразователи расхода. Термоанемометры обладают малой инерционностью, высокой чувствительностью, точностью, надежностью, компактностью.

     Основные  метрологические характеристики существующих методов измерения расхода приведены в таблице 1.

                                 Таблица 1.