В каком виде используются средства измерения расхода и количества вещества?

Измерение расхода и количества вещества. Единицы измерения. Основные методы и средства измерений, их классификация и виды

Министерство образования РФ

Московский государственный университет леса

Дисциплина: «МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ И КОНТРОЛЯ»

«Измерение и контроль физических величин,

свойств веществ и материалов».

Измерение уровня. Единицы измерения. Основные методы и средства измерений, их классификация и виды.

Измерение расхода и количества вещества. Единицы измерения. Основные методы и средства измерений, их классификация и виды.

Измерение содержания влаги. Единицы измерения. Основные методы и средства измерений, их классификация и виды.

Измерение химического состава и свойств вещества. Единицы измерения. Основные методы и средства измерений, их классификация и виды.

Уровнем называют высоту заполнения технологического аппарата рабочей средой – жидкостью или сыпучим телом. Уровень рабочей среды является технологическим параметром, информация о котором необходима для контроля режима работы технологического аппарата, а в ряде случаев для управления производственным процессом.

Путем измерения уровня можно получить информацию о массе жидкости в резервуаре. Уровень измеряют в единицах длины. Средства измерений называют уровнемерами.

Различают уровнемеры, предназначенные для измерения уровня рабочей среды; измерений массы жидкости в технологическом аппарате; сигнализации предельных значений уровня рабочей среды – сигнализаторы уровня.

По диапазону измерений различают уровнемеры широкого и узкого диапазонов. Уровнемеры широкого диапазона (с пределами измерений 0,5 – 20 м) предназначены для проведения товароучетных операций, а уровнемеры узкого диапазона (пределы измерений (0-100) мм или (0-450) мм) обычно используются в системах автоматического регулирования.

В настоящее время измерение уровня во многих отраслях промышленности осуществляют различными по принципу действия уровнемерами, из которых распространение получили уровнемеры с визуальным отсчетом, поплавковые и буйковые, гидростатические, дифманометрические, радиоактивные, уровнемеры раздела фаз, акустические, емкостные, уровнемеры сыпучих веществ.

Уровнемеры с визуальным отсчетом.

Самый простой способ измерения уровня, основанный на методе сообщающихся сосудов. То есть к технологическому аппарату через запорные вентили подключается стеклянная трубка, по которой и наблюдается столб жидкости.

Недостатки: имеется возможность загрязнения трубки, вплоть до полного исчезновения видимости уровня, а также возможность образования воздушных пузырьков внутри стеклянной трубки, что устраняется с помощью дренажного вентиля.

Применяется для контроля уровня жидких и прозрачных веществ по месту.

Буйковые и поплавковые уровнемеры нашли широкое применение для измерения уровня жидкости, как в технологических аппаратах, так и в резервуарах.

Рис. 1. Буйковые уровнемеры.

Принцип действия основан на возникновении выталкивающей силы при погружении поплавка или буйка в жидкость (закон Архимеда), которая либо преобразуется в стандартный токовый сигнал 4-20 мА, либо пневматический 0,2-1,0 кгс/см2 для последующей передачи информации на вторичные приборы, по которым оператор наблюдает показания уровня.

При работе в зимнее время эти уровнемеры нуждаются в обогреве по причине возможности образования наледи, как на внутренних элементах самого прибора, так и в направляющей трубе, в которой находится буек, возникающей при колебаниях температуры, как продукта, так и окружающей среды.

Среди поплавковых уровнемеров применение нашли приборы, имеющие стандартный выходной сигнал 0,2-1,0 кгс/см2, работающие в комплекте с вторичными. Эти приборы не нуждаются в обогреве. В настоящее время на заводе ведется замена устаревших пневматических приборов КИП на более современные приборы, имеющие лучшие характеристики точности показаний и дающие больше возможностей по обработке информации от датчиков.

Одним из таких приборов является уровнемер ENRAF голландской фирмы. Точность измерения уровня составляет 0,1 мм. Это очень чувствительный прибор-преобразователь силы. Он постоянно взвешивает вес поплавка и сравнивает с уставкой, которая представляет собой вес поплавка минус выталкивающая сила. Если вес поплавка равен уставке, то прибор считает, что поплавок на уровне.

Основные эксплуатационные требования: обогрев в зимнее время на резервуарах, где продукт – газ, а также отсутствие ударов вибраций и т. п. из-за которых выходит из строя чувствительный элемент или прибор сбивается.

Гидростатический метод измерения уровня основан на том, что в жидкости существует гидростатическое давление, пропорциональное уровню, которое преобразуется в стандартный токовый сигнал 4-20 мА. Прибор нуждается в обогреве в зимнее время. Пример: Сапфир ДГ.

Дифманометрические уровнемерыприменяются для измерения уровня жидкости, как под атмосферным, так и под избыточным давлением. Каждому значению уровня жидкости в емкости соответствует определенный перепад давления, который измеряется прибором. Прибор нуждается в обогреве в зимнее время. Давление в аппарате не влияет на результат измерения, т. к. оно одинаково воздействует на «+» и «-» камеры. При работе на агрессивных средах, трубки между аппаратом и разделительными сосудами продувают воздухом или инертным газом.

Действие таких уровнемеров основано на поглощении γ — лучей при прохождении через слой вещества. Уровнемеры используются для измерения уровня жидкостей и твердых сыпучих материалов.

Уровнемер раздела фаз.

Принцип действия основан на разных электропроводностях жидкостей. В емкость устанавливается электрод, который кабелем соединяется с вторичным прибором. В качестве 2-го электрода используется сам корпус емкости. Применяется для разделения 2-х фаз электропроводной воды, от неэлектропроводной, с последующим отводом воды из емкости. Важным условием нормальной работы прибора является обеспечение герметичности конструкции электродов.

Акустические уровнемеры. (Ультразвуковые)

Принцип действия основан на локализации уровня звуковыми импульсами, проходящими через газовую среду, отходящую над контролируемой жидкостью и явлении отражения этих импульсов от границы раздела. Разновидностью ультразвукового уровнемера являются радарные уровнемеры типа APEX, обладающие высокой точностью, надежностью и возможностью эксплуатации в различных средах.

Принцип действия емкостных уровнемеров основан на зависимости электрической емкости системы «электрод-измерительная среда» от изменения уровня.

Приборы предназначаются для измерения не только жидких, но и твердых сыпучих материалов. Для измерения уровня воды, аммиака, мазута, бензина, керосина и смазочных масел предназначены емкостные уровнемеры ЭИУ-1К, фирмы LABKO 2W.

Измерение уровня сыпучих материалов.

Для измерения уровня сыпучих веществ могут применяться некоторые из рассмотренных выше уровнемеров. Кроме того, имеются специальные конструкции приборов.

Для контроля и управления химическим производством большое значение имеет измерение расхода и количества различных веществ: газов, жидкостей, пульп и суспензий.

Расходом вещества называют количество вещества, протекающее через данное сечение канала в единицу времени.

Различают объемный расход, измеряемый в м3/с, м3/ч, л/мин, и массовый расход, измеряемый в кг/с, кг/ч, т/ч.

Средства измерений расхода называют расходомерами.

Количество вещества определяют его массой или объемом и измеряют в единицах массы (кг, т) или в единицах объема (м3, л). Средства измерений количества вещества за некоторый промежуток времени называют счетчиками. Количество вещества в единицах объема, прошедшее через счетчик за выбранный промежуток времени, определяется по разности показаний счетчика.

В настоящее время измерение расхода и количества вещества во многих отраслях промышленности осуществляют различными по принципу действия расходомерами и счетчиками, из которых распространение получили объемные и скоростные счетчики, расходомеры переменного и постоянного перепада давления, вихревые расходомеры, кариолисовый расходомер, счетчик газа вихревой, электромагнитные, ультразвуковые, тепловые расходомеры, расходомеры твердых сыпучих материалов.

Принцип действия основан на непосредственном отмеривании объемов измеряемой среды с помощью мерных камер известного объема и подсчета числа порций, прошедших через счетчик.

Объемные счетчики подразделяются на опорожняющиеся и вытесняющие. Опорожняющиеся имеют жесткие камеры, из которых измеряемое вещество свободно вытекает. Счетчики этого типа непригодны для измерения количества газов.

Простейшим объемным счетчиком с жесткой камерой является бак или мерник. К этому типу счетчиков можно отнести барабанные и опрокидывающиеся счетчики.

Вытесняющие объемные счетчики имеют мерные камеры с перемещающимися стенками, которые вытесняют измеряемую порцию, освобождая камеру для следующей.

К объемным счетчикам такого типа относятся однопоршневые, многопоршневые, кольцевые, с овальными шестернями, ротационные, сухие газовые, мокрые газовые и дисковые.

Скоростные счетчики, как и объемные, применяют для определения объемного количества измеряемой среды. В отличие от объемных счетчиков скоростные не имеют мерных камер и производят косвенное измерение количества веществ в объемных единицах.

Чувствительным элементом скоростных счетчиков является аксиальная или тангенциальная турбинка, приводимая во вращение потоком жидкости, протекающим через счетчик.

Принцип действия скоростных счетчиков основан на пропорциональности числа оборотов турбинки в единицу времени скорости потока, омывающего турбинку.

Расходомеры переменного перепада давления.

Одним из самых распространенных способов измерения расходов газов, жидкостей и паров является метод переменного перепада давления, создаваемого на сужающем устройстве. Преимущества метода заключаются в простоте, надежности, отсутствие движущихся частей, высокая технологичность серийного изготовления средств измерений практически на любые давления и температуры измеряемых сред, низкая стоимость, возможность измерения практически любых расходов. Кроме того, имеется возможность получения градуировочной характеристики расчетным путем без использования дорогих расходоизмерительных метрологических установок.

В соответствии с этим методом в трубопровод устанавливают сужающее устройство. При протекании измеряемой среды через отверстие сужающего устройства скорость потока увеличивается по сравнению с его скоростью до сужения. Вследствие этого давление потока на выходе из сужающего устройства уменьшается и на сужающем устройстве создается перепад давления, измеряемый дифманометром. Перепад давления зависит от скорости потока в сужении или от расхода потока.

Расходомеры постоянного перепада (расходомеры обтекания).

В этих расходомерах обтекаемое тело (поплавок, поршень, клапан, поворачивающаяся пластинка, шарик и др.) воспринимает со стороны набегающего потока силовое воздействие, которое при возрастании потока увеличивается и перемещает обтекаемое тело. В результате перемещающая сила уменьшается и вновь уравновешивается противодействующей силой. В качестве противодействующей силы служит вес обтекаемого тела при движении потока снизу вверх или сила противодействующей пружины при произвольном направлении потока. Выходным сигналом служит величина перемещения обтекаемого тела.

Расходомеры обтекания для измерения жидкостей и газов выпускаются в нескольких вариантах. В ротаметрах со стеклянной конической трубкой для измерения прозрачных жидкостей и газов шкала нанесена непосредственно на внешнюю поверхность трубки, а показания снимаются по верхней вращающейся плоскости поплавка. На нижнем патрубке имеется седло, куда опускается поплавок при нулевом расходе. На верхнем патрубке имеется ограничитель хода поплавка.

Для измерения расхода непрозрачных жидкостей применяют ротаметр с цилиндрической стеклянной трубкой и цилиндрическим поплавком с отверстием в центре, через которое проходит неподвижный стержень конического сечения. При перемещении вдоль трубки поплавок одновременно вращается, а кольцевое переменное отверстие для потока создается между стержнем и поплавком. Ротаметры со стеклянными трубками изготавливаются на максимальное давление 0,6 МПа.

Для измерения расхода газов и жидкостей при необходимости передачи информации на расстояние применяют ротаметры с преобразовательными элементами (электрические или пневматические).

В 1911 году Карман опубликовал работу, посвященную математическому анализу перемежающегося двойного ряда вихрей, образующихся после тела обтекания в турбулентном потоке жидкости. Важнейшей особенностью этого явления стала стабильность и высокая периодичность вихрей. Эта структура получила название дорожки Кармана. Закономерность широко известна и хорошо изучена в гидродинамике.

Суть эффекта заключается в том, что образование вихрей происходит поочередно на противоположных ребрах тела обтекания. При этом частота образования вихрей прямо пропорциональна скорости потока.

Однако данный эффект имеет естественные ограничения. При малых скоростях поток ламинарно огибает препятствие без образования вихрей. Упорядоченное образование вихрей начинается только с определенного порога, который определяется числом Рейнольдса.

ЧислоРейно́льдса — безразмерное соотношение, которое, как принято считать, определяет ламинарный или турбулентный режим течения жидкости или газа. Число Рейнольдса также считается критерием подобия потоков.

Число Рейнольдса определяется следующим соотношением:

, где ρ – плотность среды, v- характерная скорость, l- характерный размер, μ – динамическая вязкость среды.

При малом Re, порядка нескольких десятков, течение ламинарное. При Re более нескольких тысяч устанавливается развитый турбулентный режим. В вихревых расходомерах используется тот эффект, что в определенном диапазоне чисел Рейнольдса число Струхаля практически постоянно. Благодаря этому коэффициент преобразования скорости потока в частоту вихрей становится независимым от плотности и вязкости измеряемой среды, и одинаков для всех типов сред.

Следует отметить, что в силу природы эффекта при числах Рейнольдса ниже 20000 вихревые расходомеры не гарантируют точность измерения, так как число Струхаля в этом диапазоне значительно варьируется.

Вихревые расходомеры обычно применяются для измерения расхода в потоках со скоростями выше минимальных. В случае измерения расхода жидкости при локальном понижении давления после вихреобразования ниже давления насыщенных паров жидкости возможно местное образование газовой фазы. Этот эффект называется кавитацией. При его возникновении измерение становится невозможным, и возникает опасность разрушения расходомера.

Основными элементами датчика расхода являются две расходомерные трубки, на которых монтируются:

– соединительная коробка с силовой электромагнитной (задающей) катушкой возбуждения и магнитом;

– два тензодатчика с магнитом и электромагнитными катушками;

Элементы датчика закрыты защитным кожухом, на котором нанесен указатель направления потока. Внутри расходомерных трубок специальной формы движется измеряемая среда.

Под воздействием задающей катушки расходомерная трубка колеблется с резонансной частотой. В результате эффекта Кориолиса, возникающего при движении среды в колеблющейся трубке, различные ее части изгибаются относительно друг друга. Этот изгиб приводит к взаимному рассогласованию по фазе колебаний различных участков расходомерной трубки, которое преобразуется электромагнитными детекторами скорости в выходной сигнал датчика расхода (рис. 2).

Рис. 2. Схема расходомера кариолисова.

В расходомерах данного типа массовый расход определяется путем измерения временной задержки между сигналами детекторов, которая пропорциональна массовому расходу. При отсутствии потока измеряемой среды изгиба трубки не происходит, и выходной сигнал отсутствует.

Резонансная частота трубки зависит от ее геометрии, материала, конструкции и массы. Масса состоит из двух частей: массы самой трубки и массы измеряемой среды в трубке. Масса трубки постоянна для данного типа датчика. Поскольку масса среды в трубке равна произведению плотности среды и внутреннего объема трубки, а объем трубки для данного типа датчика величина постоянная, то резонансная частота колебаний трубки может быть связана с плотностью среды и определена путем измерения резонансной частоты колебаний, периода колебаний трубки и температуры (изменение модуля упругости материала трубки при изменении температуры учитывает температурный сенсор). Плотность среды вычисляется на основании линейной зависимости между частотой и периодом колебаний трубки с использованием калибровочных констант. По полученным значениям массового расхода и плотности вычисляется объемный расход.

Счетчик газа вихревой.

Конструктивно датчик представляет собой моноблок, состоящий из корпуса проточной части и электронного блока. В корпусе проточной части датчика размещены первичные преобразователи объемного расхода, избыточного давления и температуры. Электронный блок представляет собой плату цифровой обработки сигналов первичных преобразователей, заключенную в корпус.

Принцип действия основан на законе электромагнитной индукции – законе Фарадея, согласно которому в проводнике, пересекающем магнитные силовые линии, индуцируется ЭДС, пропорциональная скорости движения проводника. Если использовать вместо проводника поток электропроводящей жидкости, текущей между полюсами магнита, и измерить наведенную в ней ЭДС, то можно определить скорость потока или объемный расход жидкости.

Эти расходомеры позволяют измерять расход жидкостей без измерения плотности потока; на показания расходомера не влияют взвешенные в жидкости частицы и пузырьки газов, а также параметры измеряемого потока (вязкость, давление, температура, плотность и т.п.), если они не изменяют ее электропроводности.

Расходомеры позволяют проводить измерения без потерь давления, а также на стерильных объектах. Электромагнитные расходомеры практически безынерционны, могут использоваться при измерении быстро меняющихся потоков.

Скорость распространения ультразвука в движущейся среде определяется суммой собственной скорости ультразвука в среде и средней скорости самой среды.

Для измерения расхода используются два метода. Первый основан на измерении разности фазовых сдвигов ультразвуковых колебаний, распространяющихся по направлению и против направления движения потока. Такие приборы называются фазовыми расходомерами. Второй метод заключается в измерении разности частот повторения импульсов ультразвуковых колебаний, совпадающих с направлением потока и направленных против него. Эти приборы называются частотными расходомерами.

Принцип действия тепловых расходомеров основан на нагреве потока вещества и измерении разности температур до и после нагревателя (калориметрические расходомеры) или на измерении температуры нагретого тела, помещенного в поток воздуха (термоанемометрические расходомеры). Последние не имеют самостоятельного применения в измерительной технике.

Измерение расхода твердых сыпучих и кусковых материалов сопряжено с определенными трудностями. Порционное взвешивание не всегда удовлетворяет требованиям технологии, так как требуется равномерная непрерывная подача вещества в технологический агрегат.

Порционные весовые устройства в зависимости от способа уравновешивания делятся на рычажные, пружинные, комбинированные, с тензометрическими и пневматическими чувствительными элементами.

В рычажных весах уравновешивание контролируемого груза осуществляется эталонным грузом на рычаге или системе рычагов, установленных на призматических опорах. Обычно применяются неравноплечие многорычажные весы с общим отношением плеч от 1:10 до 1:105, которые позволяют взвешивать твердые сыпучие и кусковые материалы от сотен до тысяч кг.

Для измерения массового расхода твердого сыпучего материала в непрерывном потоке в последнее время широко используются ленточные транспортерные весоизмерители.

При отсутствии материала на ленте транспортер находится в горизонтальном положении, и выходной сигнал равен нулю. Появление материала вызывает отклонение транспортера от горизонтального положения вниз и вызывает перемещение сердечника дифтрансформатора, что обуславливает появление выходного сигнала, пропорционального отклонению свободного конца транспортера.

Мы поможем в написании ваших работ!

Приборы для измерения расхода жидкости, газа, пара и тепла.

Расход вещества – это масса или объем вещества, проходящего через данное сечение канала средства измерения расхода в единицу времени. Различают объемный (единицы измерения – м3/с или м3/ч) или массовый расход (кг/ч, т/ч).

Измеряется расход вещества с помощью расходомеров, представляющих собой средства измерений или измерительные приборы расхода. Часто расходомеры используют не только для измерения расхода, но и для измерения массы или объема вещества, проходящего через средство измерения в течение любого, произвольно взятого промежутка времени. В этом случае они называются счетчиками или расходомерами со счетчиками. Масса или объем вещества, прошедшего через счетчик, определяется по разности двух последовательных во времени показаний отсчетного устройства или интегратора.

По принципу измерений расходомеры классифицируют по следующим основным группам.

· Расходомеры переменного перепада давления (с сужающими устройствами; с гидравлическими сопротивлениями; центробежные; с напорными устройствами; струйные), преобразующие скоростной напор в перепад давления.

· Расходомеры обтекания (расходомеры постоянного перепада — ротаметры, поплавковые, поршневые, гидродинамические), преобразующие скоростной напор в перемещение обтекаемого тела

· Тахометрические расходомеры (турбинные с аксиальной или тангенциальной турбиной; шариковые), преобразующие скорость потока в угловую скорость вращения обтекаемого элемента (лопастей турбинки или шарика).

· Электромагнитные расходомеры, преобразующие скорость движущейся в магнитном поле проводящей жидкости в ЭДС.

· Ультразвуковые расходомеры, основанные на эффекте увлечения звуковых колебаний движущейся средой.

· Инерциальные расходомеры (турбосиловые; кориолисовы; гигроскопический), основанные на инерционном воздействии массы, движущейся с линейным или угловым ускорением жидкости.

· Тепловые расходомеры (калориметрические; термомнемометрические), основанные на эффекте переноса тепла движущейся средой от нагретого тела.

· Оптические расходомеры, основанные на эффекте увлечения света движущейся средой (Физо-Френели) или рассеяния света движущимися частицами (Доплера).

· Меточные расходомеры (с тепловыми, ионизационными, магнитными, концентрационными, турбулентными метками), основанные на измерении скорости или состоянии метки при прохождении ее между двумя фиксированными сечениями потока.

Для измерения расхода воды мы используем метод переменного перепада давления и в качестве сужающего устройства выбираем диафрагму.

Измерения расхода воды в соответствии с МИ 1948-88 должны проводиться при соблюдении следующих условий:

· характер движения потока на прямых участках трубопроводов до и после сужающего устройства должен быть стационарным;

· измеряемое вещество должно заполнять все поперечное сечение трубопровода перед сужающим устройством и за ним;

· фазовое состояние потока не должно изменяться при его течении через сужающее устройство;

· на поверхностях сужающего устройства не должны образовываться отложения, изменяющие его конструктивные параметры и геометрические размеры;

· температура   измеряемой среды от   0     до   50°С, давление до 1 Мпа.

Описание расходомеров переменного перепада давления

Наиболее распространенными средствами измерений расхода жидкостей и газов (паров), протекающих по трубопроводам, являются расходомеры переменного перепада давления, состоящие из стандартного сужающего устройства, дифманометра, приборов для измерения параметров среды и соединительных линий. В комплект расходомерного устройства также входят прямые участки трубопроводов до и после сужающего устройства с местными сопротивлениями.

Сужающее устройство расходомера является первичным измерительным преобразователем расхода, в котором в результате сужения сечения потока измеряемой среды (жидкости, газа, пара) образуется перепад (разность) давления, зависящий от расхода. В качестве стандартных (нормализованных) сужающих устройств применяются измерительные диафрагмы, сопла, сопла Вентури и трубы Вентури.

Диафрагма – тонкий диск с отверстием круглого сечения, центр которого лежит на оси трубопровода (используются в трубах от 50 мм до 2 м). Достоинствами диафрагм являются: простота изготовления, дешевизна изготовления, простота проверки конструкции. Недостатками являются: малый срок службы, большая остаточная потеря давления (40÷60%).

Сопло – выполнено в виде насадки с круглым концентрическим отверстием, имеющим плавную сужающую часть на входе и развитую цилиндрическую часть на выходе. К достоинствам сопл относятся: маленькая потеря давления, способность при одном и том же перепаде давлений измерять больший расход. Недостатками являются: сложность в изготовлении и проверке.

Сопло Вентури – состоит из цилиндрического входного участка, плавно сужающейся части, переходящей в короткий цилиндрический участок, и расширяющейся конической части (диффузора). Измерительная диафрагма представляет собой диск, установленный так, что центр его лежит на оси трубопровода (рисунок 1.13).

Рисунок 1.13. Схема распределения статического давления в потоке при установке в трубопроводе сужающего устройства – диафрагмы: 1 – отверстие для измерения статического давления до сужающего устройства; 2 – отверстие для измерения статического давления после сужающего устройства.

При протекании потока жидкости или газа (пара) в трубопроводе с диафрагмой сужение его начинается до диафрагмы. На некотором расстоянии за ней под действием сил инерции поток сужается до минимального сечения, а далее постепенно расширяется до полного сечения трубопровода. Перед диафрагмой и после нее образуются зоны завихрения. Давление струи около стенки вначале возрастает из-за подпора перед диафрагмой, а за диафрагмой оно снижается до минимума. Затем давление снова повышается, но не достигает прежнего значения, так как вследствие трения и завихрений происходит потеря давления pпот.

Таким образом, часть потенциальной энергии давления потока переходит в кинетическую. В результате средняя скорость потока в суженном сечении повышается, а статическое давление в этом сечении становится меньше статического давления перед сужающим устройством. Разность этих давлений (перепад давления) служит мерой расхода протекающей через сужающее устройство жидкости, газа или пара.

В качестве измерительных приборов применяются различные дифференциальные манометры, снабженные показывающими, записывающими, интегрирующими, сигнализирующими и другими устройствами, обеспечивающими выдачу измерительной информации о расходе в соответствующей форме и виде.

По способу отбора давления и дифманометру, расходомерные диафрагмы делятся на камерные и бескамерные (с точечным отбором). Более совершенными из них являются камерные устройства.

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

Расчет расходной диафрагмы

Для измерения расхода среды используются дроссельные диафрагмы без предварительной градуировки в трубопроводах круглого сечения с диаметром не менее 50 мм при значениях m  от 0,05 до 0,64 в случае наличия определенной длины прямых участков до и после диафрагмы.

Схема установки в трубопроводе наиболее простого сужающего устройства (СУ) – диафрагмы – в виде тонкого диска с круглым отверстием посредине и изображение характера потока представлены на рисунке 2.1. Там же дано распределение статического давления р по длине струи.

Сжатие потока начинается перед диафрагмой и благодаря действию сил инерции достигает наибольшей величины на некотором расстоянии за ней, после чего струя вновь расширяется до полного сечения трубопровода. Перед диафрагмой и за ней в углах образуются зоны с вихревым движением, причем зона вихрей после диафрагмы более значительна, чем до нее. Давление струи около стенки трубопровода (сплошная линия) несколько возрастает за счет подпора перед диафрагмой и понижается до минимума за диафрагмой в точке наибольшего сужения струи, где сечение потока меньше, чем отверстие диафрагмы.

Далее по мере расширения струи давление около стенки снова повышается, но не достигает прежнего значения на величину рп ввиду наличия безвозвратных потерь на завихрение, удар и трение. Изменение давления струи по оси трубопровода практически совпадает с изменением давления около его стенки, за исключением участка перед диафрагмой и непосредственно в ней, где давление потока по оси трубы понижается (пунктирная линия). Жидкость должна заполнять все сечение, фазовое состояние ее не должно изменяться.

Диафрагма должна быть выбрана таким образом, чтобы при всех значениях ожидаемого расхода среды коэффициент расхода был величиной постоянной. Минимальное значение критерия Re, при дальнейшем росте которого коэффициент расхода остается постоянной величиной, называется предельным значением критерия Рейнольдса.

При минимальном расходе среды значение критерия Рейнольдса Re должно быть больше Reпред.

Диафрагма представляет собой тонкий диск, имеющий круглое отверстие d20, центр которого должен совпадать с центром сечения трубы.

Рисунок 2.1. Характер потока и распределение статического давления в трубопроводе при установке сужающего устройства

Диаметр отверстия диафрагм независимо от способа отбора представлен следующим соотношением : D20 ≥12,5 мм

В тех случаях, когда толщина b ≤ 0,02 D20 можно изготовлять диафрагму без конического расширения к выходу потока.

Отверстие диафрагмы цилиндрической формы со стороны входа потока имеет прямоугольную острую кромку. Длина цилиндрической части отверстия должна находиться в пределах : 0,005D20 ≤ l ≤ 0,02D20

Требования к изготовлению и установке, методика расчета СУ изложены в ГОСТ8.563.1-97 «Измерение расхода и количества жидкостей и газов методом переменного перепада давления» (РД50- 213-80, правила 28-64, 27-54), введенного с 01.01.99 г.

При изготовлении и установке стандартных СУ в трубопроводах должны соблюдаться определенные требования, несоблюдение которых существенно влияют на погрешность измерения расхода. Допустимые диапазоны значений внутренних диаметров трубопроводов при температуре t = 20 оС и относительных площадей диафрагм mдолжны находиться в пределах:

· для диафрагм с угловым способом отбора Δp (Рисунок 2.2):

50 мм ≤ D20 ≤ 1000 мм

0,05 ≤ m ≤ 0,64

Рисунок 2.2 Угловой способ       Рисунок 2.3 Фланцевый и трехрадиусный способ

· способ отбора Δp для диафрагм с фланцевым и трехрадиусным способом отбора Δp (Рисунок 2.3): 50 мм ≤ D20 ≤ 760 мм 0,05 ≤ m ≤ 0,56

Методы и средства измерений расхода жидкости

В расходомерах такого типа используют зависимость перепада давления от расхода вещества. Расходомеры переменного давления делятся на:

• центробежные;
• ударно-струйные;
• расходомеры с сужающим устройством;
• расходомеры с гидравлическим сопротивлением;
• расходомеры с напорным устройством.

Самым простым и популярным прибором для измерения расхода такого типа является расходомер с диафрагмой, т.е. сужающим устройством потока жидкости.

В трубе ставят сужающее устройство и измеряется разность давления перед диафрагмой и в её отверстии. По разнице давлений рассчитывается расход вещества. Такой тип датчиков прост в изготовлении и может применяться почти для любых видов жидкостей. Но данный метод измерения расхода с трудом применим в системах с малым расходом, в пульсирующих потоках, а также в веществах, меняющих свое состояние.

Расходомеры постоянного перепада давления

Расходомеры постоянного перепада давления также известны как расходомеры обтекания. Принцип действия таких расходомеров основан на реакции чувствительного элемента на напор. Ярким примером является ротаметр. Ротаметр имеет форму вертикальной конической трубы, в которой находится поплавок специальной формы. Вещество движется вверх по трубе и поднимает поплавок, пока силы, поднимающие поплавок, и сила гравитации не равновесятся.

Оптические расходомеры

Оптические расходомеры измеряют расход вещества, используя зависимость оптических эффектов от скорости движения вещества.

Такие расходомеры используют эффект Физо-Френеля. С помощью этого эффекта определяют зависимость скорости света в движущейся среде и скорость движения среды. Оптические расходомеры применяют в агрессивных средах и в условиях высоких и низких температур.

Акустические расходомеры

Принцип действия акустических расходомеров основан на измерении эффекта, возникающего при прохождении акустических колебаний через вещество. Акустические расходомеры называют ультрозвуковыми, потому что большинство из них работает в ультразвуковом диапазоне.

К ультразвуковым расходомерам относятся:

• ультразвуковые время-импульсные;
• ультразвуковые фазового сдвига;
• ультразвуковые доплеровские;
• ультразвуковые корреляционные.

Наибольшее применение получили ультразвуковые расходомеры, которые измеряют разность времени прохождения колебаний по потоку и против него. На таком принципе основан датчик Dynasonics TFXL.

Ультразвуковые расходомеры могут применяться в агрессивных средах, в диэлектрических средах и в трубах почти любого диаметра. Точность измерения таких расходомеров высокая в широком диапазоне. Ультразвуковые расходомеры чаще применяют как прибор для измерения расхода и количества жидкости, так как газ имеет малое акустическое сопротивление и в нем труднее получить акустические колебания. Также ультразвуковые датчики сильно зависят от степени загрязненности вещества. Длина волны должна быть на порядок больше диаметра твердых частиц.

Электромагнитные расходомеры

Принцип действия электромагнитных расходомеров основан на законе Фарадея. Поток жидкости помещают между полюсами магнита и замеряют ЭДС. Применяют как постоянные магниты, так и электромагниты, питаемые переменным током. Труба в зоне установки расходомера должна быть выполнена из непроводящего немагнитного материала.

Электромагнитные расходомеры применяют в различных областях, в том числе в медицине, биохимической и пищевой промышленности, так как они малоинертны, устанавливаются снаружи трубопровода, позволяют измерять очень малые расходы. К недостаткам электромагнитных расходомеров можно отнести следующие: они не могут применяться для измерения расхода веществ с малой электропроводностью, расходомеры чувствительны к неоднородностям, турбулентностям, паразитным токам заземления.

Расходомеры могут забивать трубы металлическим мусором.

Кориолисовые или массовые расходомеры

Данный вид приборов использует эффект Кориолиса для измерения массового расхода. Принцип действия кориолисового расходомера основан на измерении разницы фаз колебаний на входе и на выходе измерительных трубок. Рассмотрим как это работает на примере расходомера RCT 1000. Катушка возбуждения создает колебания в расходомерной трубе. Когда жидкости нет, колебания на измерительных катушках совпадают по фазе. Но при наличии потока начинает действовать сила Кориолиса, из-за которой колебания на входе и на выходе начинают отличаться. Зная разность фаз колебаний, расходомер определяет массовый расход. Плотность жидкости определяется по периоду колебаний.

Вихревые расходомеры

Вихревые расходомеры используют эффект вихревой дорожки Кармана для измерения расхода. За телом обтекания в потоке образуется система вихрей. Частота вихрей пропорциональна скорости потока. Пульсации давления, возникающие в потоке вихрей за телом обтекания, регистрируются датчиками. Такой тип расходомеров обеспечивает низкую относительную погрешность +(0,2-1,5)% в широком динамическом диапазоне.

Тепловые расходомеры

Тепловые расходомеры основаны на измерении скорости потока по эффекту теплового нагрева потока или тела в потоке. Тепловые расходомеры делятся на следующие виды: калориметрические, термоконвективные и термоанемоментрические.

Применяются для измерения расхода, как жидкости, так и газа. Принцип действия основан на образовании завихрений в потоке жидкости или газа. Частота образования зависит от скорости потока. Выбор вихревых расходомеров будет оптимален при необходимости измерения расхода и количества жидкости или газа в средах с высокой скоростью потока.

Отличными представителями этого типа расходомеров будут вихревые расходомеры типа SV series. Эти приборы обладают хорошей надёжностью и точностью измерений даже при высоких температурах и наличии загрязнений или шероховатости трубопровода.

Приборы просты в установке и не требуют особых навыков в эксплуатации. Однако, у них большая чувствительность к ударам, вибрациям и механическому воздействию. Эти расходомеры подойдут для большинства предприятий, где необходим точный учет расхода веществ любой консистенции.

Ультразвуковые и электромагнитные расходомеры

В непрерывных технологических процессах, где важным фактором является отсутствие внеплановых остановок производства, оптимальным вариантом станет выбор ультразвуковых или электромагнитных расходомеров. Установка или замена этих приборов осуществляется без врезки в трубопровод благодаря своей бесконтактной работе с жидкостью.

Если речь идет о нефтяной или водоочистительной промышленности – неплохим выбором станет ультразвуковой расходомер серии Dynasonics TFXL. Его принцип действия основан на измерении времени прохождения акустических колебаний между преобразователями. Скорость колебаний в свою очередь зависит от скорости и характера потока. Прибор рекомендуется использовать при измерении расхода воды, масла, нефти. Образование повышенного объема пузырьков воздуха приводит к ложным показаниям. Однако песок, мусор и различные взвеси в жидкости не влияют на точность измерений. Можно использовать в трубопроводах любого диаметра. При необходимости учета расхода газа, можно подобрать приборы, основанные на ультразвуковом законе измерения расхода.

Для измерения расхода жидкостей в процессах, где возможно частое изменение напора рабочей среды, отличным решением станет выбор электромагнитного расходомера серии ModMag 1000. Он может быть оптимален для измерения расхода жидкостей, где применение других приборов затруднено или нецелесообразно. Например, при измерении агрессивных или вязких веществ. Принцип действия основан на измерении ЭДС, возникающей в потоке жидкости, пересекающей магнитное поле. Главным аспектом является присутствие электропроводности у жидкости и отсутствие внешних помех. Электромагнитный расходомер не пригоден для измерения расхода газов и жидкостей с низкой электропроводностью (например, спиртов). А так же прибор чувствителен к неоднородности потока, мусору и взвесям в жидкости.

Ротаметры

Выбор расходомеров всегда основывается на специфике предприятия. Если речь идет о небольшом производстве, можно остановить выбор на ротаметрах жидкостей и газа типа Hedland H-series. Эти приборы состоят из трубки, внутри которой находится поплавок-индикатор. Поток жидкости или газа, проходя через трубку, меняет положение поплавка. Ротаметры станут оптимальным выбором на предприятиях, где точность измерений не играет большой роли, а измерений расхода осуществляется в небольших диапазонах. Обычно показания ротаметра считываются визуально, так как большинство образцов не подразумевает использование в автоматизированных системах. С другой стороны прибор обладает такими положительными качествами как: простота, низкая цена, автономная работа прибора. Эти факторы могут сыграть решающую роль в выборе именно ротаметра в качестве измерительного прибора в подобных технологических процессах.

Кориолисовые расходомеры

При необходимости соединить все преимущества расходомеров для установки в специфичных условиях (например, при автоматизации опасных технологических процессов) можно выбрать кориолисовый расходомер серии RCT 1000.

Принцип работы основан на эффекте Кориолиса.  Прибор может измерять сразу несколько технологических параметров, а так же обладает высокой точностью измерений (до 0,1%).  Стабильно работает при наличии вибрации трубопровода, примесей в жидкости или газе, и изменении температуры и давления потока. Прибор обладает длительным сроком службы и прост в эксплуатации благодаря отсутствию подвижных деталей. Прибор состоит их сенсора и преобразователя. Сенсор измеряет расход, плотность и температуру, а затем преобразователь преобразует эту информацию в стандартный выходной сигнал. Использование данных расходомеров будет оптимальным при автоматизации наукоемких производств. А также использование именно данного прибора спровоцирует положительный экономический эффект за счет: увеличения точности и надежности, уменьшения потерь дорогостоящего сырья.