1. Основные понятия и определения теории автоматического управле ния
 Скачать 4.71 Mb.
|
|
2. Расходомеры переменного перепада давления Наибольшее распространение из расходомеров переменного перепада давления получили расходомеры с сужающим устройством, работа которых основана на зависимости от расхода перепада давления, образующего на сужающем устройстве в результате частичного перехода потенциальной энергии в кинетическую. Причиной широкого распространения таких расходомеров являются следующие их достоинства: 1. Универсальность применения. Они пригодны для измерения расхода, каких угодно однофазных, а в известной мере и двухфазных, сред при самых различных давлениях и температурах. 2. Удобство массового производства. Индивидуально изготовляется только преобразователь расхода - сужающее устройство. Все остальные части, в том числе диффманометр и вторичный прибор, могут изготавливаться серийно; их устройство не зависит ни от вида, ни от параметров измеряемой среды. 3. Отсутствие необходимости в образцовых установках для градуировки. Градуировочная характеристика стандартных сужающих устройств может быть определена расчётным путём. Наряду с этим, расходомеры с сужающим устройством имеют недостатки, наиболее существенными из которых являются следующие: 1. Квадратичная зависимость между расходом и перепадом, что не позволяет измерять расход менее 30% максимального из-за высокой погрешности измерения и затрудняет использование этих приборов для измерения расходов, изменяющихся в широких пределах. 2. Ограниченная точность, причём погрешность измерения колеблется в широких пределах (1,5%-3%) в зависимости от состояния сужающего устройства, диаметра трубопровода, постоянства давления и температуры измеряемой среды. Метод основан на том, что поток вещества, протекающего в трубопроводе, неразрывен и в месте установки сужающего устройства скорость его увеличивается. При этом происходит частичный переход потенциальной энергии давления в кинетическую энергию скорости, вследствие чего статическое давление перед местом сужения будет больше, чем за суженным сечением. Разность давлений до и после сужающего устройства - перепад давления - зависит от расхода протекающего вещества и может служить мерой расхода. К стандартным (нормализованным) сужающим устройствам относятся диафрагма, сопла, и трубы Вентури, удовлетворяющие требованиям Правил и применяющиеся без индивидуальной градуировки в комплекте со стандартным диффманометром. При измерении расхода газов и жидкостей допускается применять как угловой, так и фланцевый способы отбора перепада давления на диафрагмах и угловой способ отбора на соплах, на соплах и трубах Вентури. Перепад давления при угловом способе отбора измеряют как разность между статическими давлениями, взятыми непосредственно у плоскостей сужающего устройства в углах, образуемых последними со стенкой трубопровода. При угловом способе отбора перепад давления измеряется через отдельные цилиндрические отверстия или через две кольцевые камеры, каждая из которых соединена с внутренней полостью трубопровода кольцевой щелью (сплошной или прерывистой) или группой равномерно распределенных по окружности отверстий. При применении отдельных отверстий наилучшие результаты обеспечивает установка устройств в обойму. Кольцевая камера выполняется либо непосредственно в "теле" сужающего устройства, либо в каждом из фланцев, либо в специальной промежуточной детали - корпусе. При малых давлениях и большом диаметре трубопровода кольцевая камера может быть образована также полостью трубки, согнутой вокруг трубопровода в кольцо или прямоугольник. Сужающие устройства с кольцевыми камерами более удобны в эксплуатации, особенно при наличии местных возмущений потока, так как кольцевые камеры обеспечивают выравнивание давления по окружности трубы, что позволяет более точно измерять перепад давления при сокращенных прямых участках трубопровода. При фланцевом способе отбора перепад давления измеряют через отдельные цилиндрические отверстия, расположенные на одинаковом расстоянии до плоскостей диафрагмы. Оси отверстий для отбора давления до и после сужающего устройства могут находиться в разных меридиональных плоскостях. На одном сужающем устройстве можно использовать два и более дифманометров с различным сочетанием шкал. При установке сужающих устройств необходимо соблюдать ряд условий, существенно влияющих на погрешности измерения. Стандартные сужающие устройства При выборе сужающего устройства необходимо руководствоваться следующими соображениями. Потеря давления в сужающих устройствах увеличивается в следующей последовательности: труба Вентури, длинное сопло Вентури, короткое сопло Вентури, сопло, диафрагма; при одних и тех же значениях m и P и прочих равных условиях сопло позволяет измерять больший расход, чем диафрагма, и обеспечивает более высокую точность измерения по сравнению с диафрагмой (особенно при малых значениях m); изменение или загрязнение входного профиля сужающего устройства в процессе эксплуатации влияет на коэффициент расхода диафрагмы в большей степени, чем на коэффициент расхода сопла; первое место среди сужающих устройств по стоимости, простоте изготовления и монтажа занимают диафрагмы. Стандартная диафрагма. Для диафрагм с угловым способом отбора перепада давления допустимые диапазоны значений диаметров трубопроводов D и относительных площадей сужающих устройств m должны находится в пределах 50 мм < D <1000 мм; 0,05 < m <0,64 (для трубопроводов диаметром D >1000 мм рекомендуется принимать расчетные значения, соответствуют D = 1000мм). Для диафрагм с фланцевым способом отбора перепада давления эти величины должны находиться в пределах 50мм < D < 760мм; 0,04 < m < 0,56. Диаметр отверстия диафрагм независимо от способа отбора перепада давления d >12,5 мм. Бескамерные диафрагмы на Py до 32 Мпа изготовляются по ГОСТ 14322-77, а камерные диафрагмы на Py до 10 Мпа - по ГОСТ 14321-73. Диафрагма (рис.8) представляет собой тонкий диск 3 с круглым отверстием, ось которого располагается по оси трубы. Передняя (входная) часть отверстия имеет цилиндрическую форму, а затем переходит в коническое расширение. Передняя кромка должна быть прямоугольной (острой) без закруглений и заусениц. На рисунке приняты следующие обозначения: D20 - внутренний диаметр трубопровода перед сужающим устройством. На рисунке 9 показан внешний вид дафрагмы в разрезе. Выше оси показано измерение перепада давления через кольцевые камеры 1, ниже оси - через отдельные отверстия 2. Толщина диска диафрагмы не должна превышать 0,05D20. При измерении расхода загрязнённых жидкостей и особенно газов у стандартной диафрагмы, установленной на горизонтальной трубе, могут образовываться отложения. Во избежание этого применяют сегментные и эксцентричные диафрагмы. Сегментные диафрагмы представляют собой кольцо, в которое вварен диск с вырезанным в его нижней части сегментом или сектором. Кольцо зажимается между фланцами трубопровода. Кромка диафрагмы со стороны потока должна быть острой. Отверстия сегментной и эксцентричной диафрагм располагают в нижней части сечения трубы, а выводы импульсных трубок - в верхней части трубопровода вне пределов отверстия. Они могут применяться для измерений расхода жидкостей, из которых выделяются газы; в этом случае отверстия истечения располагают вверху. Сегментные диафрагмы могут устанавливаться на трубопроводах диаметром от 50 до 1000 мм. Значение Remin 5000 - 40000 при m от 0,1 до 0,5. Рис.6.3.8. Диафрагма; d20 - внутренний диаметр диафрагмы, D20 внутренний диаметр трубопровода Рис.6.3.9. Внешний вид диафрагмы При измерении малых расходов, перепад давления на диафрагме может быть не достаточен для организации измерения. В таких случаях возможен вариант с установкой двух диафрагм с разным диметром и отбором разницы давлений до первой и после второй (см рис.10). Рис. 6.3.10. Двойная диафрагма Рис.6.3.11. Сопло Сопла. В случае измерения расхода газа, сопла могут устанавливаться на трубопроводе диаметром не менее 50 мм, в случае измерения расхода жидкости - не менее 30 мм. Относительная площадь сужающего устройства должна быть в пре делах 0,05 < m <0,64, а диаметр отверстия сопла d>15 мм. Схематичное изображение сопла дано на рис. 11. На рисунке вверху показан отбор статических давлений через кольцевые камеры, внизу - через отдельные отверстия. На рисунке 12 показан внешний вид сопла в разрезе. Профиль входной части сопла образуется двумя дугами окружности, из которых одна касается торцевой поверхности сопла со стороны входа, а другая - цилиндрической поверхности отверстия. Сопряжение обеих дуг происходит практически без излома. На рисунке приведено сопло для m<0.444, сопло для m > 0,444 отличается конфигурацией профильной части. Сопло Вентури устанавливают на трубопроводах диаметром от 65 до 500 мм, при этом относительная площадь сужающего устройства должна находиться в пределах 0,05 Рис 6.3.12. Внешний вид сопла Сопло Вентури состоит из профильной входной части, цилиндрической средней части (горловины) и выходного конуса. Профильная часть выполняется так же, как у нормального сопла для соответствующих значений m. Цилиндрическое отверстие должно переходить в конус без радиусного сопряжения. Сопло Вентури может быть длинным или коротким. У первого наибольший диаметр выходного конуса равен диаметру трубопровода, у второго он меньше диаметра трубопровода. Перепад давления следует измерять через кольцевые камеры. Заднюю (минусовую) камеру соединяют с цилиндрической частью сопла Вентури с помощью радиальных отверстий. Киевское предприятие ПО "Киевмаш" выпускает сопла Вентури на давление 1,6 МПа и условные диаметры 1000 и 1200 мм. Эти сопла изготовляют двух типоразмеров на каждый условный диаметр в зависимости от величины модуля m. Модуль - отношение площадей прохода горловины сужающего устройства и трубопровода, который равен 0,2 (СВ1-1000- 02 и СВ1-1200-02) или (СВ1-1000-04 и СВ1-1200-04). Для измерения расхода сточной жидкости следует применять сопла Вентури с малыми сужениями (m>0,4), так как в торцевых частях сопел с большим сужением могут скапливаться отложения взвешенных частиц. Труба Вентури (рис. 13) устанавливается в трубопроводах диаметром от 50 до 1400 мм, при этом относительная площадь сужающего устройства должна находиться в пределах 0,10 Рис. 6.3.13. Труба Вентури Во входном конусе и горловине выполнены кольцевые усредняющие камеры 2. Они сообщаются с внутренними полостями входного конуса и горловины с помощью нескольких отверстий 3, которые при наличии в измеряемой жидкости взвешенных частиц прочищают с помощью специальных приспособлений. В нижней части кольцевых камер устанавливают пробковые краны для спуска жидкости. Труба Вентури называется длинной (Рис.14-1), если наибольший диаметр выходного конуса равен диаметру трубопровода, или короткой (Рис 14-2), если указанный диаметр меньше диаметра трубопровода. Рис.6.3.14. Внешний вид длинной трубы Вентури в разрезе Измерение расходов, имеющих большое отношение Qmax/Qmin. Вследствие квадратичной зависимости между расходом и перепадом, расходомеры с сужающими устройствами могут измерять только расходы, у которых отношение максимального и минимального значений не превышает 3-4. При необходимости с помощью сужающих устройств можно измерять расходы, у которых диапазон измерения выходит за указанные пределы, в этом случае применяют или два сужающих устройства с отверстиями разной площади с подключением одного дифманометра, или одно сужающее устройство, к которому подключены два дифманометра на различные пределы измерения. Применение двух сужающих устройств возможно путём параллельной или последовательной их установки. Оба эти способа имеют существенные недостатки, так как параллельная установка сужающих устройств требует достаточно длинного разветвления трубопровода, чтобы выдержать необходимые прямые участки, а последовательная связана с дополнительной потерей давления и прямым дополнительным участком между устройствами. При установке двух сужающих устройств должно быть предусмотрено переключение дифманометра (желательно автоматическое) с одного сужающего устройства на другое в зависимости от расхода. В случае если используются два дифманометра с одним сужающим устройством, то предельный перепад одного из них принимается равным 0,09 от предельного перепада другого. При этом первый дифманометр измеряет расходы в пределах от 9 до 30% Qmax, а второй - в пределах 30-100% Qmax. Отношение максимального и минимального значений расходов равно 11. Сужающее устройство рассчитывается на Qmax и предельный перепад второго дифманометра. Дифманометры могут подключаться к сужающему устройству двумя способами: 1) поочерёдно в зависимости от расхода; 2) дифманометр на больший перепад подключен постоянно, второй дифманометр подключается при падении расхода до 30% от максимального. Каждый из вариантов можно реализовать путем автоматического переключения. Использование местных сопротивлений трубопроводов и парциальных устройств для измерения расхода. Иногда, если не требуется высокая точность измерения, применения общепромышленных расходомеров технически и экономически нецелесообразно. В этих случаях может быть использован перепад давления, образующийся при протекании жидкости или газа через местное сопротивление, а так же парциальный метод. Наиболее изученными местными сопротивлениями являются центробежные преобразователи расхода - закругленные участки трубопровода, например колено, создающие перепад давления на внешнем и внутреннем радиусах закругления в результате действия центробежных сил в потоке. Центробежный преобразователь расхода вместе с дифференциальным манометром, измеряющим создаваемый перепад давления, образует центробежный расходомер. Преимущество такого расходомера состоит в том, что не требуется вводить в трубопровод какие-либо дополнительные устройства. В качестве местного сопротивления для измерения расхода может быть также использован конический переход (конфузор), который можно рассматривать как входную часть трубы Вентури. Парциальными называются расходомеры, в которых производится измерение определённой доли расхода основного потока. Измерительное устройство устанавливают в ответвлении основного трубопровода (в шунте). Жидкость или газ движется в шунте благодаря перепаду давления, создаваемому сужающим устройством или местным сопротивлением в основном трубопроводе. В качестве парциальных расходомеров могут быть использованы расходомеры переменного перепада давления, обтекания, электромагнитные. При измерении расхода парциальным методом соотношение между расходами в основном трубопроводе и в шунте должно быть постоянным на всём диапазоне измерения. В некоторых типах парциальных расходомеров, например в расходомерах, с ротаметром на шунте, допускается непостоянство соотношения расходов, в этом случае необходимо вводить нелинейную градуировочную шкалу расходомера на шунте. Описанные в настоящем разделе устройства требуют индивидуальной градуировки вместе с прилегающими участками трубы. 3. Тахометрические расходомеры и счетчики количества жидкостей Счетчики жидкостей турбинные Принцип действия турбинных счетчиков основан на измерении числа оборотов крыльчатки (турбинки), которая вращается со скоростью, пропорциональной расходу жидкости, протекающей в трубопроводе. Счетчики обычно именуются по роду контролируемой жидкости (например, водомеры). По конструктивному исполнению их подразделяют на две основные группы: крыльчатые (с тангенциальным подводом потока), в которых ось вращения крыльчатки перпендикулярна направлению движения воды, и турбинные (с аксиальным подводом потока), у которых ось вращения параллельна направлению движения потока воды. Первые применяются для измерения малых, вторые - больших расходов. Рис.6.3.15. Внешний вид и работа турбинного водомера Крыльчатые и турбинные водосчетчики состоят из одинаковых по назначению узлов и имеют идентичную кинематическую схему. Вращение оси крыльчатки (турбинки) через редуктор и магнитную муфту передается счетному механизму, по показаниям которого определяют количество воды, прошедшей через прибор. Счетчики характеризуются величиной расхода жидкости. Под минимальным расходом понимается расход, при котором счетчик работает с погрешностью ±5% и ниже которого погрешность не нормируется. Переходный расход - это расход, при котором счетчик работает с погрешностью ±2%, а ниже- с погрешностью ±5%. При эксплуатационном расходе счетчик может работать круглосуточно. Под номинальным понимается расход, равный половине максимального. При расходе, равном максимальному, счетчик должен работать в сутки не более 1 ч. Крыльчатые водомеры. Давление воды до 1 МПа, потеря давления при максимальном расходе до 0,01 МПа. Счетчики типа ВСКМ и УВКГ - 32 используют в системах коммунальных и промышленных водопроводов. Счетчики ВСКМ устанавливают на трубопроводах с температурой воды от 5 до 40 0 С, счетчик УВКГ - 32 - на теплотрассах с температурой воды до 90 0 С. Конструктивно счетчики ВСКМ состоят из корпуса с фильтром, измерительной камеры и счетного механизма. В корпусе, изготовленном из чугуна, находится винт для регулирования погрешности измерения пропуском части потока воды в обход измерительной камеры, разность погрешности измерения при крайних положениях регулятора составляет 6%. Фильтр может быть снят для очистки без демонтажа счетчика. Поток воды, пройдя фильтр, попадает в нижнюю часть измерительной камеры, где через косые тангенциально направленные отверстия проходит внутрь камеры и приводит во вращение крыльчатку с закрепленной на ней ведущей магнитной муфтой. Число оборотов крыльчатки пропорционально количеству прошедшей через счетчик воды. После зоны вращения крыльчатки вода по винтовой траектории попадает в верхнюю часть измерительной камеры и через отверстие поступает в выходной патрубок. Через разделительный стакан, изготовленный из немагнитного материала (латуни), вращение ведущей части магнитной муфты передается ее ведомой части. Последняя связана с масштабирующим редуктором и отсчетным устройством. Масштабирующий редуктор обеспечивает соответствие между показаниями отсчетного устройства и числом оборотов крыльчатки. Кроме отсчетного устройства роликового типа имеются стрелочные указатели для определения долей кубического метра (литров). Конструкция магнитной муфты способствует тому, что имеющиеся в воде ферромагнитные частицы (окалина) не прилипают к магнитам и выносятся из зоны их расположения. Редуктор счетного механизма и отсчетное устройство помещены в вакуумированный стакан, закрытый стеклом. Кроме описанных выше, в промышленности применяются водосчетчики: ДВ-40. ВТ, ВТГ, СТВ, СТВГ. ВД-180. СТВГ-Д. СДВ-80. Счетчики жидкости с овальными шестернями применяются в нефтяной, нефтехимической и других отраслях промышленности, а также на стационарных и передвижных. Принцип действия счетчиков основан на отчете строго определенных объемов жидкости, проходящей через измерительную камеру в процессе вращательного движения овальных шестерен. Поток измеряемой жидкости, поступает в счетчик через входной патрубок и проходя через измерительную камеру в процессе вращательного движения овальных шестерен. Поток измеряемой жидкости, поступая в счетчик через входной патрубок и проходя через измерительное устройство 2 (рис.18), теряет часть напора на создание крутящего момента, приводящего овальные шестерни 1 во вращение. В зависимости от положения шестерен каждая из них попеременно является то ведущей, то ведомой. Измерение количества жидкости происходит за счет периодического отсечения определенных ее объемов, заключенных в полостях между цилиндрической поверхностью корпуса измерительного устройства и овальными шестернями. За один полный оборот шестерен отсекается четыре таких объема, их суммарная величина равна рабочему объему измерительной камеры. Учет жидкости, прошедшей через счетчик, основан на отсчете числа оборотов овальных шестерен. Вращение шестерен через передаточный механизм 3, состоящий из магнитной муфты и системы зубчатых колес, передается роликовому 4 и стрелочному 5 указателям. Роликовый указатель предназначен для учета (суммирования) общего количества жидкости, прошедшей через счетчик, и представляет собой ряд цифровых барабанчиков, связанных трибками. Двухстрелочный указатель позволяет отсчитывать ра- зовое количество жидкости. По окончании разового отпуска стрелки устанавливаются рычагом сброса на нуль. Предусмотрена возможность установки на счетчике корректора показаний количества жидкости по температуре и плотности и первичного преобразователя расхода для дистанционной передачи показаний. В целях приведения показаний счетчика в соответствие с действительным количеством прошедшей через счетчик жидкости в передаточном механизме предусмотрен сменный блок зубчатых колес. Рис.6.3.18. Счетчик жидкости с овальными шестернями. |