Лепявко А.П. Средства измерений расхода жидкости и газа. Академия стандартизации, метрологии и сертификации а. П. Лепявко средства измерений
 Скачать 2.47 Mb.
|
|
Поплавково-пружинные расходомеры Поплавково-пружинные расходомеры являются расходоме- рами обтекания с изменяющимся перепадом давления. Они, так же как и поплавковые, часто в документации называются рота- метрами. Такие расходомеры могут предназначаться для вертикально- го и горизонтального монтажа. На рис 5.5 схематично изображен горизонтальный поплавково-пружинный расходомер. 132 Рис. 5.5. Горизонтальный поплавково-пружинный расходомер (ротаметр): 1 – ось поплавка; 2 – поплавок; 3 – коническая трубка; 4 – пружина; 5 – демпфер; 6 – направляющие В отличие от ротаметров в таких расходомерах сила гидродинамического давления компенсируется пружиной. С ростом рахода возрастает сила гидродинамического давления, что приводит к сжатию пружины и перемещению поплавка. Эти расходомеры, так же как и ротаметры, несомненно, являются расходомерами обтекания и расходомерами переменного сечения Отечественные ротаметры (в том числе поплавковые) и большинство ротаметров зарубежных фирм применяются для из- мерения относительно небольших расходов и согласно приведен- ной в разделе 1 классификации являются грубыми средствами измерений. Они применяются прежде всего как устройства инди- каторного типа. В то же время, как указывалось выше, достоин- ством ротаметров является высокая сходимость измерений, т.е. малая случайная погрешность. При соответствующем метрологи- ческом обеспечении ротаметры могут иметь характеристики, ко- торые позволяют отнести их к средствам измерений расхода нор- мальной точности. Некоторые зарубежные фирмы выпускают ротаметры и по- плавковые расходомеры, обеспечивающие измерение значитель- но бóльших расходов и с более высокой точностью. Например, фирма «Krohne» производит расходомеры постоянного перепада давления, обеспечивающие измерение расхода воды до 150 м 3 /ч, воздуха до 3000 м 3 /ч. Динамический диапазон измерений Q max : Q min = 10 : 1. Пределы допускаемой относительной погрешности ротамет- ра о δ рассчитываются по формуле 133 , ,75) 0 25 0 ( δ max о K Q Q , (5.6) где Q max – верхний предел измерений; Q – измеряемый расход; К – класс точности ротаметра. Класс точности ротаметров и поплавковых расходомеров, градуируемых на воде или воздухе, 1,0; 1,6; 2,5 и 4. При этом по- плавковые расходомеры обеспечивают выходной токовый сиг- нал, а также выходной сигнал по протоколу HART. При градуировании ротаметров с небольшими верхними пре- делами измерений (по воде до 10 м 3 /ч) на реальной рабочей среде и местными показаниями им может быть присвоен класс точно- сти 0,4. 6. ПОГРУЖНЫЕ РАСХОДОМЕРЫ 6.1. ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТОДОВ, ОСНОВАННЫХ НА ИЗМЕРЕНИИ СКОРОСТИ ПОТОКА Принцип действия погружных расходомеров основан на из- мерении скорости потока в одной или нескольких точках трубо- провода с последующим расчетом расхода по известному значе- нию площади проходного сечения. К погружным расходомерам относятся те расходомеры, у которых средство измерения мест- ной скорости механически вводится в трубопровод. Необходимо отметить, что фактически измерение скорости происходит и в некоторых других расходомерах, которые тем не менее считают полнопроходными. К таким расходомерам можно отнести ультразвуковые, лазерные расходомеры и расходомеры переменного перепада давления с усредняющей напорной труб- кой. В ультразвуковых расходомерах измеряется средняя ско- рость по линии, соединяющей излучатель и приемник. В лазер- ных и доплеровских ультразвуковых расходомерах измеряется скорость в точке, в расходомерах с усредняющей напорной труб- кой – средняя скорость по диаметру трубопровода. Объемный расход о Q через какое-то сечение трубопровода 134 F vdF Q 0 о , (6.1) где v – местная скорость потока; F – сечение трубопровода. Для измерения расхода применяются метод «площадь – ско- рость» и «точечные» методы. Во всех методах погрешность измерения расхода Q δ склады- вается из погрешностей определения средней скорости cp δ v и площади сечения трубопровода δ S : 5 0 2 2 ср ) ( δ , S Q v (6.2) Погрешность определения площади сечения трубопровода δ S определяется погрешностью измерения линейных размеров сече- ния. Погрешность определения средней скорости cp δ v в свою очередь включает в себя погрешность измерения местной скоро- сти v и методическую погрешность мет : 5 0 2 2 ср ) δ (δ δ мет , v v (6.3) В методе «площадь – скорость» сечение потока разбивается на ряд элементарных площадок i F , измеряется средняя скорость в каждой из этих площадок v i и рассчитывается расход n i i i F v Q 1 о (6.4) Метод «площадь – скорость» для измерения расхода воды с использованием стандартных дифференциальных напорных тру- бок Пито и гидрометрических вертушек приведен в ГОСТ 8.439–81 «ГСИ. Расход воды в напорных трубопроводах. Методика изме- рений методом площадь – скорость». Согласно требованиям стандарта длина прямого участка трубопровода до измерительно- го сечения должна быть для круглого трубопровода не менее 20 диаметров, после – не менее 5 диаметров, для трубопроводов некруглого сечения – не менее 40 и 10 гидравлических диаметров соответственно. Согласно требованиям ГОСТ 8.439–81 измерение расхода трубками Пито может проводиться при следующих условиях: 135 поток в измерительном сечении должен быть стационарным; в потоке должны отсутствовать взвеси, препятствующие нормальной работе трубок Пито; форма распределения скоростей в сечении не должна изме- няться при постоянном расходе и при его изменении в рабочем диапазоне; уровень турбулентности потока не более 10 %; отклонение от параллельноструйности не более 5°; число Рейнольдса, рассчитанное по диаметру отверстия пол- ного давления трубки Пито, должно быть больше 200. Число точек, в которых измеряется скорость потока, зависит от принятого метода вычисления средней скорости. Минимальное число точек в круглом трубопроводе должно быть не менее 12, в прямоугольном трубопроводе – не менее 25. Методическая по- грешность определения средней скорости мет в ГОСТ 8.439–81 оценивается значением 0,3 % Метод измерения «площадь – скорость» используется для оценки выбросов от источников загрязнения в газоходах и венти- ляционных системах в соответствии с ГОСТ 17.2.4.06–90 «Охра- на природы. Атмосфера. Методы определения скорости и расхода газопылевых потоков, отходящих от стационарных источников загрязнения». В нем описаны методы измерений расхода в каналах круглого и прямоугольного сечения. Число точек, в которых должна измеряться скорость, зависит от гидравлического диамет- ра канала г D , длины прямого участка перед измерительным сече- нием, а также формы прямоугольного сечения. При г D < 200 мм это число может быть от 1 до 6, а при г D > 3500 мм – от 24 до 44. В ГОСТ 17.2.4.06–90 приведена оценка методической по- грешности осреднения скорости мет , обусловленной неравно- мерностью распределения скорости в измерительном сечении. Значение этой погрешности зависит от расстояния между изме- рительным сечением и местом возмущения потока L/ г D , формы канала и числа точек измерения. При L/ г D = 1 она составляет 12…24 %, при L/ г D = 6 – 2…4 %. Более широкое применение в практике измерения расхода нашли «точечные» методы. Расход определяется по результатам измерения скорости в одной точке сечения трубопровода. При этом возможны следующие варианты: 136 1. Непосредственное измерение средней скорости cp v в месте ее существования. Объемный расход о Q рассчитывается по фор- муле F v Q ср о (6.5) 2. Измерение максимальной скорости вдоль оси круглой тру- бы с последующим определением по ней средней скорости. 3. Измерение местной скорости в произвольной точке сечения, в которой известно соотношение местной и средней скорости. Значение объемного расхода рассчитывается по фор- муле vF K Q v о , (6.6) где v K – отношение средней скорости потока в сечении к скоро- сти в точке измерения; v – местная скорость потока. Методы, основанные на измерении скорости в одной точке, с использованием стандартных дифференциальных трубок Пито, описаны в ГОСТ 8.361–79 «ГСИ. Расход жидкости и газа. Мето- дика выполнения измерений по скорости в одной точке сечения трубы». Стандарт предусматривает два метода: непосредственное измерение средней скорости в месте ее существования и измере- ние максимальной скорости вдоль оси круглой трубы с после- дующим определением по ней средней скорости. Согласно ГОСТ 8.361–79 метод непосредственного измере- ния средней скорости применяется в трубах диаметром не менее 300 мм. Этот метод основан на том, что при развитом турбулент- ном течении на окружности радиусом (0,758 ± 0,013) R (R – внут- ренний радиус трубы) местная скорость потока равна средней скорости по сечению. При этом принимается, что значение v K = 1,0. Для формирования осесимметричного распределения скорости, характерного для развитого турбулентного течения, перед измерительным сечением необходимо предусматривать прямые участки трубопровода, длина которых в зависимости от вида местного сопротивления должна быть не менее 30...80D, по- сле измерительного сечения не менее 5D. При оценке погрешности измерения расхода таким методом необходимо учитывать методическую погрешность определения 137 средней скорости. Наличие этой погрешности вызывается неоп- ределенностью радиуса, на котором местная скорость равна средней (±0,013 R). При развитом турбулентном течении эта ме- тодическая погрешность, исходя из градиента скорости по радиу- су трубопровода, может составлять мет = ±1,0 %. При оценке погрешности измерения расхода, приведенной в ГОСТ 8.361–79, наличие этой методической погрешности не учитывается. При определении расхода по измерению скорости в центре трубы коэффициент v K остается постоянным только в автомо- дельной области турбулентного течения. Значение v K зависит от гидравлических характеристик труб (шероховатости поверх- ности и числа Рейнольдса). При достоверно известном значении коэффициента гидравлического трения λ значение коэффициента v K может быть определено по таблице, приведенной в ГОСТ 8.361–79. При изменении λ от 0,01 до 0,06 значение v K снижает- ся с 0,875 до 0,713. При λ > 0,06 применять данный метод изме- рения расхода не допускается. Требуемые длины прямого участка трубопровода перед измерительным сечением меньше, чем при методе непосредственного измерения средней скорости. В зави- симости от вида местного сопротивления они должны быть не менее 10...50 D. В настоящее время находят применение погружные расходо- меры c турбинными, вихревыми, электромагнитными и термо- анемометрическими преобразователями скорости. Например, фирма «EMCO (Engineering Measurements Compa- ny)» выпускает погружные расходомеры с вихревыми и турбин- ными преобразователями скорости. В трубопроводах с внутрен- ним диаметром 75…266 мм измерение скорости проводится на оси трубы, а в трубопроводах с внутренним диаметром 266…2000 мм − на расстоянии 127 мм от стенки трубы. Фирма «Endress & Hauser» производит массовые погружные расходомеры газа, в которых в качестве средства измерений мас- совой скорости используется термоанемометр. Различные моди- фикации погружного измерителя массовой скорости позволяют измерять расход газа в трубопроводах с D у от 80 до 1500 мм. До и после измерительного сечения должны быть предусмот- рены прямолинейные участки трубопровода. Для сокращения длин этих участков может устанавливаться устройство подготов- 138 ки потока (УПП). Минимальные значения длин прямолинейных участков, кратные внутреннему диаметру трубопровода, по данным фирм «EMCO» и «Endress & Hauser», приведены в табл. 6.1. Таблица 6.1 Тип местного сопротивления Длина прямого участка до измерительного сечения без УПП с УПП «EMCO» «Endress & Hauser» «EMCO» «Endress & Hauser» до УПП после УПП до УПП после УПП Колено 90° 10 D у 20 D у 3 D у 2 D у 5 D у 8 D у Группа колен 90° в одной плоскости 15 D у 25 D у 6 D у 5 D у Группа колен 90° в разных плоскостях 30 D у 40 D у 7 D у 5 D у Конфузор 10 D у 20 D у 5 D у 3 D у Регулирующий, шаровой клапан, поворотная заслонка 30 D у 50 D у 7 D у 6 D у Любое местное сопротивление Длина прямого участка после измерительного сечения 5 D у 5 D у 4 D у 5 D у Наличие надежных экспериментальных данных по значению коэффициента v K позволило обеспечить достаточно высокую точность измерения расхода. По данным фирмы «EMCO» отно- сительная погрешность измерения объемного расхода жидкости находится в пределах ±1,0 %, газа и пара ±1,5 %. Пределы относительной погрешности измерений расхода воздуха с помощью погружных массовых расходомеров фирмы «Endress & Hauser» от ±1,5 % при изготовлении на производстве вместе с участком трубопровода (фланцевое исполнение) до ±3 % при врезке измерителя скорости непосредственно в тру- бопровод. 139 6.2. СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ МЕСТНОЙ СКОРОСТИ Для измерения скорости потока применяются: напорные трубки; турбинные преобразователи; вихревые преобразователи скорости; электромагнитные преобразователи скорости; термоанемометры. Напорные трубки Принцип действия напорных трубок основан на уравнении Бернулли. Без учета потерь давления уравнение Бернулли имеет вид: const 2 ρ п cт 2 p v p , (6.7) где cт p – статическое давление потока; 2 ρ 2 v – динамическое давление (скоростной напор); п p – полное давление потока. В напорной трубке измеряется статическое давление cт p и полное давление п p потока, состоящее из статического давления и динамического давления (скоростного напора). По разности полного и статического давления p рассчитывается скорость по- тока: 2 ρ 2 ст п v p p p , (6.8) откуда ρ 2 p v (6.9) С учетом конструктивных особенностей напорной трубки и сжимаемости измеряемой среды ρ 2 αε p v , (6.10) где α – коэффициент преобразования трубки; 140 ε – коэффициент, учитывающий сжимаемость измеряемой среды. В ГОСТ 17.2.4.06–90 формула (6.10) имеет несколько иной вид: ρ 2 т p К v , (7.11) где т К – коэффициент преобразования динамического давления потока. Для измерения местной скорости широко применяются диф- ференциальные трубки Пито. Дифференциальная трубка Пито – это трубка Г-образной формы, имеющая отверстие, направленное против потока и воспринимающее полное давление, и несколько отверстий на поверхности, параллельной потоку, воспринимаю- щих статическое давление. Конструкции трубок Пито стандарти- зованы и приведены в ГОСТ 8.439–81. Разновидности таких тру- бок изображены на рис. 6.1. Коэффициент преобразования трубки для этих конструкций α = 1,0 ± 0,0025. Погрешность измерения скорости v складывается из сле- дующих составляющих: погрешность коэффициента преобразования трубки; погрешность от турбулентности потока; погрешность от наклона оси трубки к направлению потока; погрешность от потери напора на расстоянии между отвер- стиями полного и статического давления; погрешность от загрузки измерительного сечения; погрешность от градиента скорости в сечении; погрешность измерения перепада давления; погрешность определения плотности. Оценка этих составляющих, а также суммарной погрешности измерения скорости стандартизованной дифференциальной труб- кой Пито v приведена в ГОСТ 8.439–81. Погрешность измере- ния скорости без учета погрешностей измерения перепада давле- ния и определения плотности v составляет ±1,2 %. В тех случаях, когда конструкция трубки Пито не соответст- вует стандартизованной, коэффициент преобразования динами- ческого давления потока т К определяется экспериментально. Среднее значение коэффициента преобразования динамического 141 давления трубки Пито, предназначенной для измерения скорости и объемного расхода в газопылевых потоках, находится в преде- лах т К = (0,95…1,05). Предел допускаемой относительной по- грешности определения коэффициента т К для всего диапазона скоростей в соответствии с ГОСТ 17.2.4.06–90 т = ±3,0 % . Рис. 6.1. Дифференциальные трубки Пито: а – с коническим концом; б – с полусферическим концом; в – с полуэллипсоидальным концом В некоторых устройствах измеряется не статическое давле- ние потока, а некоторое другое, как правило, меньшее давление. Например, измеряется разность давлений на лобовой и тыльной стороне цилиндрической трубки, расположенной перпендику- лярно потоку. Давление на тыльной стороне трубки меньше ста- тического давления потока. За счет этого увеличивается измеряе- мая разность давлений. Примером такой трубки является напор- 142 ная трубка НИИОГАЗ, которая наряду с дифференциальной трубкой Пито используется для измерения скорости загрязнен- ных потоков газа. Конструкция трубки (рис. 6.2) приведена в ГОСТ 17.2.4.06 – 90. Рис. 6.2. Напорная трубка НИИОГАЗ В этой трубке отверстия для полного и статического напора больше, чем в трубках Пито такого же размера. Это делает мало- вероятным засорение этих отверстий. Коэффициент преобразова- ния динамического давления трубок НИИОГАЗ определяется экс- периментально. Его среднее значение находится в пределах т К = 0,5…0,7. Предел допускаемой относительной погрешности определения коэффициента т К в соответствии с ГОСТ 17.2.4.06–90 т = ±5,0 %. |