Лепявко А.П. Средства измерений расхода жидкости и газа. Академия стандартизации, метрологии и сертификации а. П. Лепявко средства измерений

• Название: Академия стандартизации, метрологии и сертификации а. П. Лепявко средства измерений
• Анкор: Лепявко А.П. Средства измерений расхода жидкости и газа
• Дата: 23.10.2022
• Размер: 2.47 Mb.
• Имя файла: Лепявко А.П. Средства измерений расхода жидкости и газа.pdf
• Тип: Книга; #749692
• страница: 8 из 21

Преобразователи расхода с закрученным потоком
Схематично преобразователь расхода с закрученным потоком и резким расширением канала изображен на рис. 3.16а.
Поток жидкости закручивается в винтовом направляющем аппарате 1 и через короткий цилиндрический формирующий пат- рубок 2 попадает в расширенную часть преобразователя. За счет резкого изменения площади проходного сечения в осевой облас- ти возникает обратный поток, при этом на периферии поток при- обретает форму воронкообразного вихря. Ось этого вихря («вих- ревой шнур») в свою очередь вращается вокруг оси трубопрово- да. Частота вращения оси вихря пропорциональна линейной ско- рости потока или объемному расходу.
Вращение оси вихря («прецессия») приводит к пульсациям давления на внешней поверхности вихревого потока. Пульсации давления воспринимаются датчиками 3 и преобразуются в часто- ту электрических импульсов. Частота импульсов пропорциональ- на текущему расходу, количество – суммарному расходу (объему

80 жидкости).
Вихревые счетчики с закрученным потоком разрабатывались и выпускались в Советском Союзе. В настоящее время их произ- водят только некоторые фирмы, например, «ABB Automation
Products». Если в приведенном выше примере прецессия оси вих- ря обеспечивалась за счет резкого расширения потока, то в пре- образователе этой фирмы это обеспечивается формирователем обратного потока – пластиной, расположенной по диаметру вы- ходной части преобразователя (рис 3.16 б).
Рис. 3.16. Вихревые преобразователи расхода с закрученным потоком: а – с резким расширением: 1 – винтовой направляющий аппарат;
2 – формирующий патрубок; 3 – датчик давления; б – с формирователем обратного потока: 1 – корпус; 2 – винтовой направляющий аппарат; 3 – датчик давления; 4 – пластина
При монтаже таких счетчиков требуются длины прямых уча- стков трубопровода значительно меньшие, чем при монтаже вих- ревых преобразователей с плохообтекаемым телом. Требуемая длина прямого участка перед преобразователем 3 D
у
(5 D
у после клапана), после преобразователя в зависимости от типа установ-

81 ленного там местного сопротивления 1 D
у или 3 D
у
Фирма «ABB Automation Products» выпускает преобразовате- ли расхода с закрученным потоком (Swirl) с D
у в пределах
15…400 мм. Скорость жидкости 0,2…5 м/с, газа 1,3…40 м/с.
Динамический диапазон – 25:1. При этом по данным фирмы основная относительная погрешность таких преобразователей при измерении расхода жидкости, газа и пара лежит в пределах
±0,5 %.
Фирма выпускает также и вихревые преобразователи расхода с плохообтекаемым телом. Метрологические характеристики этих преобразователей соответствуют приведенным выше харак- теристикам преобразователей расхода других фирм-изготови- телей. Относительная погрешность измерения расхода жидкости
±0,75 %, газа и пара ±1,0 %.
3.1.7. Струйные счетчики и счетчики-расходомеры
Принцип действия струйного счетчика иллюстрируется схе- мой на рис. 3.17. Поток газа проходит через сопло 1 и попадает в диффузор прямоугольного сечения 2. Под влиянием случайных причин поток прижимается («прилипает») к той или иной стенке диффузора (например, как показано на рисунке, к нижней стенке).
Рис. 3.17. Струйный преобразователь расхода:
1 – входное сопло; 2 – диффузор; 3, 4 – верхний и нижний обводные каналы; 5 – управляющее сопло
Это явление получило название эффекта Коанда, который впервые его обнаружил, и используется также в системах пнев- моавтоматики.
На выходе из диффузора отбирается часть струи, которая проходит по нижнему обводному каналу 4 и перебрасывает

82 струю, выходящую из сопла 1, в верхнее положение. Затем про- цесс повторяется, но уже в обратном направлении. Таким обра- зом, происходит процесс колебаний струи, который сопровожда- ется колебаниями давления с обеих сторон струи. Колебания дав- ления преобразуются в электрические импульсы.
Частота колебаний f пропорциональна текущему объемному расходу и определяется по выражению
lF
Q
k
f
о

,
(3.13) где k − коэффициент, отражающий конструктивные особенности преобразователя расхода;
l – длина диффузора;
F – площадь сечения сопла.
Струйные счетчики и счетчики-расходомеры применяются для измерения объема и расхода жидкостей до нескольких м
3
/ч, газов – до 100 м
3
/ч. Пределы основной допускаемой погрешности для жидкостей ±1,0 %, для газов ±1,5 %.
На рис. 3.18 приведена схема газового парциального струй- ного счетчика расходомера. В документации фирмы «Kobold» та- кой тип расходомера назван «резонансным».
Рис. 3.18. Парциальный струйный счетчик-расходомер:
1 – диафрагма; 2 – байпасный канал; 3 – U-образная трубка;

83 4 – тепловой датчик
За счет перепада давления на диафрагме 1 часть потока газа поступает в байпасный канал 2. При прохождении через байпас- ный канал газ осциллирует в U-образной трубке 3. Частота коле- баний пропорциональна скорости потока и объемному расходу.
Тепловой датчик 4 воспринимает колебания скорости потока и генерирует сигнал переменного тока.
Для обеспечения надежной работы внутренние каналы рас- считаны на большой объем газа. Непрерывные изменения на- правления потока газа позволяют обеспечить самоочистку.
Пределы измерений такого типа средств измерений расхода газа по данным фирмы «Kobold» от 0,2…20 м
3
/ч до
200…20000 м
3
/ч. Пределы основной допускаемой относительной погрешности в основном диапазоне измерений ±1,5 %.
Парциальные струйные счетчики-расходомеры жидкости фирмы «Kobold» близкой конструкции обеспечивают диапазоны измерений от 0,075…3,75 м
3
/ч до 170…3500 м
3
/ч. Пределы до- пускаемой относительной погрешности в основном диапазоне измерений 0,05…1,0 Q
max по данным этой фирмы ±0,5 %.
3.2. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ
СЧЕТЧИКАМИ-РАСХОДОМЕРАМИ
3.2.1. Расчет суммарного и текущего расхода
Объем среды V, прошедший через счетчик за интервал вре- мени между н

и к

,




N
i
i
V
V
1
,
(3.14) где ΔV
i
– объем среды, прошедший через счетчик, соответст- вующий одному импульсу выходного сигнала преобразователя расхода или одному обороту отсчетного устройства;
N – число импульсов выходного сигнала преобразователя расхода или число оборотов отсчетного устройства за интервал времени между н

и к

При постоянном коэффициенте преобразования счетчика
N
K
V


сч
,
(3.15) где K
сч
– коэффициент счетчика.

84
При постоянном текущем расходе коэффициент счетчика оп- ределяется как отношение
i
V
N
V
K



сч
(3.16)
Масса среды M, прошедшей через счетчик за интервал вре- мени между н

и к

,




N
i
i
i
V
M
1
ρ
,
(3.17) где ρ
i
– плотность измеряемой среды.
При постоянной плотности измеряемой среды и постоянном коэффициенте счетчика
N
K
M



сч
ρ
(3.18)
Объем газа V
c
, приведенный к стандартным условиям, про- шедший через счетчик за интервал времени между н

и к

,






N
i
i
i
N
i
V
V
V
1 с
1
c с
ρ
ρ
,
(3.19) где ρ
c
– плотность газа при стандартных условиях: давлении р
с
. и температуре Т
с
При определении плотности измеряемой среды в рабочих ус- ловиях через коэффициент сжимаемости К
i
i
i
N
i
i
N
i
i
i
i
i
N
i
N
К
K
T
T
p
p
V
K
Т
Т
р
р
V
V











сч c
1
c
1
с с
1
c с
1 1
. (3.20)
На рис. 3.19 приведен пример структурной схемы счетчика природного газа с корректором, в котором реализован алгоритм в соответствии с уравнением 3.20. В его состав входят объемный преобразователь расхода 1 с импульсным выходным сигналом N
(ротационный, турбинный, вихревой или струйный) и корректор.
Корректор включает в себя средства измерений 2 давления p, температуры t и вычислительное устройство 3. В канал измере- ния температуры входят термопреобразователь сопротивления и измерительный преобразователь температуры.
Вычислительное устройство по известному составу газа и

85 измеренным значениям давления
i
p
, температуры
i
t
рассчитыва- ет коэффициент коррекции
i
Z
, обеспечивает приведение значе- ния измеренного объема в рабочих условиях к стандартным ус- ловиям и суммирование объема, прошедшего через счетчик за определенный промежуток времени.
Рис. 3.19. Структурная схема счетчика объема газа, приведенного к стандартным условиям:
1 – преобразователь расхода; 2 – средства измерения давления и температуры; 3 – вычислитель
Объемный расходQ
o за период осреднения оср
1
оср оср о
η
η
оср







N
i
i
V
V
Q
,
(3.21) где оср
V
– объем среды, прошедшей через счетчик за период ос- реднения оср
η

; оср
N
– число импульсов выходного сигнала преобразователя расхода или число оборотов отсчетного устройства за период ос-

86 реднения.
При постоянном коэффициенте преобразования счетчика оср оср сч о
η


N
K
Q
(3.22)
Массовый расход м
Q
за период осреднения оср
1
оср оср м
η
ρ
η
оср







N
i
i
i
V
M
Q
,
(3.23) где оср
M
– масса среды, прошедшей через счетчик за период ос- реднения Δτ
оср
При постоянной плотности измеряемой среды и постоянном коэффициенте счетчика
ρ
η
оср оср сч м


N
K
Q
(3.24)
Объемный расход,приведенный к стандартным условиям, Q
с при постоянном составе измеряемой среды ρ
с
= const оср с
1
оср с
оср с
η
ρ
ρ
η
ρ
оср







N
i
i
i
V
M
Q
(3.25)
При определении плотности газа в рабочих условиях через коэффициент сжимаемости К
оср
1
c
η
1
оср





i
i
i
c
N
i
c
i
V
K
T
T
p
p
Q
(3.26)
3.2.2. Оценка неопределенности измерений
Общие принципы определения составляющих суммарной стандартной неопределенности измерения приведены в приложе- нии Б.
Относительная стандартная неопределенность измерения объема в рабочих условиях равна относительной стандартной ин-

87 струментальной неопределенности счетчика сч
u

Относительная стандартная неопределенность измерения массы м
u

складывается из инструментальной неопределенности счетчика, погрешности счетчика сч
u

и неопределенности плотно- сти


u :
5 0
2 2
)
(
ρ
сч м
,
u
u
u






(3.27)
При определении плотности газа в рабочих условиях через коэффициент сжимаемости K
0,5 2
2 2
]
)
1
(
)
1
(
[
2 2
2 2
2
ρc выч сч м
K
T
p
K
u
u
u
u
u
u
u
T
K
p

















, (3.28) где выч
u

– относительная стандартная неопределенность, вноси- мая вычислителем; с


u
– относительная стандартная неопределенность плотно- сти газа при стандартных условиях;
р
u

– относительная стандартная неопределенность измере- ния абсолютного давления;
p
K

– относительный коэффициент чувствительности коэф- фициента сжимаемости к изменению давления газа;
T
u

– относительная стандартная неопределенность измерения температуры;
T
K

– относительный коэффициент чувствительности коэф- фициента сжимаемости к изменению температуры газа;
u'
K
– относительная стандартная неопределенность коэффи- циента сжимаемости газа без учета неопределенности измерений давления и температуры.
Относительная стандартная неопределенность результата из- мерения объема газа, приведенного к стандартным условиям, с
V
u

:
– при измерениях плотности при стандартных условиях ρ
с и плотности в рабочих условиях ρ
5 0
2 2
с
2 2
с
)
(
ρ
ρ
выч сч
,
u
u
u
u
u
V









;
(3.29)
– при определении плотности газа в рабочих условиях через коэффициент сжимаемости

88 0,5 2
2 2
2
c
]
)
1
(
)
1
(
[
2 2
2
выч сч
K
T
K
p
K
V
u
u
u
u
u
u
T
p















. (3.30)
В случае применения измерительно-вычислительного ком- плекса, погрешность которого нормируется с учетом погрешно- стей измерений давления и температуры,
0,5 2
2
c
]
2 2
[
2 2
2
ивк сч
K
T
K
p
K
V
u
u
u
u
u
u
T
p













(3.31) где
2
ивк
u

– относительная стандартная неопределенность, вноси- мая измерительно-вычислительным комплексом.
В случае применения измерительно-вычислительного ком- плекса ИВК, погрешность которого нормируется с учетом по- грешностей измерения давления, температуры и расчета коэффи- циента сжимаемости,
0,5 2
2
c
]
[
ивк сч
u
u
u
V





(3.32)
Относительная стандартная неопределенность измерения те- кущего объемного расхода o
Q
, текущего массового расхода м
Q
и текущего объемного расхода, приведенного к стандартным усло- виям, с
Q
5 0
2 2
о
)
(
η
сч
,
u
u
u
Q







;
(3.33)
5 0
2 2
м
)
(
η
м
,
u
u
u
Q







;
(3.34)
5 0
2 2
c c
)
(
η
,
u
u
u
V
V







,
(3.35) где
η


u
– относительная стандартная неопределенность измере- ния промежутка времени
3.3. ОБЪЕМНЫЕ РАСХОДОМЕРЫ И РАСХОДОМЕРЫ-СЧЕТЧИКИ
3.3.1. Электромагнитные расходомеры и расходомеры-
счетчики
Первые промышленные образцы электромагнитных расходо- меров были выпущены в 1952 г. Принцип действия основан на законе электромагнитной индукции. В проводнике, перемещаю- щемся в магнитном поле, возникает электрический ток. Жид- кость, обладающая даже незначительной электропроводностью, является проводником электрического тока. Поэтому при движе-

89 нии электропроводной жидкости в магнитном поле возникает электродвижущая сила ЭДС. Значение ЭДС зависит от скорости движения жидкости.
Схематично электромагнитный преобразователь расхода изо- бражен на рис. 3.20. Участок трубопровода 1 из немагнитного ма- териала с нанесенным изнутри электроизоляционным покрытием
2 размещается между полюсами магнита (индуктора возбуждения магнитного поля) 3. В направлении, перпендикулярном к направ- лению магнитных силовых линий, располагаются электроды 4.
Рис. 3.20. Принципиальная схема электромагнитного преобразователя расхода:
1 – трубопровод; 2 – электроизоляционное покрытие;
3 – магнит; 4 – электроды
При движении электропроводной жидкости возникает раз- ность потенциалов E, которая воспринимается электродами. Зна- чение разности потенциалов определяется выражением
,
BQ
D
D
k
v
kBD
E
o
2
тр э
э
π
4


(3.36) где k – коэффициент пропорциональности;
B – индукция магнитного поля; э
D
– расстояние между электродами; тр
D – внутренний диаметр трубопровода;
v – средняя скорость жидкости;

90
Q
o
– объемный расход.
При э
D
= тр
D = D
.
BQ
D
k
E
о
4


(3.37)
Разность потенциалов воспринимается и усиливается изме- рительным преобразователем.
При измерении расхода жидкости с электронной проводимо- стью (жидкие металлы) может использоваться постоянное магнит- ное поле. При измерении расхода жидкостей с ионной проводимо- стью при постоянном магнитном поле происходит поляризация электродов, что ослабляет и искажает выходной сигнал. Поэтому для таких жидкостей, т.е. для большинства жидкостей, встречаю- щихся на практике, применяется переменное магнитное поле.
Применение переменного магнитного поля промышленной или более высокой частоты приводит к появлению многочислен- ных помех. Поэтому в большинстве электромагнитных расходо- меров частота переменного магнитного поля ниже 50 Гц. При этом применяются различные законы изменения магнитного по- ля. Некоторые из этих законов иллюстрируются на рис. 3.21.
Рис. 3.21. Изменение магнитного поля: а, б – одночастотное, в – двухчастотное
На рис. 3.21а приведен треугольный закон изменения маг- нитного поля с монотонным повышением и снижением магнит-

91 ной индукции В, на рис. 3.21б – ступенчатый закон, который дос- тигается путем импульсного питания электромагнита от источни- ка постоянного тока с изменением полярности. Двухчастотный закон изменения магнитной индукции приведен на рис. 3.21в.
Питание электромагнита осуществляется последовательными импульсами низкой частоты, на которые наложены импульсы, имеющие частоту выше промышленной. При этом низкочастот- ное питание электромагнита способствует стабилизации нуля, а высокочастотное защищает от гидродинамических шумов, вы- званных турбулентными пульсациями расхода и наличием вклю- чений в потоке измеряемой жидкости.
Электромагнитные расходомеры пригодны для жидкостей, обладающих хотя бы минимальной электропроводностью – по- рядка 10
–5
См/м. Они непригодны для измерений расхода газа и пара, а также жидкостей-диэлектриков, таких, как спирты и неф- тепродукты.
Электромагнитные расходомеры имеют ряд достоинств по сравнению с другими средствами измерения расхода.
Результаты измерения не зависят от температуры, вязкости, концентрации и давления жидкости.
Результаты измерения не зависят от направления потока.
Расположение первичного преобразователя в пространстве не оказывает влияния на результат измерения.
Отсутствие установленных в трубопроводе механических элементов, воздействующих на поток, обеспечивает малые поте- ри давления. Установка преобразователя не изменяет профиль трубопровода и характер потока.
Результаты измерений мало зависят от распределения скоро- сти в сечении трубопровода. Поэтому длина прямых участков труб, требуемая при монтаже преобразователя расхода, меньше, чем у большинства других типов средств измерения расхода.
Как правило, требуется прямой участок до преобразователя, равный 5 диаметрам, после преобразователя – 2…3 диаметрам.
При монтаже преобразователя расхода после регулирующего клапана, группы колен в разных плоскостях и тройника расстоя- ние должно быть не менее 10 D
у
В некоторых случаях фирмы-производители допускают со- кращение прямых участков до 3 D
у и 1 D
у соответственно.
Электромагнитные расходомеры применимы для измерений

92 расхода как турбулентных, так и ламинарных потоков. Результат измерения мало зависит от загрязнения внутренней поверхности преобразователя расхода. Исключением является наличие на внут- ренней поверхности преобразователя расхода электропроводной пленки, которая приводит к занижению измеренного значения ЭДС и соответственно к отрицательной погрешности.
При покрытии внутренних поверхностей расходомера и при- менении электродов, изготовленных из соответствующих мате- риалов, можно измерять расход химически агрессивных и корро- зионно-активных жидкостей.
Электромагнитные расходомеры используются и для измере- ния расхода агрессивных, абразивных, вязких жидкостей и пульп, расплавленных металлов, т.е. сред, измерение расхода которых представляет существенные трудности.
Наличие в потоке инородных частиц не оказывает сущест- венного влияния на результат измерения, поэтому электромаг- нитные расходомеры применяются для измерения расхода с твердыми токопроводящими частицами. Дополнительное изме- рение электрического сопротивления потока позволяет одновре- менно контролировать содержание таких частиц в жидкости.
Применяются электромагнитные расходомеры с диаметрами условного прохода D
у от 2,5 до 3000 мм, расход жидкости до
3·10 5
м
3
/ч. Основная погрешность большинства электромагнит- ных расходомеров находится в пределах ±(0,5…1,0) %, у наибо- лее точных расходомеров, которые часто используются в качест- ве рабочих эталонов в составе эталонных расходомерных устано- вок, ±(0,15…0,3) %.
Существенным достоинством электромагнитных расходоме- ров является возможность достаточно простой беспроливной
(имитационной) поверки и наличие специальных установок для такой поверки.