Измерение расхода методом постоянного перепада давления
 Скачать 0.73 Mb.
|
|
Измерение расхода методом постоянного перепада давления производится с помощью специальных расходомеров, называемых ротаметрами, принцип действия которых основан на зависимости вертикального перемещения поплавка, изменяющего площадь проходного сечения трубки таким образом, что перепад давления по обе стороны поплавка остается постоянным, от расхода жидкости (газа). Применяют два типа р о т а м е т р о в : ■ показывающие; ■ с электрической или пневматической передачей показаний на расстояние. В простейшем виде ротаметр представляет собой вертикальную коническую (расходящуюся вверх) стеклянную трубку 1, внутри которой располагается поплавок 2 (рис. 6.9). Поплавки могут иметь различную форму, например, цилиндрическую с нижней конической частью и верхним бортиком с вырезанными на нем косыми канавками. Контролируемая среда при протекании через канавки обеспечивает вращение поплавка, при этом он центрируется по оси трубки, что позволяет устранить трение о стенки. Рассмотрим силы, действующие на поплавок, имеющий объем V, наибольшее сечение f, среднюю плотность ρ п . Сверху вниз на поплавок действует сила тяжести G = Vρ п ɡ (ɡ — ускорение свободного падения). Снизу вверх на поплавок действует сила, обусловленная разностью статических давлений до и после поплавка р 1 - р 2 , возникающая вследствие потока в кольцевом зазоре между стенкой и поплавком, F = (р 1 - p 2 ) f . Поплавок будет неподвижно висеть в потоке жидкости (газа), при соблюдении равновесия сил, действующих на него снизу и сверху, т. е. G = F или р 1 - р 2 = G / f . При увеличении расхода жидкости q положение поплавка и кольцевого зазора f к между стенками трубки и поплавком неизменны, в силу чего р 1 - р 2 начнет увеличиваться, при этом нарушится равенство и поплавок начнет подниматься вверх. Также будет увеличиваться f к (из-за конусного профиля трубки), что приведет к уменьшению p 1 - р 2 Подъем поплавка будет осуществляться до тех пор, пока вновь не восстановится равенство сил. Очевидно, что любому расходу будет соответствовать определенная площадь f к кольцевого зазора, т. е. определенное положение поплавка. Уравнение, связывающее q 0 и f к . обычно записывается в виде, аналогичном уравнению расхода для расходомеров переменного перепада давления (α — коэффициент расхода ротаметра): 𝑞 0 = 𝛼𝑓 𝑘 √2𝑞𝑉(𝜌 п − 𝜌)/(𝜌𝑓) Из формулы следует, что зависимость между q 0 контролируемым расходом вещества и f к . при α = const близка к линейной. Коэффициент расхода ротаметров зависит от многих факторов (числа Re, формы поплавка) и не поддается аналитическому определению. В связи с этим ротаметры градуируются экспериментально. На положение поплавка влияет плотность контролируемой среды, т.е. градуировка ротаметра должна производиться с ее учетом. При использовании ротаметров для других сред показания нужно умножать на поправочный множитель К . Если вязкости измеряемой и градуировочной среды близки, то 𝐾 = √ 𝜌 гр (𝜌 п −𝜌) 𝜌(𝜌 п −𝜌 гр ) , где ρ гр и ρ — градуировочная и действительная плотность среды; ρ п — плотность материала поплавка. Обычно для газов ρ « ρ п , и в этом случае 𝐾 = √ 𝜌 гр 𝜌 ⁄ Переградуировку ротаметра осуществляют изменением ρ п , например, применяя пустотелый поплавок или поплавок из другого материала. Для ротаметров характерно то, что наименьший измеряемый расход q min равен 0,1 ...0,2 от наибольшего расхода q max . Погрешность измерения ротаметрами составляет ±1,5; ±2,5 и может быть уменьшена в два-три раза индивидуальной градуировкой. Показывающие ротаметры конструктивно состоят из стеклянной трубки, на которую нанесена шкала, а показания визуально по положению верхней части поплавка. Такие ротаметры применяют для измерения расхода газа или прозрачных жидкостей при давлении не выше 0,6 МПа, с пределами измерений 2,5... 3 000 л/ч (для воды) и 0,063... 40 м 3 /ч (для газа) и основной погрешностью ±1,5 %. Ротаметры с дистанционной передачей показаний (бесшкальные) изготовляют с металлической трубкой из латуни или коррозионно-стойкой стали. Они предназначены для измерения расхода при давлении до 6,4 МПа. Для передачи информации о расходе служит дифференциально-трансформаторный преобразователь, плунжер которого перемещается вместе с поплавком. Выпускают ротаметры типа РЭ с пределами измерения 0,025...63 м 3 /ч (для воды) и основной погрешностью ±2,5 %. В качестве вторичного прибора используется Диск-250. Ротаметры обладают рядом достоинств: простотой устройства, возможностью измерения малых расходов и на трубопроводах малых диаметров, практически равномерной шкалой. Недостатки ротаметров заключаются в необходимости установки только на вертикальных участках трубопроводов, возможности измерения только плавноменяющихся расходов слабозагрязненных сред. Измерение расхода по динамическому давлению основано на зависимости динамического давления от скорости потока измеряемой среды. По уравнению Бернулли разность между полным p п и статическим p ст давлением равна динамическому давлению p д (рис. 6.10): где- p п = p с + p д — полное давление потока; p ст — статическое давление потока; p д — динамическое давление потока; v ц — скорость в центре потока; v cp — средняя скорость 𝑝 д = 𝑝 п − 𝑝 ст = 𝑝𝑣 2 2 , (6.1) где v — линейная скорость потока, м/с; р — плотность среды, кг/м 3 Из выражения (6.1) следует, что (6.2) а расход (S — площадь проходного сечения трубопровода) (6.3) Динамическое давление измеряется скоростными (напорными) трубками (трубками Пито) в комплекте с дифференциальными манометрами. Напорные трубки, установленные вдоль оси трубопровода, измеряют скорость в центре потока V ц , которая всегда больше средней скорости. Отношение скоростей v ц /v cp зависит от числа Рейнольдса — Re. Эти зависимости, приводимые в технических справочниках, используются для измерения расхода жидкостей и газов в трубопроводах больших диаметров и при больших скоростях потоков, а также в трубопроводах некруглого сечения. Измерение давления жидкостей (газов) с помощью тензометрических преобразователей. В современных электрических датчиках давления используются различные методы измерения. В мировой практике приборостроения применяют электрические датчики давления, основанные на пьезорезистивном, емкостном, резонансном и других методах. Но наибольшее распространение получили тензометрические датчики с применением полупроводниковых и тонкопленочных металлических тензочувствительных схем, что в значительной мере обусловлено бурным развитием тонкопленочной и микроэлектронной техники. Такие датчики выпускают фирмы США, Франции, Великобритании, Японии и России (« НИИТеплоприбор »). Использование тензорезисторного метода измерения позволяет создавать приборы с простейшей кинематикой или практически без нее, малой массой подвижных элементов, малогабаритными упругими элементами, работающими в режиме малых перемещений. Суть тензорезисторного метода измерения применительно к датчикам давления заключается в непосредственном преобразовании деформации упругого манометрического элемента или связанного с ним упругого силового элемента в изменение электрического сопротивления тензорезисторов, закрепленных на одном из указанных элементов. Это изменение сопротивления тензорезисторов преобразуется электрической измерительной схемой в выходной сигнал для дистанционной передачи. Рассмотрим несколько наиболее часто используемых датчиков давления фирмы Рис. 6.10. Схема измерения динамического напора потока: «Метран». Датчики давления Метран-22 предназначены для преобразования значения измеряемого параметра — давления избыточного (ДИ), абсолютного (ДА), разрежения (ДВ), давления- разрежения (ДИВ), разности давлений (ДД) нейтральных и агрессивных сред, а также газообразного кислорода и обогащенного кислородом воздуха в унифицированный выходной токовый сигнал дистанционной передачи. Датчик состоит из преобразователя давления (измерительного блока) и электронного преобразователя (аналогового или микропроцессорного). Принцип работы датчика заключается в следующем. Измеряемый параметр подается в камеру измерительного блока и преобразуется в деформацию чувствительного элемента, вызывая при этом изменение электрического сопротивления тензорезисторов тензопреобразователя, размещенного в измерительном блоке. Чувствительным элементом тензопреобразователя является пластина из монокристаллического сапфира с кремниевыми пленочными тензорезисторами (структура КНС), прочно соединенная с металлической мембраной тензопреобразователя. Электронный преобразователь датчика преобразует изменение сопротивления моста тензопреобразователя в токовый выходной сигнал. Схема датчика «Метран-22 ДИ» модели 2130 приведена на рис. 6.11. Тензопреобразователь 4 мембранно-рычажного типа размещен внутри основания 9 и замкнутой полости 11, заполненной кремний- органической жидкостью (для датчиков кислородного исполнения используется жидкость ПЭФ-70/110), и отделен от измеряемой среды металлическими гофрированными мембранами 8. Мембраны приварены по наружному контуру к основанию 9 и соединены между собой центральным штоком, который связан с концом рычага тензопреобразователя с помощью тяги 5. Другой конец тяги связан со штоком 6, переходящим в диски с гофрированной поверхностью. Фланцы 10 уплотнены прокладками 3. Камера 12 сообщается с окружающей атмосферой. Воздействие измеряемой разности давлений (большее давление подается в камеру 7, меньшее — в камеру 12) вызывает прогиб мембраны 8, изгиб мембраны тензопреобразователя и изменение сопротивления тензорезисторов. Электрический сигнал от тензопреобразователя передается из измерительного блока в электронный преобразователь 1 по проводам через гермоввод 2. Измерительный блок выдерживает без разрушения кратковременное воздействие односторонней перегрузки рабочим избыточным давлением. Это обеспечивается тем, что при такой перегрузке одна из мембран 8 ложится на профилированную поверхность основания 9. Интеллектуальные датчики давления «Метран-100 (150)» (рис. 6.12, а) предназначены для работы в системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами и обеспечивают непрерывное преобразование в унифицированный аналоговый токовый сигнал дистанционной передачи, Рис. 6.11. Схема датчика «Метран-22» модели 2130 или цифровой сигнал в стандарте протокола HART, или цифровой сигнал на базе интерфейса PS485 избыточного давления (ДИ), абсолютного давления (ДА), разрежения (ДВ), давления-разрежения (ДИВ), разности давлений (ДД), гидростатического давления (ДГ). Управление параметрами датчика осуществляется со встроенной панели с помощью кнопок, HART-коммуникатора с использованием программы ICP-Master и компьютера или программных средств АСУ ТП. Датчики имеют встроенный фильтр радиопомех, внешнюю кнопку установки «0» и обладают свойством непрерывной самодиагностики. Измеряемые среды: жидкости, пар, газ, в том числе газообразный кислород и кислородосодержащие газовые смеси, пищевые продукты. Диапазоны измеряемых давлений: минимальный 0...0.04 кПа; максимальный 0... 100 МПа. Основная погрешность измерений: до ±0,1 % от диапазона. Диапазон перенастроек пределов измерений: до 25:1. Принцип действия датчика Метран-100 основан на использовании пьезорезистивного эффекта в гетероэпитаксиальной пленке кремния, выращенной на поверхности монокристаллической пластины из искусственного сапфира. Чувствительный элемент с монокристаллической структурой кремния на сапфире является основой всех сенсорных блоков датчиков семейства «Метран». Рис. 6.12. Интеллектуальные датчики «Метран-100 (150]»: а — общий вид; б — схема датчиков «Метран-150» моделей 150CD и 150CG; в — то же, моделей 150TG и 150ТА При деформации чувствительного элемента под воздействием входной измеряемой величины (например, разности давлений) изменяется электрическое сопротивление кремниевых тензорезисторов мостовой схемы на поверхности чувствительного элемента. Датчики предназначены для работы с вторичной регистрирующей и показывающей аппаратурой, системами управления, воспринимающими стандартные сигналы постоянного тока 0...5 или 4...-20 мА или цифрового сигнала на базе HART-протокола. В памяти сенсорного блока в аналого-цифровом преобразователе (АЦП) хранятся в цифровом формате результаты калибровки сенсора во всем рабочем диапазоне давлений и температур. Эти данные используются микропроцессором (МП) для расчета коэффициентов коррекции выходного сигнала при работе датчика. Цифровой сигнал с платы АЦП сенсорного блока вместе с коэффициентами коррекции поступает на вход электронного преобразователя, микроконтроллер которого производит коррекцию и линеаризацию характеристики сенсорного блока, вычисляет скорректированное значение выходного сигнала датчика и далее: ■ для датчиков с кодами МП, МП1, МП2, МПЗ передает его в цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), который преобразует его в аналоговый выходной сигнал или цифровой в стандарте HART (коды МП2, МПЗ); ■ для датчиков с кодами МП4, МП5 с помощью драйвера RS485 по запросу выдает значения давления (в заданном формате) в цифровую линию связи. Для лучшего обзора жидкокристаллического индикатора (ЖКИ) и удобного доступа к двум отделениям электронного преобразователя последний может быть повернут относительно измерительного блока от установленного положения на угол не более 90° против часовой стрелки. Датчик Метран-150 состоит из сенсора и электронного преобразователя. Сенсор включает в себя измерительный блок и плату АЦП. Давление подается в камеру измерительного блока, преобразуется в деформацию чувствительного элемента и изменение электрического сигнала. Электронный преобразователь преобразует электрический сигнал в соответствующий выходной сигнал. Схема датчиков фланцевого исполнения моделей 150CD, 150CG представлена на рис. 6.12, б. Измерительный блок датчиков состоит из корпуса 1 и емкостной измерительной ячейки 2, которая изолирована механически, электрически и термически от измеряемой и окружающей сред. Измеряемое давление передается через разделительные мембраны 3 и разделительную жидкость 4 к измерительной мембране 5, расположенной в центре емкостной ячейки. Воздействие давления вызывает изменение положения измерительной мембраны, что приводит к появлению разности емкостей между измерительной мембраной и пластинами конденсатора 6, расположенным по обеим сторонам от измерительной мембраны. Разность емкостей измеряется АЦП и преобразуется электронным преобразователем в соответствующий выходной сигнал. Схема датчиков штуцерного исполнения моделей 150TG, 150ТА представлена на рис. 6.12, в. Измерительный блок датчиков состоит из тензорезистивного тензомодуля на кремниевой подложке, чувствительным элементом которого является кремниевая пластина 1 с пленочными тензорезисторами (структура КНК — кремний на кремнии). Давление через разделительную мембрану 3 и разделительную жидкость 2 передается на чувствительный элемент тензомодуля. Воздействие давления вызывает деформацию чувствительного элемента, что приводит к изменению электрического сопротивления его тензорезисторов и разбалансу мостовой схемы. Образующийся при этом электрический сигнал измеряется АЦП и подается в электронный преобразователь, где преобразуется в соответствующий выходной сигнал. В модели 150ТА полость над чувствительным элементом вакуумирована и герметизирована. Измерение уровня сыпучих материалов. Под измерением уровня понимается индикация положения раздела двух сред различной плотности относительно какой-либо горизонтальной плоскости, принятой за начало отсчета. Технические средства, применяемые для измерения уровня, называются уровнемерами. Приборы, предназначенные для сигнализации предельных уровней жидкостей (сыпучих материалов), называют сигнализаторами уровня. Соответствие уровнемеров тем или иным требованиям позволяет произвести их разделение на определенные группы. Так, ГОСТ 28725 — 90 предусматривает разделение уровнемеров по следующим п р и з н а к а м : ■ по виду используемой энергии (электрические, пневматические, комбинированные); ■ защищенности от воздействия окружающей среды; ■ стойкости к механическим воздействиям. Приведенное разделение уровнемеров является скорее разделением по признакам конструктивного исполнения и не может помочь в выборе необходимого уровнемера, так как характеризует его вторичные свойства. Основной следует считать классификацию уровнемеров по примененному методу измерения уровня, т. е. принципу действия. Методы измерения уровня группируются по тем физическим свойствам, различие которых у веществ, образующих поверхность раздела, положено в основу метода. По п р и н ц и п у д е й с т в и я уровнемеры для сыпучих материалов подразделяют на шесть групп: ■ использующие различие плотностей (массовый, радиоизотопный, гидростатический, буйковый, поплавковый); ■ акустические (локационный, диссипативный, резонансный); ■ тепловые (дилатометрический, терморезисторный, термоЭДС); ■ оптические (фотоэлектрический, визуальный, преломления, поглощения, отражения); ■ электромагнитные (кондуктометрический, индуктивный, емкостный, радиоволновый); ■ механические (с гибким щупом, зондовый, маятниковый, с вращающимся телом, с колеблющимся телом). ■ Рассмотрим измерение уровня сыпучих материалов с помощью зондового метода (рис. 6.13). Массивное тело 1 подвешено внутри сосуда с сыпучим материалом 2 на гибкой связи 3 (тросе или ленте). На валу реверсивного двигателя (РД1) закреплен барабан, наматывающий трос с грузом. Включение двигателя выполнено таким образом, что при ослабленном тросе (груз касается сыпучего материала) двигатель наматывает трос и начинает поднимать груз. В момент натяжения троса через коромысло 4 срабатывают контакты SL и двигатель РД1 ослабляет трос. В дальнейшем цикл повторяется. Таким образом, груз постоянно находится на поверхности сыпучего материала. Двигатель РД1 связан кинематически с индикатором утла поворота (ИУФ) с ферродинамическим преобразователем (ПФ), сигнал с которого поступает на вторичный самопишущий прибор (ВФС).При рассогласованном положении рамок преобразователей на вход усилителя будет подаваться разность напряжений Δ U = U 2 – U 1 Сигнал баланса AUусиливается и приводит в действие реверсивный двигатель (РД2), выходной вал которого, кинематически соединенный с рамкой компенсирующего преобразователя и через профи- лирующий кулачок (К) — со стрелкой, вращает рамку до тех пор, пока ΔU напряжение баланса, уменьшаясь, не станет меньше порога чувствительности усилителя (контакты К/Р — контроль/работа). ВФС Рис. 6.13. Зондовый метод измерения уровня сыпучих материалов При достижении полной компенсации ротор реверсивного двигателя остановится, а рамка преобразователя вторичного прибора и его стрелка займут положение, соответствующее углу поворота рамки преобразователя первичного прибора (ИУФ), а следовательно, и значению измеряемой величины. Шкала прибора градуирована в единицах измерения (мм). Измерение уровня жидкостей. Уровнемеры широко применяют в различных отраслях промышленности для измерения уровня жидкостей, находящихся в резервуарах, баках и других устройствах. По п р и н ц и п у д е й с т в и я приборы для измерения уровня жидкости подразделяют на пять г р у п п : ■ механические (поплавковые, буйковые); ■ пьезометрические (гидростатические) (барботажные, манометрические); ■ электрические (электроконтактные, емкостные, индуктивные, радиоволновые); ■ акустические (локационные, диссипативные и резонансные). Чаще применяется локационный уровнемер, определяющий уровень по времени распространения ультразвуковых волн в измеряемой среде; ■ радиоизотопные. Поплавковые уровнемеры имеют чувствительный элемент, находящийся на поверхности измеряемой жидкости и передающий значение уровня указателя с помощью мерной ленты или троса; в буйковых (поплавки с отрицательной плавучестью) уровнемерах в качестве чувствительного элемента используется буёк, связанный с компенсационным устройством, реагирующим на изменение массы буйка при изменении уровня погружения его в жидкость. Барботажные уровнемеры представляют собой пневмометрическую трубку, имеющую выход для воздуха на фиксированном положении от дна резервуара. Уровень жидкости определяется по давлению воздуха, прокачиваемого по трубке; манометрические уровнемеры определяют уровень по давлению пьезометрического столба жидкости, воспринимаемого манометром (дифференциальным манометром). Принцип работы электроконтактных уровнемеров основан на измерении электрической проводимости измеряемых сред; емкостные используют различие диэлектрических свойств воздуха (ε = 1) и измеряемой жидкости (воды ε = 81); в индуктивных импеданс датчика уровня имеет индуктивный характер и меняется с изменением уровня жидкости из-за различия электрической проводимости жидкости и парогазовой смеси; радиоволновые основаны на зависимости какой-либо характеристики электромагнитного колебательного процесса от величины контролируемого уровня (радиолокационный, радиоинтерференционный, эндовибраторный и резонансный методы); радиоизотопные фиксируют поглощение измеряемой жидкостью у-лучей, излучаемых радиоактивным из- лучателем (кобальт-60 или цезий-137). |