Курс лекций для студентов специальности 092108 Теплогазоснабжение и вентиляция
 Скачать 4.93 Mb.
|
|
4.5. Электромагнитныерасходомеры В основу работы электромагнитных расходомеров положен закон электромагнитной индукции, согласно которому в жидкости, пересекающей магнитное поле, индуцируется э.д.с., пропорциональная скорости движения жидкости. Выпускаются расходомеры с электромагнитным преобразователем расхода и с электромагнитным преобразователем скорости потока. Процессы, протекающ ие в них, имеют одинаковую физическую основу. Электромагнитные расходомеры могут применяться для измерения больших расходов жидкости, их показания не зависят от параметров контролируемой среды (вязкости, температуры, химического состава, 247 плотности), они обладают высоким быстродейс твием, имеют линейную шкалу и значительный диапазон измерения. С помощью этих приборов можно измерять расход агрессивных, абразивных и вязких жидкостей и пульп. Преобразователи электромагнитных расходомеров не имеют движущихся элементов и сужений. В этих расходомерах может использоваться как постоянное, так и переменное магнитное поле. Приборы применяют для измерения расхода жидкостей с удельной электропроводностью не менее 10 -3 См/м, что соответствует электропроводности воды из водопроводной сети. Верхний предел удельной электрической проводимости 10 См/м. К недос таткам электромагнитных расходомеров можно отнести низкую помехозащищенность от электрического оборудования, работающего на токах промышленной частоты (для расходомеров с переменным магнитным полем), поляризацию электродов (для расходомеров с постоянным магнитным полем). Кроме того, эти расходомеры нельзя использовать для газов и жидкостей с малой электропроводностью (масла, бензин и другие нефтепродукты). Принципиальная схема электромагнитного расходомера с постоянным магнитным полем показана на рис. 4.19. Принцип действия этого расходомера основан на законе электромагнитной индукции, в соответств ии с которым наведенная в проводнике э.д.с. пропорциональна скорости его движения в магнитном поле. Роль движущегося в магнитном поле проводника играет электропроводная жидкость, протекающая через первичный электромагнитный преобразователь расхода (ПЭПР), установленный на трубопроводе. Рис. 4.19 - Схема электромагнитного расходомера с постоянным магнитом полем. 248 Прибор, кроме первичного электромагнитного преобразователя, включает в себя также электронный измерительный усилитель ИУи в торичный измерительный прибор ИП.Корпус преобразователя расхода представляет собой отрезок трубы 1 из немагнитного материала с двумя фланцами для включения его в разрыв трубопровода. На внеш ней стороне корпуса преобразователя ус тановлен постоянный магнит N-S, магнитные силовые линии которого перпендикулярны вектору скорости движения жидкости. Для съема выходного сигнала преобразователя расхода служат электроды 2 и 3, проходящие через стенку трубы в измеряемую среду. Материал трубы в месте установки электромагнитного преобразователя выполняется из диэлектрического материала либо из немагнитной нержавеющей стали, покрытой со стороны жидкости диэлектриком. В этом случае электроды для съема э.д.с. изолируются от металлической трубы. В случае, если вектор средней скорости V ср перпендикулярен силовым магнитным линиям, то выходная э.д.с. (Е) расходомера определится в соответствии с выражениями: B D V E ⋅ ⋅ = ср или D B Q E o ⋅ ⋅ ⋅ = π 4 , (4.36) где D – диаметр трубопровода (расстояние между электродами), м; B – магнитная индукция, Т; Q o – объемный расход, м 3 / с. Электромагнитные расходомеры с постоянным магнитным полем приме- няются в основном в лабораторных условиях и при проведении Рис. 4.20 - Электромагнитный расходомер с переменным магнитным полем 249 исследовательских работ, т.к. поляризация электродов, характерная для приборов такого типа, создает значительные неудобства при эксплуатации их в промышленных условиях. В промышленных условиях нашли применение расходомеры с переменным магнитным полем. Принципиальная схема такого расходомера приведена на рис. 4.20. На приведенном рисунке приняты следующ ие обозначения: ПЭПР- первичный электромагнитный преобразователь расхода с переменным магнитным полем, создаваемым электрическим магнитом 4; УП- промежуточный усилитель, преобразующий выходной сигнал ПЭПР в унифицированный сигнал постоянного тока 0-5 мА; R н - сопротивление внешней нагрузки (в торичный прибор, интегратор, входное устройство информационно-вычислительной машины и т.д.). Требования, предъявляемые к материалам для изготовления трубы 1 и электродов 2 и 3 преобразователя аналогичны перечисленным для прибора с пос тоянным магнитным полем. Длину трубы 1 выбирают в зависимости от ее диаметра с таким расчетом, чтобы обеспечить симметричность профиля скоростей потока относительно оси трубы преобразователя расхода. Для серийно выпускаемых преобразователей расхода материалом трубы и электродов служит нержавеющая сталь Х18Н9Т. Для изоляции внутренней поверхнос ти трубы применяют синтетический каучук ( до 40 0 С), обыкновенную резину (до 80 0 С), фторопласт и кислотостойкую эмаль (для агрессивных сред с температурой до 150 0 С). В настоящее время в промышленнос ти применяются электромагнитные расходомеры типов ИР-61, 4РИМ, «Индукция-51» и др. с диаметрами условных проходов от 10 до 800 мм. Верхние пределы измеряемых ими расходов составляют 0,3 – 5000 м3/ч при предельных скоростях потоков измеряемой среды от 1,25 до 10,0 м/с. Указанные типы расходомеров имеют классы точности 1,0; 1,5; и 2,0. 250 4.6. Ультразвуковыерасходомеры Действие ультразвуковых расходомеров основано на принципе использования эффекта Доплера, который заключается в изменении скорости распространения ультразвукового сигнала в движущейся среде в зависимости от величины составляющей скорости этой среды в направлении распространения ультразвукового сигнала. Ультразвуковые расходомеры отличаются высоким быстродействием, помехоустойчивостью, высокой точностью и больш им диапазоном измерения. Рассмотрим структуру и принцип работы расходомеров такого типа на примере ультразвукового расходомера УЗР-В, который предназначен для измерения объемного расхода жидкостей на частоте 1 МГц с коэффициентом затухания акустических волн не более 7 дБ/м. На рис. 4.21 приведена структурная схема ультразвукового расходомера типа УЗР- В. В комплект расходомера входят измерительно-управляющий прибор и два пьезодатчика. Первичным преобразователем ультразвукового расходомера является отрезок трубы, на котором под углом α к ее оси установлены пьезоэлектрические датчики. При сжатии и растяжении в определенных направлениях пьезоэлементов на их поверхностях возникают электрические заряды. Если к этим поверхностям приложить разнос ть электрических потенциалов, то пьезоэлемент растянется или сожмется в зависимости от того, на какой из этих поверхностей будет больше напряжения. Рис. 4.21 - Структурная схема ультразвукового расходомера 251 Это явление называется обратным пьезоэффектом, которое и лежит в основе работы излучателей ультразвуковых колебаний, преобразующих переменное электрическое поле в механические колебания той же час тоты. Приемники же, преобразующие эти колебания в переменное электрическое напряжение, работают на прямом пьезоэффекте. Каждый из двух пьезоэлементов по очереди является излучающим и приемным. Они с помощью высокочастотных кабелей соединяются с измерительным управляющим прибором. Основным функциональным узлом измерительного управляющего прибора II является субпанель измерения I, которая содержит два синхрокольца. Импульс с выхода формирователя запускающих импульсов 3 поступает на пьезоэлектрический первичный преобразователь 1, который излучает короткий ультразвуковой сигнал. Этот сигнал проходит через контролируемую среду и принимается пьезоэлектрическим датчиком 2 через время, зависящее от расстояния между датчиками L и разности С-V 1 Здесь С - скорость ультразвука в измеряемой среде, V 1 - проекция вектора скорости V контролируемой среды на направление распространения ультразвукового сигнала. Принятый ультразвуковой импульс усиливается блоком 4 и поступает на формирователь запускающих импульсов 3,который вновь формирует импульс, поступающ ий на преобразователь 1. Процесс прохождения сигнала повторяется, благодаря чему возникает автоциркуляция импульсов в первом ( ведущем) синхрокольце. Аналогично работает в торое синхрокольцо. В этом случае импульс с выхода формирователя запускающих импульсов 5 поступает на пьезоэлектрический преобразователь 2, который излучает короткий ультразвуковой сигнал. Этот сигнал проходит через контролируемую среду и принимается пьезодатчиком 1 через время, зависящее от расстояния между датчиками и суммы С+V 1 Принятый пьезодатчиком 1 ультразвуковой импульс усиливается блоком 4и поступает на формирователь запускающих импульсов 5, который вновь формирует импульс, поступающий на пьезоэлектрический преобразователь 2.В результате повторения процесса прохождения сигналов 252 возникает автоциркуляция импульсов во втором (ведомом) синхрокольце. Оба синхрокольца одновременно работают в одном электроакустическом канале. Отличие ведомого синхрокольца от ведущего состоит в том, что в состав формирователя импульсов 5 входит схема контроля совпадения рабочих импульсов обоих синхроколец и восстановления работы ведомого синхрокольца со сдвигом на полпериода. Работой синхроколец управляет блок 5, обеспечивающий необходимую их синхронизацию. С помощью системы автоподстройки блок 6 управляет работой генераторов импульсов 7 и 8.Импульсы с выходов управляемых генераторов 7 и 8 связаны по частоте и фазе с импульсами ведущего и ведомого синхроколец, но частоты следования их выше час тот следования импульсов синхроколец в 200 раз. Последовательнос ти импульсов от управляемых генераторов 7 и 8 поступают на смеситель 9, выделяющ ий разнос тную частоту, которая линейно зависит от скорости жидкости V в трубопроводе и не зависит от скорости ультразвука в контролируемой среде, а значит не зависит от изменения ее физических свойств. Последовательность импульсов разностной частоты с выхода смесителя 9 через масштабный преобразователь 10 подается на аналоговый преобразователь 12,который преобразует частоту в аналоговый сигнал. Аналоговый сигнал о расходе поступает на с трелочный индикатор расхода 13. Шестиразрядный электромеханический счетчик импульсов 11 позволяет контролировать количество жидкости, прошедшей по трубопроводу. В приборе предусмотрена система встроенного контроля, исправной работы прибора и опорож нения трубопровода. В данном расходомере допускается максимальное удаление пьезоэлектрических датчиков от измерительного прибора до 150 м. Технические характеристики ультразвуковых расходомеров приведены в таблице 4.2. Каждый расходомер может быть настроен на один из пределов измерения, указанных для соответствующего диаметра. Нижний предел измерения этих приборов равен нулю. Температура контролируемой жидкости может быть в пределах от -60 до +120 0 С, давление не более 6 МПа, скорость не 253 менее 0,3 см/с. Расходомер имеет час тотный выход и два выхода пос тоянного тока 0-5 мА. Погрешнос ть измерения приборов в режиме измерения расхода по частотному выходу не более 0,5 %, по токовому выходу не более 1,0 %, в режиме измерения количества жидкости - 0,3 %. Таблица 4.2- Характерис тики ультразвуковых расходомеров Тип D у , мм Верхний предел измерения , м 3 / с УЗР - В -0,4 УЗР - В -0,6 УЗР - В -0,8 УЗР - В -1,0 400 600 800 1000 0,1 0,25 0,5 1,0 0,2 0,5 1,0 2,0 0,3 0,75 1,6 3,0 0,4 1,0 2,0 4,0 0,5 1,25 2,5 5,0 0,6 1,5 3,0 6,0 0,8 2,0 4,0 8,0 1,0 2,5 5,0 10,0 В мес тах установки ультразвуковых расходомеров необходимо предусматривать прямолинейные учас тки трубопроводов длиной не менее 5D у до первичного преобразователя и не менее 3D у после него. 4.7 Измерениеколичестваирасходатепла Измерение количес тва вырабатываемой или потребляемой тепловой энергии, где в качестве теплоносителя используется вода, производится при помощи приборов, называемых теплосчетчиками. В основу этих приборов заложен расчетный метод, основанный на измерении температуры воды в прямом (подающем) и обратном трубопроводах, а также измерении ее расхода в тепловой сети. Таким образом, каждый прибор для учета тепловой энергии представляет собой комплекс, состоящий из расходомера, двух датчиков температуры и вычислительного устройства. Расход тепла q, отпускаемый потребителю в единицу времени Дж/ч, ; выражается уравнением: ) ( ) ( 2 1 В 2 1 В t t c Q t t c Q q O M − ⋅ ⋅ ⋅ = − ⋅ ⋅ = ρ , (4.37) 254 где Q M и Q 0 - расход воды в подающей линии массовый (кг/ч) и объемный ( м 3 / ч) соответственно; с В - удельная теплоемкость воды, Дж/(кг · ° С); ρ- плотность прямой воды, кг/м 3 ; t 1 и t 2 - температура- прямой и обратной воды, ° С, соответс твенно. Прибор, измеряющий расход тепла в единицу времени, называется тепломером. Прибор, измеряющий расход и количество теплоты за некоторый промежуток времени, называется тепломером-счетчиком количества тепла или теплосчетчиком. С помощью счетчика- тепломера определяют количество тепла q ∑ в джоулях, полученное потребителем за отчетное время в соответствии с выражением: ∫ = Σ 2 1 τ τ τ d q q , (4.38) где τ – определенный промежуток времени. В качес тве прибора, измеряющего расход воды, могут быть использованы тахометрический иэлектромагнитный индукционный расходомер или дифманометр - расходомер с сужающим устройством. Для измерения разности температур прямой и обратной воды могут быть использованы термометры сопротивления или термоэлектрические термометры ( термопары). Пределы допускаемой основной погреш ности существующих тепломеров не превышают ±2,5% нормирующего значения измеряемой величины. При оценке погрешностей результата измерения количества или расхода тепла, отпускаемого потребителю, необходимо учитывать возможные методические погрешности, а также изменение показаний тепломера, обусловленное влиянием температуры окружающего воздуха, места ус тановки измерителя расхода (расход теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах должен быть одинаковым) и других влияющих величин. На рис. 4.22 показана упрощенная типовая схема тепломера. В этой схеме используются средства измерений с унифицированным входным и выходным сигналами. 255 Разность температур прямой и обратной воды измеряется с помощью термометров сопротивления Д т-1, Дт-2 и измерительного преобразователя 2 с выходным сигналом постоянного тока 0-5 мА. Для измерения расхода прямой воды используется тахометрический или индукционный преобразователь расхода Др и измерительный блок 1 с выходным сигналом постоянного тока 0-5 мА. Выходные сигналы преобразователя 2 и измерительного блока 1 поступают на вход множительного преобразовательного устройства 3, выходной сигнал пос тоянного тока (0-5 мА) которого пропорционален расходу тепла. В качестве в торичного прибора, регистрирующего расход тепла (Дж/ч), может быть использован миллиамперметр 4,например, типа КСУ2. Для определения количества тепла в джоулях, отпущенного потребителю за некоторый промежуток времени, служит интегратор 5 со счетным устройс твом. В настоящее время существует большая номенклатура измерителей тепла как отечественного, так и зарубеж ного производства, отличающаяся в основном конструкцией и функциональными возможностями вычислительного блока. В качестве примера приведем ниже характерис тики некоторых из них. Теплосчетчик ТС-20 состоит из преобразователя объемного расхода теплоносителя, двух термопреобразователей сопротивления и блока обработки 1 2 3 5 4 Дт -1 Дт -2 Др Обратный трубопровод Подающий трубопровод Рис. 2.44 - Типовая структурная схема тепломера 256 сигналов типа БОС. В качестве преобразователя объемного расхода теплоносителя в электрический сигнал постоянного тока 0-5 мА используется электромагнитный расходомер. Диапазоны изменения температуры теплоносителя в прямом трубопроводе составляют 70-150 0 С, а в обратном - 30- 70 0 С. Разность температур теплоносителя в прямом и обратном трубопроводах находится в пределах от 30 до 100 0 С. Расходомеры, входящие в состав измерителя теплоты, поставляются с диаметром условного прохода 10, 15, 25, 50, 80, 100, 150, 200, 300 мм, они ус танавливаются в обратном трубопроводе и обеспечивают верхний предел измерения от 0,32 до 1000 м 3 / ч. На выходе БОС формируется электрический сигнал постоянного тока 0-5 мА, пропорциональный расходу теплоты. Допускаемая основная погрешнос ть теплосчетчиков данного типа составляет ±2,5 %. Допускаемая основная погрешность измерения расхода теплоты, определяемого по указателю расхода, равна ±10 %. Время установления рабочего режима теплосчетчиков 2 часа. К блоку обработки сигналов могут быть одновременно подключены последовательно один или несколько приборов с токовым входом, которые могут находиться на расстоянии до 1 км от блока, а их суммарное входное сопротивление, включая сопротивление линии связи, не должно превышать 2,5 кОм. Блоком обработки сигналов является аналоговое вычислительное и преобразующее устройство, основную функциональную нагрузку в нем несет измерительный мост, в котором производится математическая обработка информации, поступающей от датчиков. Последующие элементы схемы предназначены для преобразования формы информации к виду, удобному для представления, передачи и регис трации. Блок предназначен для щитового монтажа, на его лицевой панели установлены электромеханический счетчик и индикатор расхода теплоты. Преобразователь расхода предназначен для работы при температуре окружающего воздуха от -30 до +50 0 С с относительной влажнос тью до 95 %, а 257 блок БОС - для работы при температуре 5-40 0 С и относительной влажности до 80 %. В измерителяхтеплотытипаИРТ для измерения объемного расхода теплоносителя используется индукционный расходомер или дифманометр- расходомер, для измерения температуры прямого и обратного теплоносителя - термопреобразователи сопротивления. Блоком обработки сигналов является счетно-решающее устройство (УСР) дискретно-аналогового типа, выполненное на интегральных микросхемах, в котором производится математическая обработка сигналов, поступающих от датчиков. Для представления информации предусмотрены электромеханический счетчик, обеспечивающий цифровой отсчет количества теплоты, отпускаемой или потребляемой с сетевой водой, стрелочный индикатор и телеметрический преобразователь расхода теплоты. Кроме того, в измерителе исполнения «А» установлен блок выходного аналогового преобразователя для получения выходного унифицированного сигнала 0-5 мА. Модификации измерителя теплоты типа ИРТ приведены в таблице 4.3. Верхние пределы измерения объемного расхода теплоносителя составляют 1-1600 м 3 / ч. Основная приведенная погрешность всего комплекса не превышает ±3 %. Измеритель предназначен для работы при температуре окружающего воздуха 5- 35 °С и относительной влажности до 80 %. Таблица 4.3 - Характеристики измерителя теплоты типа ИРТ Температура теплоносителя, °С Модификация измерителя теплоты подающий трубопровод обратный трубопровод Допустимая разность температуры в прямом и обратном трубопроводах, °С ИРТ -31 70 - 150 30 - 70 20 - 100 ИРТ -32 50 - 115 30—70 10 - 45 Современные измерительные приборы тепловой энергии выпускаются с программируемыми вычислительными устройствами на базе 258 микропроцессорной техники. В этих приборах программным путем осуществляется коррекция измерений по плотности теплоносителя в зависимости от его температуры, т.к. непосредственное измерение плотности сетевой воды затруднительно и зависимость (4.37) заменена приближенной: b t a t m t k Q q O + + ⋅ − ⋅ ⋅ ≈ 1 2 1 ) ( , (4.39) где Q O - объемный расход теплоносителя; t 1 – температура подающего теплоносителя; k, a, b, m – программируемые коэффициенты. В случае, если давление сетевой воды в подающей и обратной линиях постоянно, а температура теплоносителя находится в пределах, указанных выше, то погрешность приближенных расчетов тепловой энергии обычно не превышает 0,2%. Программируемые теплосчетчики имеют также возможность архивации данных и отображения измеренных и вычисленных параметров за требуемый период времени 259 Контрольные вопросы 1. При помощи каких устройс тв определяют количество материальных потоков? Проведите их классификацию. 2. Какие приборы относятся к расходомерам переменного перепада давления? Запиш ите основное уравнение объемного (массового) расхода. 3. Какие сужающие устройства применяются при измерении расходов? Дайте их характеристику. 4. Основные требования к сужающим устройствам. Правила их установки в трубопроводах. 5. Покажите конструкцию трубки Пито. К какому типу расходомеров она может быть отнесена? 6. Какие параметры среды влияют на точнос ть измерения расхода? 7. Какие приборы относятся к расходомерам обтекания? Запишите уравнение ротаметра. 8. Какие приборы относятся к тахометрическим расходомерам и счетчикам? Дайте их краткую характеристику. 9. Объясните принцип дейс твия индукционных и ультразвуковых расходомеров. Для каких сред целесообразно их применение? 10. Покажите схему теплового счетчика и объясните принцип его работы. |