учебный план по программе наладчик кипиа. НКИПИА курс лекций. Учебный план Предисловие тема системы автоматического контроля и основы метрологии
 Скачать 7.3 Mb.
|
|
§ 4.4. Измерение расхода методом переменного перепада давления Основы теории. Из парка существующих расходомеров около 80 % составляют расходомеры переменного перепада давлений. Такое широкое их применение объясняется невы- сокой стоимостью, простотой конструкции и эксплуатации, а также отсутствием необходимости в дорогостоящих об- разцовых установках для градуировки. Из более чем двух- сот типов используемых в мировой практике расходомеров эти расходомеры являются единственными нормализован- ными средствами измерения расхода. У нас в стране данные расходомеры нормализованы ГОСТ 8.563.3-97 ГСИ, кото- рый введен в действие взамен РД 50-213–80. Известно, что объемный расход вещества, протекающе- го по трубопроводу, определяется как произведение скоро- сти потока на площадь отверстия истечения F, т. е. Q = v × F. (4.12) Массовый расход получают умножением объемного расхода на плотность ρ жидкости, газа или пара, т. е. G = Q × ρ. (4.13) При прохождении вещества через сужающее устрой- ство, установленное в трубопроводе, скорость его увели- чивается. Это следует из условия неразрывности струи Q = v 1 × F = v 2 f, (4.14) где F и f — соответственно площади сечения трубопрово- да и сужающего устройства; v 1 и v 2 — средние скорости движения вещества в тру- бопроводе и в сужающем устройстве. Более высокая скорость v 2 по сравнению c v 1 обу- словлена переходом части потенциальной энергии потока в кинетическую. 78 Рис. 4.10. Вид потока и распределение давления при размещении сужающего устройства в трубопроводе Из уравнения (4.14) следует, что v 2 = (F/f) × v 1 , (4.15) т. е. при постоянном отношении F/f скорость v 2 тем боль- ше, чем выше скорость v 1 вещества в трубопроводе или чем больше расход. Отношение F/f называют модулем сужающего устройства и обозначают как m, т. е. m = f / F = d 2 / D 2 , (4.16) где d и D — соответственно диаметры проходных сечений сужающего устройства и трубопровода. Из уравнений (4.15) и (4.16) получим v = v 1 / m. (4.17) На рис. 4.10 показаны вид потока и изменение давления измеряемой среды при прохожде- нии ее через сужающее устройство. Если до сужающего устройства статическое давление в трубопроводе равно Р' 1 то в сужающем устрой- стве оно резко падает, затем постепенно воз- растает до нового уста- новившегося значения. При этом давление в трубопроводе за сужающим устройством не достигает значе- ния Р 1 , так как часть энергии расходуется на трение о стенки сужающего устройства и завихрения потока после сужающе- го устройства. Величина безвозвратных потерь равна Р п . Пе- ред сужением давление несколько возрастает до Р 1 , что обу- словлено сжатием потока перед сужающим устройством. 79 Минимальное давление Р' 2 наблюдается на некотором расстоянии от сужающего устройства. Давление в проходном сечении сужающего устройства равно Р 2 . Разность давлений Р 1 − Р 2 является перепадом, зависящим от расхода среды, протекающей через трубопровод. Найдем зависимость меж- ду перепадом давлений за сужающим устройством и рас- ходом. В соответствии с уравнением Бернулли для сече- ния I—I и II—II для горизонтального участка трубопровода (см. рис. 4.10) P / 2 / 2 P / 2 / 2 (4.18) или 2 2 1 2 2 2 P / P / 2 2 / 2, 1 1 2 2 2 1 где р 1 и р 2 — соответственно плотности измеряемой среды в сечениях I— I и II—II. Для несжимаемой жидкости р 1 = р 2 = р. Тогда P P 2 2 / 2. (4.20) 1 2 2 1 Из уравнения (4.16) следует, что v 1 = m ∙ v 2 . Подставляя в уравнение (4.20) значение v 1 из (4.16), получим P P 2 m 2 2 / 2 1 m 2 / 2 2 . (4.21) 1 2 2 2 2 Решая уравнение (4.21) относительно получим 2 1 / 1 m 2 2 P P / 1 2 (4.22) Измерить давление в сечении II—II практически невоз- можно. Перепад давлений обычно измеряют на участках трубопровода перед сужающим устройством и за ним, где перепад Р' 1 − Р' 2 отличается от рассматриваемого и не- сколько больше, чем Р 1 − Р 2 . Введя в уравнение (4.22) по- правочный коэффициент µ, получим 2 / (4.23) 1 m 2 2 P P / 1 2 80 Определение поправочного коэффициента μ в каждом конкретном случае практически не представляется возмож- ным. Он зависит от характера движения жидкости или га- за и является функцией критерия (числа) Рейнольдса Rе. Для различных типоразмеров сужающих устройств на ос- нове большого числа экспериментов найдены коэффи- циенты , равные первому члену правой части равен- ства (4.23), т. е. / 1 m 2 (4.24) Этот коэффициент, учитывающий расхождение между теоретической и действительной скоростями, называется коэффициентом расхода. Подставляя значение из урав- нения (4.24) в уравнение (4.23), получим 2 (2 / )(P 1 P 2 ), (4.25) где Р 1 и Р 2 — давление в трубопроводе по обе стороны сужающего устройства. В соответствии с (4.12) уравнения расхода для несжи- маемой жидкости в объемных (в м 3 /с) и массовых (кг/с) единицах будут соответственно иметь вид Q f 2/ (P 1 P 2 ); (4.26) Q м f где Р 1 и Р 2 — давления, Па; — плотность, кг/м 3 ; f — площадь, м 2 2 P 1 P 2 , (4.27) Коэффициент расхода является функцией модуля и кри- терия Рейнольдса, т. е. f m Re (4.28) При измерении расхода сжимаемых сред (газов и паров), особенно при больших перепадах давлений в сужающем 81 устройстве, необходимо учитывать уменьшение плотности , вызванное снижением давления при прохождении через сужающее устройство, поэтому массовый, а также объемный расход, отнесенный к начальному значению , несколько уменьшится. Время прохождения газов и паров через сужающее устройство настолько незначительно, что их сжатие и по- следующее расширение происходят практически без обме- на тепла с окружающей средой, т. е. адиабатически. По- этому уравнения расхода для газов и паров соответ- ственно в объемных и массовых долях имеют вид Q f Q м f 2/ P 1 P 2 ; 2 1 P 1 P 2 , (4.29) (4.29 a) где ε — поправочный множитель на расширение измеряе- мой среды, называемый коэффициентом расширения; P 1 — плотность потока перед входом потока в отвер- стие сужающего устройства. Уравнения (4.29) и (4.29 а) действительны до тех пор, пока скорость потока в сужающем устройстве остается меньше критической, т. е. меньше скорости звука в данной среде. Уравнения расхода для газов и паров отличаются от уравнений расхода для несжимаемой жидкости только коэффициентом ε. Значения коэффициента расширения с для различных сужающих устройств и разных случаев из- мерения даны в приложениях ГОСТ 8.563.3–97 ГСИ. Расходомер (рис. 4.11) состоит из следующих основных частей: измерительных участков трубопровода 1 до и после сужающего устройства; сужающего устройства 2; расходо- мерного дифференциального манометра 4; интегрирующе- го устройства 5, определяющего расход за определенный промежуток времени (смену, сутки); импульсных линий 3, 82 служащих для соединения с дифманометром измеритель- ных участков трубопровода. Рис. 4.11. Расходомер Требования к исполнению и монтажу измерительных участков трубопровода изложены в ГОСТ 8.563.3–97 ГСИ. Эти правила устанавливают требования к выполнению расходомерных устройств при их разработке, проектиро- вании, монтаже, эксплуатации и поверке. Стандартные сужающие устройства. К стандартным (нормализованным) сужающим устройствам относятся диафрагмы, сопла и трубы Вентури, удовлетворяющие требованиям ГОСТ 8.563.3–97 ГСИ. Они служат для изме- рения расхода вещества и не имеют индивидуальной гра- дуировки. Допустимые интервалы диаметров трубопрово- дов D и относительных площадей сужающих устройств m должны находиться в следующих пределах: 50 мм ≤ D ≤ 1 000 мм; 0,05 ≤ m ≤ 0,64 для диа- фрагм с угловым способом отбора перепада дав- лений; 50 мм ≤ D ≤ 760 мм; 0,04 ≤ m ≤ 0,56 для диафрагм с фланцевым способом отбора перепада давлений; 83 диаметр отверстия диафрагмы независимо от спо- соба отбора перепада давлений d ≥ 12,5 мм; 50 мм ≤ D; 0,05 ≤ m ≤ 0,64 для сопел в случае из- мерения расхода газа; 30 мм ≤ D; 0,05 ≤ m ≤ 0,64 для сопел в случае из- мерения расхода жидкости; 0,65 мм ≤ D ≤ 500 мм; 0,05 ≤ m ≤ 0,60 для сопел Вентури; диаметр отверстия сопел и сопел Вен- тури ≥15 мм; 50 мм ≤ D ≤ 1 400 мм, 0,10 ≤ m ≤ 0,60 для труб Вентури. В случае измерения расхода газа отношение абсолютных давлений на выходе из сужающего устрой- ства и входе в него должно быть больше или равно 0,75. При измерении расхода газов и жидкостей допускается приме- нять как угловой, так и фланцевый способы отбора перепада дав- лений на диафрагмах и угловой способ отбора на соплах. Камерные диафрагмы (рис. 4.12, 4.13) применяют для установки в трубопроводах диаметром D 20 до 500 мм. Стандартные камер- ные диафрагмы обозначаются ДК, а дисковые ДН. Обычно в обоз- начении диафрагм после букв указывают максимальное услов- ное давление Р у , на которое рас- считана диафрагма. Например, ДК6 (на 6 кгс/см 2 ). Рис. 4.12. Основные геометрические размеры камерных стандартных диафрагм 84 Диафрагмы предназначены для измере- ния расхода жидкостей, газов, пара по ме- тоду переменного перепада давления с ис- пользованием стандартных сужающих уст- ройств по ГОСТ 8.563.1–97, ГОСТ 8.563.2–97, ГОСТ 8.563.3–97. Приборы используются в комплекте с преобразователями разности давления или дифманометрами. Диафрагмы, камерные и бескамерные, устанавливаются во фланце- вых разъемах трубопроводов. Диафрагмы могут комплектоваться сосудами: уравнительными конденсационными (СКМ), предназначен- ными для поддержания постоянства и равенства уровней конденсата в системе, передающей перепад давления от диафрагм к дифманометрам; уравнительными (СУМ), предназначенными для дифмано- метров при измерении уровня жидкости и перепада давления или расхода с температурой свыше 100 °С; разделительными (СР), предназначенными для защиты внутренних полостей дифманометров от непосредственного воздействия измеряемых агрессивных сред путем передачи измеряемого давления через разделительную жидкость Перепад давлений при фланцевом способе отбора следует измерять через отдельные цилиндрические отверстия. Стандартные сопла могут применяться без индиви- дуальной градуировки в трубопроводах D 20 ≥ 50 мм при условии, что 0,05≤ m ≤0,65. Сопла особенно удобны для измерения расхода газов и перегретого пара, если [(Р 1 − Р 2 ) / Р 2 ] <0,1, а также для измерения расхода пара высокого давления и агрессивных газов в трубопроводах диаметром D 20 ≤ 200 мм. По срав- нению с диафрагмами они менее чувствительны к кор- розии, загрязнениям и обеспечивают несколько большую точность измерения. Рис. 4.13. Диафрагма камерная моделей ДКС 0,6–200, ДКС 0,6–225, ДКС 0,6–250, ДКС 0,6–300, ДКС 0,6–350 85 Принцип действия заключается в следующем: в трубо- проводе, по которому протекает жидкое или газообразное вещество, устанавливается диафрагма, создающая местное сужение потока. Вследствие перехода части потенциаль- ной энергии давления в кинетическую среднюю скорость потока в суженном сечении становится меньше статиче- ского давления перед сужающим устройством. Разность этих давлений (перепад давления) тем больше, чем больше расход протекающего вещества. Стандартные сопла Вентури могут применяться без ин- дивидуальной градуировки для диаметров трубопроводов Д 20 > 50 мм при 0,05 < m < 0,6 и при d 20 ≥ 20 мм. Сопло Вентури (рис. 4.14) состоит из профильной вход- ной части, цилиндрической средней части и выходного ко- нуса. Сопло Вентури может быть длинным и коротким: у первого наибольший диаметр выходного конуса равен диаметру трубопровода, у второго — меньше. Перепад давлений следует измерять через кольцевые камеры. Рис. 4.14. Основные геометрические параметры сопел Вентури: I — короткое; II — длинное для т < 0,444, при т > 0,444 профиль выполняется аналогично соплу с т < 0,444 Стандартные трубы Вентури можно применять в трубо- проводах диаметром от 100 до 800 мм при условии, что 0,2≤ m ≤0,5. Труба Вентури называется длинной, если наибольший диаметр выходного конуса равен диаметру 86 трубопровода, или короткой, если указанный диаметр меньше диаметра трубопровода. Давления в горловине и входном патрубке следует отби- рать через отверстия в стенках и через усредняющие камеры. К преимуществам труб Вентури следует отнести мень- шую потерю давления по сравнению с потерями в сужаю- щих устройствах других типов. Расходомерные дифманометры. Расходомерные диф- манометры обычно устанавливают совместно с диафраг- мами, перепад давления на которых однозначно связан с расходом среды, протекающей по трубопроводу. На рис. 4.15 показана принципиальная схема дифмано- метра типа ДСП-3, предназначенного для непрерывного преобразования расхода водорода, кислорода, оксидов азо- та. Дифманометр ДСП-3 с унифицированным выходным сигналом состоит из измерительного блока ИБ и пнев- матического преобразователя ПИП. Измерительный блок имеет плюсовую и минусовую камеры, разделенные осно- ванием 7. В камерах расположены чувствительные элемен- ты — сильфоны 1 и 5 диаметром 20 мм. Сильфоны с одной стороны жестко связаны с основанием, а с другой — с клапанами 2 и 6, снабженными уплотняющими резиновы- ми кольцами. Внутренняя полость 4 узла сильфонов запол- нена кремнийорганической жидкостью. Изменение объема жидкости, вызванное колебаниями температуры, восприни- мается компенсационным сильфоном 3. Вывод с рычага 8 из основания уплотнен мембраной 9. Две упругие ленты удерживают рычаг 8 от осевого перемещения при воз- действии на мембрану рабочего давления. Рычаг 8 при по- мощи рычага 10 связан с пневмосиловым преобразовате- лем ПИП. Измеряемый перепад давления (Р2 − Рі) восприни- мается сильфонами 1 и 5 и преобразуется в пропорцио- нальное усилие, которое при помощи рычагов 11 и 12 87 пневмосилового преобразователя уравновешивается уси- лием F сильфона обратной связи 17. При изменении измеряемого перепада давления изме- няется усилие N, происходит незначительное перемещение рычажной системы и заслонки 14 индикатора рассогласо- вания 15. Индикатор рассогласования преобразует это пе- ремещение в управляющий сигнал давления сжатого воз- духа на выходе усилителя 16. Выходной сигнал усилителя 16 поступает в линию ди- станционной передачи и в сильфон обратной связи 17. Значение выходного сигнала Р вых , пропорциональное из- меряемому перепаду давления, изменяется винтом настрой- ки 13. В расходомерах переменного перепада давлений при- меняют механические, электрические и пневматические счетчики. Рис. 4.15. Дифманометр ДСП-3 88 На рис. 4.16 показана принципиальная схема пневмати- ческого интегрирующего прибора типа ПИК-1. Действие интегрирующего прибора основано на принци- пе силовой компенсации. Усилие на приемном элементе- сильфоне 1, возникающее от входного пневматического сигнала, непрерывно уравновешивается усилием, развивае- мым центробежным регулятором 7, установленным на ро- торе 8. Скорость ротора (и центробежного регулятора), при- водимого во вращение струей сжатого воздуха, вытекающе- го из разгонного сопла 6 пневмореле 5, зависит от давления в системе «сопло — заслонка» (3, 4), зазор которой пропор- ционален перемещению приемного сильфона. Рис. 4.16. Принципиальная схема пневматического интегрирующего прибора типа ПИК-1 При определенной скорости вращения, соответствую- щей измеряемому расходу, силы, приложенные к рычагу 2 со стороны сильфона и со стороны центробежного регуля- тора, уравновешиваются. Вращение ротора центробежного регулятора передается на ось счетчика 9. Скорость вращения ротора связана линейной зависимо- стью с расходом, в то время как сигнал от дифманометра, 89 поступающий на вход интегратора, находится в квадра- тичной зависимости от расхода. В приборе происходит ав- томатическое извлечение корня в следующем порядке. Выходной сигнал, а следовательно, и сила со стороны приемного сильфона, связаны квадратичной зависимостью с расходом Q Р = f (Q 2 ). (4.29) Центробежная сила, а следовательно, и усилие центро- бежного регулятора, связаны квадратичной зависимостью со скоростью вращения ротора w N = f (Q 2 ). (4.30) Но, как указывалось выше, эти силы при установившем- ся вращении равны: Р = N; следовательно, расход линейно связан со скоростью вращения ротора Q = f (w). (4.31) Показания счетчика при любом максимальном расходе, соответствующем входному давлению 100 кПа, в течение 1 ч. изменяются на 120 единиц. Поэтому, чтобы найти ис- тинный расход за любой промежуток времени, необходимо разность показаний счетчика, снятую за этот период вре- мени, умножить на коэффициент, величина и размерность которого должны соответствовать шкале. Для более точного снятия показаний в приборе имеется диск точного отсчета, один оборот которого соответствует единице счетчика. Основные правила установки и эксплуатации расходо- меров. Заполнение дифманометра уравновешивающей жид- костью, его монтаж и подключение к соединительным линиям для измерения перепада давлений на сужающем устройстве следует производить в соответствии с руководством по мон- тажу и эксплуатации прибора, а также по требованиям ГОСТ 8.563.3–97 ГСИ. Выбор дифманометра по параметрам окружающей среды и его применение для заданных рабочих 90 условий измерения расхода должны соответствовать требова- ниям технической документации завода-изготовителя. Допускается подключение к одному сужающему устрой- ству двух и более дифманометров; при применении интегри- рующих дифманометров одновременная их работа не допус- кается. Допускается подключение соединительных линий од- ного дифманометра к соединительным линиям другого диф- манометра и подключение манометра к «плюсовой» импуль- сной линии дифманометра, если это не оказывает влияния на процесс измерения. Соединительные линии для подключения элементов телемеханики должны быть проложены отдельно от других соединительных линий по кратчайшему расстоя- нию вертикально или с уклоном к горизонтали не менее 1:10. Длина линий не должна превышать наибольшей допустимой длины, указанной в руководстве по монтажу и эксплуатации дифманометра. Соединительные линии должны быть защи- щены от действия внешних источников тепла или холода. При измерении расхода горячего вещества (t ≥100 °С) необходимо обеспечить равенство температур в обеих со- единительных линиях. Соединительные линии должны про- кладываться таким образом, чтобы исключить в них скоп- ление воздушных пузырьков (при измерении расхода жид- кости) и конденсата (при измерении расхода газа или пара). Для этих целей на соединительных линиях рекомендуется устанавливать газосборник или отстойные сосуды. При из- мерении расхода агрессивных сред передача измеряемого давления должна осуществляться через разделительную жидкость, заливаемую в дифманометр. Жидкость служит для защиты внутренних полостей дифманометров от воз- действия измеряемой среды. В этом случае на участках со- единительных линий между дифманометром и сужающим устройством подключают разделительные сосуды. Кон- струкции разделительных сосудов и схемы их установок следует выбирать по ГОСТ. 91 Требования к соединительным линиям для газов. При измерении расхода газа дифманометр рекомендуется уста- навливать выше сужающего устройства (рис. 4.17, а). При расположении дифманометра ниже сужающего устрой- ства должны предусматриваться отстойные сосуды в низших точках соединительных линий (рис. 4.17, б). Для горизонтальных трубопроводов соединительные линии следует подключать к верхней половине сужающего устройства. При измерении расхода пара должно быть обеспечено по- стоянство и равенство уровней конденсата в обеих соедини- тельных линиях. Это достигается размещением вблизи сужа- ющего устройства уравнительных конденсационных сосудов, которые вместе с участками соединительных линий между сосудами и дифманометром заполняют конденсатом (водой). Рис. 4.17. Схемы соединительных линий при измерении расхода газа: 1 — сужающее устройство; 2 — продувочный вентиль; 3 — вентиль; 4 — дифманометр; 5 — отстойный сосуд Трубки, соединяющие сужающее устройство с сосуда- ми, на участках вблизи сосудов должны располагаться 92 Рис. 4.18. Схемы соединительных линий при измерении расхода пара: 1 — сужающее устройство; 2 — уравнительный сосуд: 3 — вентиль; 4 — продувочные вентиль; 5 — отстойный сосуд; 6 — дифманомегр; 7 — газосборник; 5 — трубка для слива конденсата; 9 — термоизоляция горизонтально и на одном уровне. Эти трубки должны быть термоизолированы. Дифманометр следует располагать ниже сужающего устройства (рис. 4.18, а). При Р > 0,2 МПа допускается уста- навливать дифманометр выше сужающего устройства (рис. 4.18, б). Данная схема применима также при располо- жении дифманометра ниже сужающего устройства на рас- стоянии не более 1,5 м. 93 Схема, приведенная на рис. 4.18, в, допустима при Р ≤ 0,2 МПа и расстоянии между трубопроводом и сосуда- ми не более 4 м. При этом трубки, соединяющие сужаю- щее устройство с сосудами, должны иметь внутренний диаметр не менее 25 мм. Указанные трубки, а также сосу- ды должны быть термоизолированы. Требования к соединительным линиям для жидкостей. При измерении расхода жидкости дифманометр рекоменду- ется устанавливать ниже сужающего устройства. Соедини- тельные линии на всем протяжении должны иметь уклон в одну сторону. В случае расположения дифманометра выше сужающего устройства в высших точках линий необходимо помещать газосборники. Для горизонтальных трубопроводов соединительные линии следует подключать к нижней поло- вине сужающего устройства. Перед дифманометром реко- мендуется устанавливать отстойные сосуды (на схемах пока- заны пунктиром). Применение сосудов обязательно, если из измеряемой жидкости выпадают осадки. При измерении расхода горячих жидкостей в соедини- тельные линии следует включать уравнительные сосуды, обеспечивающие равенство плотностей жидкости в трубах, соединяющих сосуды с прибором. § 4.5. Расходомеры постоянного перепада давлений Наиболее распространенными прибора- ми этой группы являются расходомеры со свободно перемещающимся в корпусе по- плавком (ротаметры). Принципиальная схема ротаметра пока- зана на рис. 4.19. Рис. 4.19. Схема работы ротаметра 94 Проходящий через ротаметр снизу поток жидкости или га- за поднимает поплавок вверх до тех пор, пока расширяющаяся кольцевая щель между телом поплавка и стенками конусной трубки не достигнет такой величины, при которой действую- щие на поплавок силы уравновешиваются и он останавливает- ся на той или иной высоте в зависимости от величины расхо- да. При неизменном расходе поплавок неподвижен. В работающем ротаметре поплавок полностью погру- жен в измеряемую среду. Вес погруженного поплавка G 1 определяется уравнением G 1 = V п g (ρ п − ρ c ), (4.32) где V п — объем поплавка; ρ п и ρ с — плотности поплавка и измеряемой среды со- ответственно; g — ускорение свободного падения. Сила G 2 , действующая на поплавок со стороны измеря- емого потока, равна G 2 = (P 1 − Р 2 ) F 0 , (4.33) где Р 1 и Р 2 — давления среды перед поплавком и за ним; F 0 — наибольшее поперечное сечение поплавка. В состоянии равновесия (поплавок неподвижен) G 1 = G 2 , т. е. или V п g (ρ п − ρ с ) = (Р 1 − Р 2 ) F 0 (4.34) P 1 − Р 2 = V п g(ρ п − ρ с ) / F 0 (4.35) Из полученного уравнения видно, что независимо от положения поплавка перепад давлений на нем постоянен и не зависит от измеряемого расхода. Это объясняется по- стоянством скорости измеряемой среды при изменении ее расхода, что обусловлено изменением площади кольцевого зазора между поплавком и трубкой. Зависимость положения поплавка от измеряемого расхода линейна. Этим и опреде- ляется равномерность шкалы ротаметра. 95 Ротаметры выполняются стеклянной или металличе- ской трубкой. На рис. 4.20 показан ротаметр со стеклянной конической трубкой 3, закрепленной в двух металлических головках 1 и 6, снабженных сальниками и фланцами для включения в вертикальный участок трубопровода. Головки стянуты одна с другой несколькими тягами 4, образую- щими вместе с поперечными тя- гами 5 защитную решетку вокруг стеклянной трубки. Внутри трубки 3 свободно пе- ремещается поплавок 2, имеющий форму волчка. В нижней голов- ке находится седло, на которое опускается поплавок при прекра- щении потока. Верхняя головка снабжена ограничителем хода поплавка. Седло и ограничитель хода не позволяют поплавку вый- ти за пределы стеклянной трубки. Шкала 7 прибора вытравлена на самой стеклянной трубке, отсчет ведут по верхней горизонтальной плоскости поплавка. В верхней части поплавка ча- сто делают косые прорези, кото- рые позволяют поплавку вра- щаться вокруг вертикальной оси. При вращении поплавок центрируется внутри трубки, не соприкасаясь со стенками, его чувствительность повыша- ется. Ротаметры со стеклянной трубкой изготавливают на давление, не превышающее 600 кПа. При более высоком давлении измеряемой среды, а также для измерения расхо- да пара применяют ротаметры с металлической трубкой. Рис. 4.20. Ротаметр со стеклянной трубкой 96 Во взрывоопасных и пожароопасных условиях для из- мерения расхода применяют ротаметры с пневматической дистанционной передачей (рис. 4.21). Прибор состоит из двух основных частей: собственно ротаметра и механизма пневматической дистанционной передачи. Собственно ротаметр имеет конический поплавок 1, диафрагму 2 и цилиндрическую металлическую трубку 3 из стали Х18Н9Т. Имеются модели ротаметров с поплав- ком, перемещающимся внутри конусной трубки. На штоке 4 закреплены два цилиндрических постоянных магнита 5, обращенные один к другому одноименными полюсами. Рис. 4.21. Ротаметр с пневматической дистанционной передачей: 1 — поплавок; 2 — диафрагма; 3 — цилиндрическая металлическая трубка; 4, 25 — штоки; 5 — внутренние магниты; 6 — трубка из немагнитного материала; 7 — наружные магниты; 8, 12 — рычаги; 9 — стрелка; 10 — тяга; 11 — угловой рычаг; 13, 19 — челноки; 14 — сопло; 15 — демпфер; 16, 22 — манометры; 17 — дроссель постоянного сечения; 20 — выходное сопло; 21 — камера; 23 — шкала; 24, 26, 28 — сильфоны 97 Магниты перемещаются вместе с поплавком внутри труб- ки 6, выполненной из немагнитного материала. Снаружи трубку 6 охватывает вилка, составленная из двух плоских укрепленных на рычаге 8 магнитов 7. Перемещение поплавка через магнитную муфту, образованную внутренними магни- тами 5 и наружными магнитами 7, и рычаг 8 передается стрелке 9, показывающей величину расхода на шкале 23. Механизм пневматической дистанционной передачи со- стоит из пневмопреобразователя, работающего по принци- пу компенсации перемещений, и пневмореле. Ротаметры этого типа изготовляют на рабочее давление 6,4 МПа; ос- новная погрешность не превышает 3 % от максимального деления шкалы. Универсальное исполнение данного прибора позволяет использовать различные типы присо- единений в соответствии с различными стандар- тами. Стеклянный измерительный конус, защи- щенный металлическим рукавом со смотровым стеклом, позволяет напрямую снимать показа- ния расхода и наблюдать за средой. Данный прибор подходит для измерения рас- хода газов в соответствии с DVGW G260, что подтверждается сертификатом испытательной станции DVGW Института по исследованию газовых отопительных систем в г. Эссене. Характеристики прибора: простой и дешевый принцип измерения: измерение расхо- да и отображение результатов не требует вспомогательного источника питания; аналоговый сигнал 4–20 мА, используемый для записи или управления; соединения из нержавеющей стали (остальные материа- лы — опционально); Рис. 4.22. Ротаметр в стеклянномкорпусе VA 40 98 На рис. 4.23 приведена принципи- альная схема ротаметра с электриче- ской дифференциально-трансформа- торной системой передачи показаний на расстояние. Измерительная часть прибора изготовлена в виде металли- ческого цилиндра 1, в который поме- щена диафрагма 2. Внутри диафрагмы перемещается конусный поплавок 3, жестко соединенный со штоком 4; на верхнем конце штока укреплен сер- дечник 5 дифференциально-трансфор- маторного преобразователя. Сердеч- ник находится внутри разделительной трубки 6, на которую надета катушка преобразователя. Бесшкальные рота- метры работают в комплекте с вто- ричными дифференциально-трансфор- маторными приборами. резьбовое, шланговое, фланцевое, клеммное соединения; температура процесса от −20 до +100 °C; рабочее давление до 7/10 бар (в зависимости от DN); верхний предел измерения для жидкостей — от 0,4 до 10 000 л/ч (вода — 20 °C); верхний предел измерения для газов — от 7 до 310 000 л/ч (воздух — 20 °C, 1,013 бар); 2 предельных переключателя; погрешность 1,0 % от измеренного значения в соответ- ствии с VDI/VDE 3513-2 (qG = 50 %); применение во взрывоопасных зонах (ATEX); специальное исполнение для пищевой и фармацевтической промышленности; гладкая поверхность из нержавеющей стали; детали, контактирующие со средой, имеют параметр шеро- ховатости < 0,8 мкм, благодаря чему на них практически не образуются отложения и они легко очищаются. Рис. 4.23. Ротаметр с дифференциально- трансформаторным преобразователем 99 Ротаметры с электрической дифференциально-трансфор- маторной системой изготовляют на рабочее давление 6,2 МПа. Основная погрешность комплекта (преобразовате- ля и вторичного прибора) составляет 3 % от верхнего пре- дела измерения. Представляет собой стандартный ротаметр для технологических процессов и сектора про- изводства изделий для изготовителей ком- плектного оборудования. В ротаметре измере- ние расхода жидкостей и газов механическим методом сочетается с высокотехнологичными коммуникационными возможностями. Модуль- ная концепция прибора предполагает возмож- ность дооснащения. Возможно дооснащение дополнительными модулями электроники или их замена в любое время без прерывания техно- логического процесса. Таким образом, его фун- кциональное наполнение адаптируется к новым требованиям: от аналогового измерения расхо- да без дополнительного электропитания до цифровой интеграции в шинную систему. Прибор H250 M40 изготавливается из различных материалов и доступен в разнообразных версиях. Прочный цельнометаллический расходомер может также применяться в условиях высокого давления (до 1000 бар изб. / 14500 фунт/кв. дюйм изб.), высоких температур (от −196 до +400 °C / от −320 до +752 °F) или для агрессивных рабочих сред. Он даже позволяет осуществлять монтаж на горизонтальных или нисходящих трубопроводах диаметром до DN150/6". Также доступна специальная версия для использования в гигиенических применениях. Прибор выполнен в искробезопасном и взрывозащищенном исполне- нии. Некоторые версии расходомера с предельным выключателем или аналоговым выходным сигналом подходят для использования в авто- матизированных системах безопасности. Отличительные особенности прибора: простой и экономически эффективный монтаж, возмож- ность измерения и индикации без дополнительного источ- ника питания; уникальная модульная концепция и удобство обслужива- ния: предельные выключатели, двухпроводная технология Рис. 4.24. Ротаметр H250 M40 100 4–20 мА, сумматор с ЖК-дисплеем и импульсным выхо- дом, промышленные протоколы связи; универсальная концепция взрывозащиты: взрывонепрони- цаемость и искробезопасность; различные материалы изготовления первичного преобразо- вателя: нержавеющая сталь и сплавы; опционально доступный корпус из нержавеющей стали для коррозионно-активных сред; степень пылевлагозащиты IP66 и IP68 / NEMA4X и NEMA6, опционально IP69K; верхний предел измерений для жидкостей 10–120 000 л/ч / 5–32 000 гал/ч; верхний предел измерений для газов 0,7–2 800 м 3 /ч / 25–100 000 станд. куб. фут/ч динамический диапазон регулирования 10:1 (опционально 100:1); погрешность ±1,6 %; подходит для использования в автоматизированных систе- мах безопасности; доступно гигиеническое исполнение для применения в пи- щевой и фармацевтической промышленности. Типичные сферы применения прибора: химическая и иные перерабатывающие отрасли промыш- ленности; работа с присадками (например, катализаторы, ПАВ, инги- биторы пенообразования, эмульгаторы); работа с кислотами, щелочами, фосгеном и иными хлор- содержащими и серосодержащими веществами; работа с конденсатом и охлаждающей водой; инертизация азотом резервуаров и емкостей; выборочный контроль расхода для анализа технологиче- ского процесса; барботирование газа в жидкостях; нефтегазовая промышленность. 101 § 4.6. Прочие расходомеры Электромагнитные расходомеры. Эти расходомеры подразделяются на приборы с электромагнитным преобра- зователем расхода и приборы с электромагнитными преоб- разователями скорости потока. Приборы с электромагнит- ным преобразователем расхода основаны на взаимодействии движущейся жидкости с маг- нитным полем. Это взаимодей- ствие подчиняется закону Фа- радея, согласно которому в жидкости, пересекающей маг- нитное поле, индуцируется ЭДС, пропорциональная скоро- сти движения жидкости. Принципиальная схема элек- тромагнитного расходомера по- казана на рис. 4.25. Трубопровод с перемещающейся в нем жидкостью помещен в магнитное поле. Трубопровод изго- товляют из изоляционного материала: для этой цели исполь- зуют фторопласт, эбонит, резину и другие материалы в зави- симости от свойств измеряемой жидкости. Известно, что в движущемся проводнике, пересекаю- щем силовые линии магнитного поля, индуктируется элек- тродвижущая сила, величина которой определяется по формуле Е = В l v, (4.36) где Е — индуктируемая в проводнике ЭДС; В — магнитная индукция; 1 — длина проводника; v — скорость движения проводника. Рис. 4.25.Электромагнитный расходомер 102 В случае измерения расхода жидкости можно записать E = B d v cp , (4.37) где d — внутренний диаметр трубопровода; v cp — средняя скорость протекания жидкости через поперечное сечение трубы в зоне, индуктируемой ЭДС. Следовательно, электромагнитный расходомер является по существу генератором, в котором проводником, пере- мещающимся в магнитное поле, служит электропроводная жидкость. Проводимость жидкости должна быть не ниже 10 −5 …10 −6 См, что соответствует проводимости водопро- водной воды. В стенки трубопровода диаметрально противоположно в одном поперечном сечении введены электроды (заподлицо с внутренним диаметром трубы). К электродам подключают какой-либо высокочувствительный измерительный при- бор, шкала которого градуирована в единицах скорости или единицах расхода. Измерительный прибор выбирают с большим входным сопротивлением в соответствии с нера- венством Z вх >> Z ж , где Z вх — входное сопротивление измерительного прибора; Z ж — сопротивление жидкости между электродами. Практически независимость показаний расходомера от плотности, температуры и электропроводности жидкости определяется выбранной величиной отношения Z вх / Z ж Чем больше это отношение, тем выше точность расходо- мера в большом интервале измерения температуры, плот- ности, вязкости и электропроводности жидкости. Расход Q определяется по формуле Q = F × v, (4.38) где F — поперечное сечение трубы. 103 В качестве измерительного прибора можно использо- вать потенциометры или милливольтметры. Комплект общепромышленного электромагнитного рас- ходомера (ЭМР) состоит из преобразователя расхода и изме- рительного блока. Конструктивно преобразователь вклю- чает два узла — трубу и электромагнит. Преобразователь со- держит также контур для подавления трансформатор- ной ЭДС. Электромагнитные расходомеры имеют ряд преиму- ществ. Прежде всего, они практически безынерционны, что очень важно при измерении быстроизменяющихся расходов и при использовании их в системах автоматиче- ского регулирования. Результат измерения не зависит от наличия взвешенных частиц в жидкости и пузырьков газа. Показания расходомера не зависят от свойств измеряемой жидкости (вязкости, плотности) и от характера потока (ла- минарный, турбулентный). Вследствие линейной зависимости возникающей ЭДС от расхода шкала вторичного прибора линейна. Электро- магнитные расходомеры обеспечивают измерение расхода в интервале 1–2 500 м 3 /ч и более при трубопроводах с внутренним диаметром от 10 до 300 мм при линейной скорости движения жидкости (v сp ) от 0,6 до 10 м/с. Промышленность выпускает ЭМР с различными электро- магнитными полями возбуждения. Расходомеры типов ИР- 51, ИР-51А, 4-РИМ, 5-РИМ имеют равномерное магнит- ное поле возбуждения. Это обеспечивает независимость по- казаний от профиля распределения скорости при асим- метричном потоке. Расходомеры типов «Индукция-51» и «Индукция-М» имеют неоднородное магнитное поле воз- буждения. Основная погрешность, считаемая от верхнего предела измерения по токовому выходному сигналу рас- ходомеров типов ИР-51, ИР-51А, «Индукция-51» (с Dу до 300 мм), равна ±1 %. 104 Электромагнитный расходомер Tidalflux с встроенной бесконтактной системой из- мерения уровня обеспечивает точность изме- рения расхода в частично заполненных трубах. Tidalflux обеспечивает надежность измере- ний при заполнении поперечного сечения тру- бы от 10 до 100 %. Вмонтированные в трубу датчики уровня не входят в контакт с жидко- стью и поэтому нечувствительны к жиру или маслу, находящимся на поверхности. Прибор применяется для частично запол- ненных труб при измерении расхода стоков, ливневых стоков, фекальных и хи-мических стоков. Может применяться для трубопрово- дов до DN1600/64". Преимущества прибора: высокая износостойкость и устойчивость к химическому воздействию; измерения возможны при заполнении измерительной трубы от 10 до 100 %; бесконтактная система контроля уровня заполнения изме- рительной трубы, нечувствительная к загрязнениям; измерительные электроды располагаются ниже 10 % уровня за- полнения, поэтому загрязнение становится маловероятным; прибор не требует калибровки по месту эксплуатации. Технические характеристики: погрешность от ±1 %; условный диаметр 200–1800 мм; футеровка из полиуретана; электроды «Хастеллой» C22, нержавеющая сталь; температура среды от −5 до +60 °C; выходные сигналы: токовый, импульсный, состояния, HART®, FF, Profibus PA, DP, Modbus. Области применения прибора: в качестве замены дорогих конструкций с сифонными тру- бами для частично заполненных труб; работы на объектах водопользования, при обработке сточ- ных и поверхностных вод; работа с биологическими и химическими сточными водами. Рис. 4.26. Электро- магнитный расходомер Tidalflux 2300 C для измерения расхода в частично-заполненных трубопроводах 105 Турбинные расходомеры. Турбинный расходомер — счетчик газа «Тургас», предназначен для измерения объ- емного расхода и учета объемного количества природного горючего газа (метана). Он основан на принципе вращения натекающим потоком газа измерительной крыльчатки. Уг- ловая скорость крыльчатки преобразуется в электрические импульсные сигналы, частота следования которых про- порциональна объемному расходу. Комплект расходомера счетчика «Тургас» состоит из турбинного преобразователя (датчика) объемного расхода ПРГ и электронного блока измерения. Ряд приборов включает пять типоразмеров преобра- зователей по пределам измерения: ПРГ-100, ПРГ-200, ПРГ-400, ПРГ-800 и ПРГ-1600. Конструкция преобразова- теля типа ПРГ-400 показана на рис. 4.27. Рис. 4.27. Преобразователь-счетчик «Тургас» (пояснения в тексте) 106 Преобразователь расхода представляет собой цилин- дрический корпус 1 с фланцами, в проточной части кото- рого последовательно по потоку расположены передний направляющий аппарат 18 и опора 16, внутри которой проходит вал 14 с двумя парами подшипников. На каждой паре вращаются измерительная и приводная винтовые крыльчатки 13 и 17. Далее установлен задний направляю- щий аппарат 12. Втулка 11 к 19 служат для стягивания в осевом направлении узлов к деталям проточной части ПРГ. Проточная часть разделена на два тракта: основной канал 6, в котором вращается измерительная крыльчатка, и концентрично основному байпасный канал 7, в котором расположена приводная крыльчатка. Система труб 5, 9, 10 вместе с впускным штуцером 4 служит для подачи масла к подшипникам, для этого вместо пробки 3 на период смазки устанавливают масленку. Во входной части корпуса ПРГ находится металлическая сетка 2. Измерительная крыльчатка 13 расположена в зоне магнитоиндукционного преобразователя (расположен на корпусе ПРГ) и является чувствительным элементом при преобразовании скорости потока газа в электрические им- пульсы. Приводная крыльчатка 17 расположена в байпас- ном канале и служит для вращения вала 14, с которым она жестко связана. На радиально расположенных лопастях опоры 16 перед крыльчаткой 13 установлено кольцо 8, которое выполняет функции элемента, улучшающего при его обтекании газо- вой средой характеристику прибора, что обусловлено воз- действием определенным образом кольца 8 на вращение крыльчатки 13. Трубка 15 служит для сбора и слива из- лишков масла из зоны подшипников. Средний ресурс расходомера-счетчика не менее 10 000 ч. Вероятность безотказной работы за 2 000 ч. составляет 0,95. 107 Ультразвуковые расходомеры. Эти расходомеры ос- нованы на смещении ультразвуковых колебаний движу- щейся жидкостью. В трубопроводе установлены два источника и два при- емника ультразвуковых колебаний частотой 1–3 МГц. Ес- ли жидкость в трубопроводе неподвижна, то при скорости ультразвука с длительность прохождения импульса равна t = l × c, (4.42) где l — расстояние между излучателями и приемниками ультразвука. При перемещении жидкости со скоростью v время про- хождения ультразвука по направлению потока t 1 и навстречу ему t 2 составит откуда t 1 = l 1 (c + v); t 2 = l 2 (c − v), ∆t 1 − t 2 = 2lυ / с 2 (4.43) Эта разность времени прохождения импульсов по пото- ку и против потока является мерой расхода. Приборы данного типа применяют для измерения расхо- да пульп при малых диаметрах трубопроводов (от 10 мм) и скоростях потоков не менее 0,02 м/с. 108 Счетчик предназначен для измере- ния расхода питьевой воды, горячего и холодного водоснабжения, теплофи- кационной воды, сточных вод, нефте- продуктов и других жидкостей, проте- кающих по одной (двум) металличе- ским напорным, полностью заполнен- ным трубопроводам. Ультразвуковой расходомер РУС-1 работает от сети переменного напряже- ния 220 В. Используется для измерения расхода холодной и горячей воды, сто- ков, других жидких сред, в том числе для технологического учета нефтепро- дуктов. Максимальный диаметр трубопро- вода — 1 800 мм. Прибор может по- ставляется как вместе с УПР (отрезком трубы с установленными датчиками), так и в беструбном варианте (электронный блок с датчиками) для самостоятельной врезки в дей- ствующий трубопровод. При этом необходимо иметь соответствую- щие приспособления — монтажные комплекты типа ПР. Эта модель расходомера отличается простотой настройки, мини- мумом необходимых опций. Обычно используется как самостоятель- ный прибор для измерения расхода, например, на магистральных тру- бопроводах хозяйственно-питьевой воды или в составе теплосчетчи- ков. Электронный блок расходомера отображает на индикаторе мгно- венный потребляемый расход, накопленный объем за все время рабо- ты, время работы в нормальном режиме. Выходные сигналы: частотно- импульсный 0–1000 (0–125; 0–4) Гц, опционально — токовый выход 4–20 (0–20; 0–5) мА. Расходомер РУС-1 может обслуживать до двух трубопроводов, производится в раздельном исполнении, электронный блок может установлен в помещении оператора за 200 метров от первичного пре- образователя (УПР). Рис. 4.28. Ультразвуковой расходомер-счетчик РУС-1 |