лекции по сухтп. В системы управления химикотехнологическими процессами значение автоматического управления для развития химической промышленности на современном этапе
 Скачать 2.38 Mb.
|
|
Рис. 5.78. Расходомеры переменного перепада давления: а — структура потока проходящего через диафрагму; б— распределение статического давления р вблизи диафрагмы по длине трубопровода; / — сужающее устройство (диафрагма); 2 — импульсные трубки; 3 — -образный дифманометр;— сечение потока вещества, в котором не сказывается возмущающее воздействие диафрагмы;— сечение потока вещества в месте его наибольшего сжатия; в — сопло; г — сопло Вентури В качестве сужающих устройств для измерения расхода жидкостей, газов, пара широко применяются стандартные сужающие устройства. К ним относят стандартную диафрагму, сопло ИСА 1932, трубу Вентури и сопло Вентури. Стандартная диафрагма (далее — диафрагма) — диск с круглым отверстием, имеющий острую прямоугольную входную кромку. Сопло ИСА 1932 (далее — сопло) — СУ с круглым отверстием, имеющее на входе плавно сужающийся участок с профилем, образованным двумя сопрягающимися дугами, переходящий в цилиндрический участок на выходе, называемый горловиной (рис. 78, в). Расходомерная труба Вентури (далее — труба Вентури) — СУ с круглым отверстием, имеющее на входе конический сужающийся участок, переходящий в цилиндрический участок, соединенный на выходе с расширяющейся конической частью, называемой диффузором.  Вентури — труба Вентури с сужающимся входным участком в виде сопла ИСА 1932 (рис. 78, г).Эти наиболее изученные средства измерения расхода и количества жидкостей, газа и пара могут применяться при любых давлениях и температурах измеряемой среды. Установим диафрагму в трубопроводе так, чтобы центр ее отверстия находился на оси трубопровода (рис. 78, а). Сужение потока вещества начинается до диафрагмы, на некотором расстоянии за диафрагмой поток достигает своего минимального сечения. Затем поток постепенно расширяется до полного сечения. На рис. 78, б изображено распределение давлений вдоль стенки трубопровода (сплошная линия), а также распределение давлений по оси трубопровода (штрихпунктирная линия). Давление потока около стенок трубопровода после СУ не достигает своего прежнего значения на величину— безвозвратной потери, обусловленной завихрениями, ударом и трением (затрачивается значительная часть энергии). Отбор статических давленийивозможен с помощью соединительных импульсных трубок 2, вставленных в отверстия, расположенные до и после диафрагмы / (рис. 78, а), а измерение перепада давления возможно с помощью какого-нибудь измерителя перепада давления (в данном случае -образного дифманометра 3). Сопло (рис. 78, в) конструктивно изготовляется в виде насадки с круглым концентрическим отверстием, имеющим плавно сужающуюся часть на входе и развитую часть на выходе. Профиль сопла обеспечивает практически полное сжатие потока вещества и поэтому площадь цилиндрического отверстия сопла может быть принята равной минимальному сечению потока, т. е.  . Характер распределения статического давленияв сопле по длине трубопровода такой же, как и у диафрагмы. Такой же и отбор давленийидо и после сопла, как и у диафрагмы.Сопло Вентури (рис. 78, г) конструктивно состоит из цилиндрического входного участка; плавно сужающейся части, переходящей в короткий цилиндрический участок; из расширяющейся конической части — диффузора. Сопло Вентури благодаря диффузору обладает меньшей потерей давления, чем диафрагма и сопло. Характер распределения статического давления в сопле Вентури по длине трубопроводатакой же, как и у диафрагмы и сопла. Отбор давлений иосуществляется с помощью двух кольцевых камер, каждая из которых соединяется с внутренней полостью сопла Вентури группой равномерно расположенных по окружности отверстий. Теперь уравнение объемного расхода для несжимаемой жидкости принимает вид:  С учетом введения поправочного коэффициента е, учитывающего расширение измеряемой среды, окончательно перепишем уравнение:  Для несжимаемой жидкости поправочный коэффициент е равен единице, при измерении расхода сжимаемых сред (газа, пара) поправочный коэффициенти определяется по специальным номограммам. Примечание Полученные уравнения применяются при значении скорости потока в СУ меньше критического, т. е. скорость потока должна быть меньше скорости звука в измеряемой среде. Если известны свойства вещества, диаметр трубопровода D, диаметр отверстия СУ d, перепад давленияна СУ, то можно рассчитать расход протекающего вещества по вышеприведенным основным формулам с использованием соответствующих графиков и таблиц. Если известны свойства вещества, материал и диаметр трубопровода Dи заданы минимальный и максимальный ожидаемые расходы этого вещества, то можно найти диаметр отверстия СУ, придерживаясь следующей процедуры. Достоинства измерения расхода по методу переменного перепада давления: простота, надежность, большая база экспериментальных данных. Недостатки измерения расхода по методу переменного перепада давления: значительные потери давления; износ входной кромки диафрагмы; большие длины прямых участков трубопроводов перед СУ. К основным недостаткам расходомеров с сужающими устройствами относят узкий диапазон измеряемых расходов (1:8). Основные погрешности, %: 1...3. 8.1.2. Измерение расхода с помощью напорных трубок Напорными трубками называют устройства для измерения величины и направления скорости, а также расхода жидкости или газа, действие которых основано на измерении давления в потоке. При измерении расхода с помощью напорных трубок, как и при измерении расхода с помощью сужающих устройств, используется метод переменного перепада давлений. Из напорных трубок наибольшее распространение получили кратко рассмотренные ниже трубки Пито, Прандтля, аннубар. Для измерения скорости потока существует большое количество модификаций трубки Прандтля (трубки Брабе, Лосиевского, Престона и др.). Для исследования полей скоростей в пограничном слое потока вязкой жидкости или газа вблизи твердой стенки применяется трубка Стэнтона, измеряющая скоростной напор в потоке с большим градиентом скорости. Трубка Пито Трубка Пито — Г-образная трубка для измерения динамического напора текущих жидкости или газа. Трубка датчика вводится через стенку основного трубопровода и направляется своим отверстием непосредственно навстречу потоку жидкости или газа (рис. 81). Этот датчик по своей сути играет роль ударного зонда, измеряющего полное давление в лобовой точке напорной трубки  , а второй зонд (статический датчик), измеряющий статическое давление (или гидродинамическое давление в невозмущенном потоке) , размещается непосредственно в стенке трубопровода. Динамическое давление (скоростной напор) определяется по разности ударного (полного) и статического давлений и связано со скоростью соотношением, полученным из уравнения Бернулли: где— скорость движения газа или жидкости в трубопроводе, м/с; — плотность газа или жидкости в рабочих условиях, кг/м3; и , Па.  Рис. 81. Схема трубки Пито Напорная трубка Прандтля Напорная трубка Прандтля (называемая также трубкой Пито— Прандтля, а иногда — трубкой Пито) позволяет одновременно измерять как полное, так и статическое давление в контролируемом потоке. Она представляет собой цилиндрическую трубку с полусферическим носиком, ось которой устанавливается вдоль потока. Через центральное отверстие на полусфере (критическая точка) измеряется полное давление  ; другое отверстие (или ряд отверстий) располагается на боковой поверхности трубки на расстоянии нескольких диаметров трубки от носика и служит для измерения статического давления. Геометрическая форма трубки Прандтля, форма отверстий и расстояние от них до носика трубки выбираются так, чтобы давление в боковых отверстиях по возможности мало отличалось от статического давления в исследуемой точке потока.Напорные трубки аннубар (annubar) Данные напорные трубки вставляются по диаметру трубы в протекающий поток. Отверстия расположены на двух сторонах трубки аннубар, как против течения, так и по нему. Эти отверстия соединены со сдвоенными усредняющими камерами. Число отверстий пропорционально диаметру трубы. Давление в камере, соединенной с отверстиями, направленными против течения, соответствует среднему значению скоростного напора. Давление в камере, соединенной с отверстиями, направленными по течению, соответствует среднему опорному давлению. Их разность дает точный и стабильный сигнал перепада давления, который пропорционален расходу. 8.2. Расходомеры постоянного перепада давления Расходомеры постоянного перепада давления относят к средствам измерения, называемым расходомерами обтекания. Принцип их действия основан на зависимости перемещения тела, воспринимающего динамическое давление обтекающего его потока, от расхода вещества. Предназначены для измерения плавно меняющегося объемного расхода однородных потоков чистых и слабо загрязненных жидкостей и газов. Простейшим и наиболее распространенным прибором постоянного перепада давления является ротаметр, предназначенный для измерения плавно меняющегося объемного расхода однородных потоков чистых и слабо загрязненных жидкостей и газов. Его действие основано на измерении вертикального перемещения чувствительного элемента (тела), зависящего от расхода среды и приводящего одновременно к изменению площади проходного сечения отверстия таким образом, чтобы перепад давления на чувствительном элементе остался постоянным. Противодействующая сила в расходомерах данного типа — сила тяжести чувствительного элемента, изготавливаемого в виде поплавка (или поршня).  Рис. 82. Схема ротаметра. Ротаметр (рис. 82) состоит из вертикальной конусной стеклянной трубки 1, внутри которой находится чувствительный элемент 2 — поплавок. Верхний его обод снабжен каналами с крутым наклоном. Под действием потока жидкости или газа поплавок вертикально перемещается и одновременно приходит во вращательное движение и центрируется в центре потока. При этом изменяется площадь кольцевого зазора между поплавком и внутренними стенками трубки. Перепад давления на поплавке определяется его массой. При постоянной массе поплавка площадь кольцевого зазора между поплавком и внутренними стенками трубки пропорциональна расходу вещества, протекающего по трубке. По перемещению поплавка ротаметра вдоль его шкалы, нанесенной на конусной стеклянной трубке, судят об объемном расходе в единицу времени (л/ч, м3/ч). Итак, представим, что поплавок под действием потока вещества поднялся на некоторую высоту в ротаметре и остановился во взвешенном состоянии в измеряемой среде. Рассмотрим силы, действующие на поплавок ротаметра. В положении равновесия сила, создаваемая измеряемой средой, протекающей через ротаметр и действующей снизу, уравновешивается силой, создаваемой массой поплавка, и силой, действующей сверху. Масса поплавка т (в кг) при полном погружении его в измеряемую среду определяется как  где — объем поплавка, м3; и— плотности материала, из которого изготовлен поплавок, и среды, протекающей через ротаметр, соответственно, кг/м3. Пренебрегая силами трения, запишем равновесие сил:  где— наибольшая площадь поперечного сечения поплавка, м2; и— давления измеряемой среды до (снизу) и после (сверху) поплавка соответственно, Па;— ускорение свободного падения, м/с2. Теперь определим из (5.88) перепад давления на поплавке Δр (Па):  Из полученного уравнения следует, что независимо от положения поплавка перепад давления на нем постоянен и не зависит от расхода измеряемой среды. Это объясняется постоянством скорости измеряемой среды при изменении ее расхода, что обусловлено изменением площади кольцевого зазора, между поплавком и трубкой. Зависимость положения поплавка от величины измеряемого расхода линейна, поэтому шкала ротаметра равномерна. Объемный расход жидкости и конструктивные параметры ротаметра связаны уравнением  где — площадь кольцевого зазора между поплавком и стенками ротаметра.  Рис. 83. Схема ротаметра с дифференциально-трансформаторным датчиком. Ротаметр, снабженный передающим преобразователем с электрическим выходным сигналом, показан на рис. 83. Ротаметр имеет металлический корпус, конический поплавок 1, перемещаемый внутри кольцевой диафрагмы с коническим отверстием 2 под действием потока жидкости, проходящего снизу вверх. При подъеме поплавка проходное отверстие между рабочей поверхностью поплавка и внутренней кромкой диафрагмы увеличивается пропорционально измеряемому расходу среды. Поплавок ротаметра жестко связан с сердечником 3 передающего дифференциально-трансформаторного преобразователя 4, надетого на разделительную трубку 5, изготовленную из немагнитной стали. 8.3. Объемные расходомеры и счетчики Принцип действия объемных счетчиков основан на отсчете количества определенных объемов, вытесняемых из измерительной камеры прибора под действием разности давлений на счетчике. По характеру движения измерительных элементов объемные счетчики подразделяются на счетчики с возвратно-поступательным движением (поршневые) и счетчики с вращательным движением (счетчики с овальными шестернями, ротационные и др.). 8.3.1. Счетчики с овальными шестернями Счетчики с овальными шестернями отсчитывают строго определенные объемы жидкости, проходящей через измерительную камеру, в которой вращаются овальные шестерни. Поток измеряемой жидкости, поступая в счетчик (рис. 84) через входной патрубок и проходя через измерительную камеру 1, теряет часть напора на создание крутящего момента, приводящего овальные шестерни 2 и 3 во вращение. В зависимости от положения шестерен 2 и J каждая из них попеременно является то ведущей, то ведомой. Измерение количества жидкости происходит за счет периодического отсечения определенных ее объемов 4, заключенных в полостях между поверхностью корпуса измерительной камеры и овальными шестернями. За один полный оборот шестерен отсекается четыре таких объема. По числу оборотов счетчик определяет суммарный объем прошедшей через прибор жидкости.   Рис. 84. Перемещение овальных шестерен объемного жидкостного счетчика. Хотя овальные шестерни вращаются не вполне равномерно, средняя угловая скорость их вращения пропорциональна расходу, т. е. счетчики с овальными шестернями можно использовать также для измерения объемного расхода. 8.3.2. Ротационные счетчики Действие ротационных счетчиков основано на том, что гладкие роторы лемнискатной формы под давлением измеряемого газа приходят в движение и при этом отмеривают определенные объемы газа (рис. 85). Роторные преобразователи в основном устанавливают на газопроводах. Выпускаются счетчики с электронным корректором, позволяющим получить результат измерений объема газа, приведенный к стандартным условиям. Ротационные счетчики монтируют как на горизонтальных, так и на вертикальных измерительных трубопроводах. Предпочтителен монтаж на вертикальных измерительных трубопроводах, особенно, для измерения количества загрязненного газа.  Рис. 85. Схема ротационного газового счетчика: 1, 2 — роторы лемнискатной формы; 3 — корпус 8.3.3. Скоростные счетчики Принцип действия скоростных расходомеров-счетчиков основан на измерении скорости вращения потоком (газа или жидкости) измерительной турбинки. Для бесперебойной работы счетчиков необходимо отсутствие завихрений в потоке, поступающем на турбинку. При использовании таких расходомеров-счетчиков число оборотов турбинки и пропорционально объему протекающей жидкости:  В скоростных аксиальных расходомерах-счетчиках ось вращения турбинки совпадает с направлением потока (рис. 86). В скоростных тангенциальных расходомерах-счетчиках поток, вращающий турбинку, направлен по касательной к окружности, описываемой средним радиусом турбинки (рис. 87).  |