Расходометры

 

РАСХОДОМЕРЫ

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Значение счетчиков и, особенно расходомеров жидкости, газа и пара очень велико. Расходомеры необходимы прежде всего для управления производством. Без них нельзя обеспечить оптимальный режим технологических процессов в энергетике, металлургии, в химической, нефтяной, целлюлозно-бумажной и многих других отраслях промышленности. Эти приборы требуются также для автоматизации производства и достижения при этом максимальной его эффективности.

Расходомеры нужны для управления самолетами и космическими кораблями, для контроля работы оросительных систем в сельском хозяйстве и во многих других случаях. Кроме того, они требуются для проведения лабораторных и исследовательских работ.

Счетчики  жидкости и газа необходимы для учета  массы или объема нефти, газа и  других веществ, транспортируемых по трубам и потребляемых различными объектами. Без этих измерений очень трудно контролировать утечки и исключать потери ценных, продуктов. Снижение погрешности измерений хотя бы на 1 % может обеспечить многомиллионный экономический эффект.

Расход — это количество вещества, протекающее через данное сечение в единицу времени.

Прибор, измеряющий расход вещества, называется расходомером, а массу или объем  вещества — счетчиком количества или просто счетчиком (ГОСТ 15528-86). Прибор, который одновременно измеряет расход и количество вещества, называется расходомером со счетчиком. К этим терминам следует добавлять название измеряемого вещества; например: расходомер газа, счетчик воды, расходомер пара со счетчиком

Устройство, непосредственно воспринимающее измеряемый расход (например, диафрагма, сопло, напорная трубка) и преобразующее его в другую величину (например, в перепад давления), которая удобна для измерения, называется преобразователем расхода.

В настоящее время к расходомерам и счетчикам предъявляется много требований, удовлетворить которые совместно достаточно сложно и не всегда возможно.

Имеются две группы требований. К первой группе относятся индивидуальные требования, предъявляемые к приборам для  измерения расхода и количества; высокая точность, надежность, независимость результатов измерения от изменения-плотности вещества, быстродействие и значительный диапазон измерения. Ко второй группе относятся требования, которые характеризуют всю группу расходомеров и счетчиков; необходимость измерения расхода и количества очень разнообразной номенклатуры вещества о отличающимися свойствами, различных значений расхода от очень малых до чрезвычайно больших и при различных давлениях и температурах.

Рассмотрим  основные требования.

1) Высокая точность измерения — одно из основных требований, предъявляемых особенно к счетчикам и дозаторам. Если раньше погрешность измерения в 1,5 —2 % считалась нормальной и достаточно удовлетворительной, то в настоящее время нередко требуется иметь погрешность не более 0,2 —0,5 %. Повышение точности достигается как за счет применения новых прогрессивных методов и приборов (тахометрических, электромагнитных, ультразвуковых и т.п.), так и за счет совершенствования старых классических методов. К числу наиболее точных относятся камерные счетчики жидкости (в частности, с овальными шестернями и лопастные). Погрешность первых не более 0,5 %, а вторых даже не более 0,2 % от измеряемой величины. Расходомеры и счетчики о сужающими устройствами менее точны. Снижение их погрешности достигается с помощью износоустойчивых диафрагм, а также при повышении точности дифманометров и применении вычислительных устройств для учета изменения плотности вещества.

2) Надежность (наряду с точностью) — одно из главных требований, предъявляемых к расходомерам и счетчикам количества. Основным показателем надежности является время, в течение которого прибор сохраняет работоспособность и достаточную точность. Это время зависит как от устройства прибора, так и от его назначения и условий применения.

Тахометрические приборы, элементы которых при измерении непрерывно движутся, имеют меньший срок службы. Так, у турбинных расходомеров износ оси и опор будет тем меньше, чем лучше смазывающая способность измеряемого вещества и чем оно чище. Для повышения надежной работы этих расходомеров необходимо применение фильтров или других очистных устройств. В технических условиях на некоторые тахометрические расходомеры турбинного типа указывается шестилетний срок нормальной работы.

3) Большой диапазон измерения (Q_max/Q_min) необходим, когда значения расхода могут изменяться в значительных пределах. У приборов с линейной характеристикой, например электромагнитных, этот диапазон равен восьми — десяти. У расходомеров с сужающими устройствами он очень мал и равен трем. Повысить его до девяти-десяти можно путем подключения к сужающему устройству двух дифманометров с разными Dp_max. У тепловых расходомеров можно посредством изменения мощности нагревателя получить многопредельную шкалу с очень большим общим диапазоном измерения. /1/

1. Классификация.

Существующие расходомеры и  счетчики количества можно условно  разделить на приведенные ниже группы.

А. Приборы, основанные на гидродинамических  методах:

1) переменного перепада  давления,

2. переменного уровня,
3. обтекания,
4. вихревые,
5. парциальные.

Б. Приборы с непрерывно движущимся телом:

6. тахометрические,
7. силовые (и в том числе вибрационные),
8. с автоколеблющимся телом.

В. Приборы, основанные на различных физических явлениях:

9. тепловые,
10. электромагнитные,
11. акустические,
12. оптические,
13. ядерно-магнитные,
14. ионизационные.

Г. Приборы, основанные на особых методах:

15. меточные,
16. корреляционные,
17. концентрационные.

Рассмотрим те виды расходомеров, которые наиболее часто используются в практике: расходомеры перепада давления, электромагнитные, турбинные, вихревые, ультразвуковые. /1/

2. Расходомеры переменного перепада давления.

1. Метод переменного перепада давлений.

Метод переменного перепада давлений основан на использовании сужающего  устройства (диафрагма, сопло, труба  Вентури и т.п.), создающего перепад  давления, измеряемый дифференциальным манометром прямого или уравновешивающего преобразования.

Объемный Q_o и массовый Q_M расходы выражаются соответственно формулами:

 (1)

 (2)

где F₀ — площадь отверстия сужающего устройства; a — его коэффициент расхода; (p₁-p₂) — перепад давлений; r — плотность вещества. Для получения линейной зависимости между показаниями расходомера и измеряемым расходом перепад давлений удобно измерять при помощи дифференциального манометра с ферродинамическим обратным преобразователем, уравновешивающая сила которого пропорциональна квадрату тока в его обмотках. Более точными являются расходомеры, в которых разность давлений Dр, создаваемая сужающим устройством, уравновешивается давлением, создаваемым компрессором (рис. 1)

Поскольку давление, развиваемое компрессором К, пропорционально квадрату частоты вращения его ротора, то частота вращения двигателя Д, измеряемая тахометром Т, пропорциональна расходу, а общее число оборотов ротора, определяемое счетчиком Сч, указывает на количество вещества, прошедшего через трубопровод.

Метод переменного перепада давлений является одним из наиболее распространенных методов измерения расхода жидких и газообразных веществ, находящихся  при давлениях до 100 МПа и температурах до нескольких сотен градусов. Метод позволяет независимо градуировать сужающие устройства и дифференциальные манометры. /2/

Рис. 1. Схема преобразователя переменного перепада давления.

 

В зависимости от принципа действия преобразователя расхода данные расходомеры подразделяются на шесть самостоятельных групп, внутри которых имеются конструктивные разновидности преобразователей.

1) Расходомеры с сужающими устройствами — важнейшие среди расходомеров переменного перепада давления. Они уже давно нашли применение в качестве основных промышленных приборов для измерения расхода жидкости, газа и пара. Они основаны на зависимости от расхода перепада давления, создаваемого сужающим устройством, в результате которого происходит преобразование части потенциальной энергии потока в кинетическую. Имеется много разновидностей сужающих устройств. Так, на рис. 2, а и б показаны стандартные диафрагмы, на рис. 2, в — стандартное сопло, на рис. 2, г, д, е — диафрагмы для измерения загрязненных веществ — сегментная, эксцентричная и кольцевая. На следующих семи позициях рис. 2 показаны сужающие устройства, применяемые при малых числах Рейнольдса (для веществ с большой вязкостью); так, на рис. 2, ж, з, и изображены диафрагмы — двойная, с входным конусом, с двойным конусом, а на рис. 2, к, л. м, н — сопла — полукруга, четверть круга, комбинированное и цилиндрическое. На рис. 2, о изображена диафрагма с переменной площадью отверстия, автоматически компенсирующая влияние изменения давления и температуры вещества. На рис. 2, п, р, с, т приведены расходомерные трубы — труба Вентури, сопло Вентури, труба Далла и сопло Вентури с двойным сужением. Для них характерна очень малая потеря давления.

Рис. 2. Первичные преобразователи расходомеров переменного перепада давления.

 

2) Расходомеры с гидравлическим сопротивлением основаны на зависимости от расхода перепада давления, создаваемого гидравлическим сопротивлением. Режим потока в таком сопротивлении стремятся создать ламинарным, с тем чтобы перепад давления был бы пропорционален расходу. Применяются подобные расходомеры преимущественно для измерения малых расходов, когда сопротивлением является одна или несколько капиллярных трубок (рис. 2, у). Для больших расходов применяют иногда сопротивления о шариковой (рис. 2, ф) или другой набивкой.

3) Центробежные расходомеры созданы на основе зависимости от расхода перепада давления, образующегося в закруглении трубопровода в результате действия центробежной силы в потоке. В качестве преобразователей применяется колено (рис. 2, x) или (значительно реже) кольцевой участок трубы (рис. 2, ц). Чаще всего они служат для измерения расхода воды и реже — газа.

4) Расходомеры с напорным устройством, в котором создается перепад давления в зависимости от расхода в результате местного перехода кинетической энергии струи в потенциальную. На рис. 2, ч показан преобразователь, состоящий из трубки Пито и трубки для отбора статического давления, а на рис. 2, ш — преобразователь с дифференциальной трубкой Пито, в которой имеются отверстия для отбора полного и статического давлений. Кроме этих преобразователей, служащих для измерения местной скорости, встречаются преобразователи с осредняющими (или интегрирующими) напорными трубками. Обычно усреднение полного давления ведется по диаметру (рис. 2, щ) или по радиусу, а при сильно деформированных потоках — по двум перпендикулярным диаметрам. В соответствующих трубках имеется ряд отверстий для приема полного давления. Использование осредняющих напорных трубок особенно целесообразно для измерения расхода воды и газа в трубопроводах большого диаметра. Кроме того, предложены кольцевая вставка (рис. 2, э) для усреднения давления по кольцевой площади и напорное поворотное крыло с двумя отверстиями (рис. 2, ю), ориентированными различным образом к потоку.

5) Расходомеры с напорным усилителем имеют преобразователь расхода, в котором сочетаются напорное и сужающее устройство. Перепад давления в них создается как в результате местного перехода кинетической энергии струи в потенциальную, так и частичного перехода потенциальной энергии в кинетическую. Соответствующие преобразователи показаны: на рис. 2, я (сочетание диафрагмы и трубки Пито), на рис. 2, a (комбинация трубок Пито и Вентури) и на рис. 1, b (сдвоенная трубка Вентури).

Напорные  усилители применяются в основном при небольших скоростях газовых потоков, когда перепад давления, создаваемый напорными трубками, не достаточен.

6) Расходомеры ударно-струйные основаны на зависимости от расхода перепада давления, возникающего при ударе струи. Струя, вытекающая из суженного отверстия входной трубки, создает давление p₁ во внутренней полости сильфона, снаружи которого действует меньшее давление p₂, равное давлению уходящей жидкости в выходной трубке. Ударно-струйные расходомеры применяются лишь для измерения малых расходов жидкости и газа. /1/

2. Расчет диафрагм и сопел

Приводимые далее расчетные  формулы (равно как и методы расчета) справедливы для любых сужающих устройств, и в том числе, для  стандартных диафрагм и сопел, но, разумеется, числовые значения коэффициентов  расхода a и поправочных множителей e на изменение плотности газа и пара будут различны для разных сужающих устройств.

Учитывая, что площадь круглого отверстия  сужающего устройства F₀ = pd²/4 и Dp = p₁ — p₂, а также производя соответствующую подстановку в формулы расхода (1),(2), получим значения Q_м и Q_о в виде: