ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА И КОЛИЧЕСТВА ВЕЩЕСТВА Расход

ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА И КОЛИЧЕСТВА ВЕЩЕСТВА

Расход – это количество вещества, протекающее через сечение трубопровода в единицу времени. Расход подразделяют на объемный Q 0 и массовый Qм. Прибор, измеряющий количество вещества, протекающее через данное сечение трубопровода за некоторый промежуток времени, называют счетчиком. Расход и количество газов измеряют в основном объемным методом. Для получения сравнимых результатов измерения необходимо объем газа привести к нормальным условиям: 273 К, 101324 Па при нулевой относительной влажности.

Для пересчета объема сухого газа V к нормальным условиям (Vн) используют следующую зависимость: где К – коэффициент, учитывающий отклонение реального газа от идеального (коэффициент сжимаемости газа). При давлении, не превышающем 0, 49 МПа и температуре, не превышающей 50 0 С, этот коэффициент практически равен единице. На плотность газа заметно влияет влагосодержание. Плотность влажного газа в рабочем состоянии:

МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ВЕЩЕСТВА • переменного перепада давления; • постоянного перепада давления; • переменного уровня; • скоростного напора; • электромагнитный; • тахометрический; • ультразвуковой; • колебательный; • прямой массового расхода; • термический.

РАСХОДОМЕРЫ ПЕРЕМЕННОГО ПЕРЕПАДА ДАВЛЕНИЯ Из всего существующего парка расходомеров около 80% составляют расходомеры переменного перепада давления. Такое широкое их применение объясняется их низкой стоимостью, простотой конструкции и эксплуатации. Для градуировки не требуются дорогостоящие образцовые установки. Расходомеры переменного перепада давления являются единственными нормализованными средствами измерения из всех используемых в мировой практике. В нашей стране этот тип расходомеров нормализован руководящим документом РД-50 -213 -80, введенным в действие с 1983 года. Измерение расхода по методу переменного перепада давления основано на изменении потенциальной энергии (статического давления) вещества, протекающего через местное сужение в трубопроводе. Измерение расхода по методу переменного перепада давления осуществляют косвенным путем, измеряя перепад (разность) статических давлений на специальном сужающем устройстве.

РАСХОДОМЕРЫ ПЕРЕМЕННОГО ПЕРЕПАДА ДАВЛЕНИЯ • Таким образом, при протекании вещества через сужающее устройство создается перепад давления, зависящий от скорости потока и, следовательно, от расхода вещества: • Численное значение расхода вещества может быть определено по перепаду давления , измеренному дифференциальным манометром. На практике вместо измеряют перепад давления непосредственно у торцов сужающего устройства, т. е.

РАСХОДОМЕРЫ ПЕРЕМЕННОГО ПЕРЕПАДА ДАВЛЕНИЯ При измерении расхода по методу переменного перепада давления необходимо соблюдать следующие условия: • Протекающее вещество должно полностью заполнять все сечение трубопровода и сужающего устройства. • Поток в трубопроводе должен быть практически установившимся (отсюда вытекают требования к месту установки сужающего устройства на трубопроводе – необходим прямой участок до и после сужающего устройства). • Фазовое состояние веществ не должно изменяться при прохождении их через сужающее устройство.

РАСХОДОМЕРЫ ПЕРЕМЕННОГО ПЕРЕПАДА ДАВЛЕНИЯ • Массовый и объемный расход газов и жидкостей может быть получен из уравнения Бернулли и уравнения неразрывности потока: • где P перепад давления на сужающем устройстве, Па; • d – диаметр сужающего устройства при температуре измеряемой среды, м; • α – коэффициент расхода, учитывающий неравномерное распределение скоростей по сечению потока. Это обусловлено вязкостью жидкости (газа) и трением о стенки трубопровода, измерением давления не в центре потока, а на периферии, а также введением в уравнение расхода площади сечения сужающего устройства, а не площади наименьшего сечения потока; • ε – поправочный множитель на расширение измеряемой среды; • ρ – плотность измеряемой среды в рабочих условиях.

СТАНДАРТНЫЕ СУЖАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА К стандартным (нормализованным) сужающим устройствам относятся диафрагмы, сопла и трубы Вентури, удовлетворяющие требованиям Правил РД 50 213 80 и применяемые для измерения расхода вещества без индивидуальной градуировки. • Диафрагма. Наиболее простое и распространенное сужающее устройство, применяется в трубопроводах с диаметром от 50 мм • Сопло. Стандартное сопло применяют без индивидуальной градуировки в трубопроводах от 50 мм и выше с модулем от 0, 05 до 0, 64. При одних и тех же значениях m и ΔР и прочих равных условиях сопло позволяет измерять больший расход, чем диафрагма, и обеспечивает более высокую точность измерений, особенно при малых значениях m.

ДИАФРАГМА

НЕСТАНДАРТНЫЕ СУЖАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА На практике часто приходится измерять расход при малых числах Рейнольдса (вязкие жидкости, нагретые газы, движущиеся с малой скоростью, и т. д. ). Из числа исследованных (но не стандартизованных!) сужающих устройств наиболее часто применяют сдвоенные диафрагмы, диафрагмы с коническим входом, сегментные диафрагмы. Сдвоенная диафрагма состоит из двух стандартных диафрагм с различными диаметрами, установленных на небольшом расстоянии одна от другой. Основной диафрагмой, по диаметру которой рассчитывают расход, является вторая, меньшая. Сдвоенная диафрагма образует своего рода сопло с жидкой стенкой, способствующее возникновению в сужающем устройстве турбулентного движения Для сдвоенной диафрагмы недостаточная острота входной кромки и шероховатость трубопровода практически не влияют на коэффициент расхода. Единственный недостаток – сложность и громоздкость узла.

ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА МЕТОДОМ ПОСТОЯННОГО ПЕРЕПАДА ДАВЛЕНИЯ • В таких приборах имеется подвижный элемент (поплавок или поршень), который перемещается потоком измеряемого вещества, в результате чего изменяется площадь проходного сечения. Изменение площади проходного сечения происходит так, что разность давлений на подвижном элементе (перепад давления) остается практически постоянной. Противодействующей силой в расходомерах этого вида является сила тяжести подвижного элемента.

ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА ПО СКОРОСТНОМУ НАПОРУ Измерение расхода по скоростному (динамическому) напору основано на измерении скорости потока и расчете расхода по известному поперечному сечению трубопровода. Преимуществом такого метода является возможность определения скоростей локальных участков и областей потока простыми измерительными средствами. В любом сечении движущегося потока согласно уравнению Бернулли полное давление Рп складывается из суммы статического Рст и динамического Рд давлений. Динамическое давление, характеризующее кинетическую энергию движущегося потока, в идеальном случае определяется по формуле где ρ плотность движущейся среды в рабочих условиях, кг/м 3; w скорость потока, м/с. Следовательно, определение скорости сводится к измерению динамического напора, равного разности между полным и статическим давлениями, и расчету скорости по уравнению

ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА ПО СКОРОСТНОМУ НАПОРУ

ТАХОМЕТРИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА И КОЛИЧЕСТВА Тахометрический метод нашел широкое применение для измерения расходов холодной и горячей воды, кислот, щелочей, жидких продуктов нефтеперегонки, газов и других веществ, химически не действующих на рабочие части приборов. В методе используется тахометрический преобразователь расхода, в котором скорость движения чувствительного элемента, взаимодействующего с потоком, зависит от расхода вещества. Момент на подвижной части этих устройств создается за счет кинетической энергии самого измеряемого потока. Скоростные счетчики применяют для измерения количества жидкости при температурах до 90 °С и давлениях до 1, 6 МПа. Принцип действия основан на суммировании числа оборотов помещенного в поток чувствительного элемента за определенный промежуток времени. В качестве чувствительного элемента в скоростных счетчиках применяются вертикальные (аксиальные) или горизонтальные (тангенциальные) вертушки (турбинки). Частота вращения вертушки пропорциональна средней скорости потока, а следовательно, и объемному расходу. Число оборотов суммируется счетным механизмом, а количество жидкости в единицах объема указывается счетным устройством.

ТАХОМЕТРИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА И КОЛИЧЕСТВА Объемные счетчики, обладающие большей точностью, чем скоростные, применяют для измерения веществ с повышенной вязкостью (до 300 с. Ст) и высоким температурами (до 170 0 С). Расход протекающей жидкости измеряется отдельными, равными объемами, вытесняемыми из измерительной камеры прибора под действием разности давлений на счетчике. Число пропущенных доз суммируется и указывается указателем счетного механизма. Тахометрические устройства для измерения расхода подразделяются на турбинные и шариковые. По принципу действия эти устройства мало отличаются от обычных скоростных счетчиков. Отличаются эти приборы способом преобразования скорости числа оборотов вертушки в электрический сигнал. Измерение числа оборотов может быть осуществлено электромагнитным, фотоэлектрическим, радиоактивным и другими способами

СХЕМЫ ТАХОМЕТРИЧЕСКИХ РАСХОДОМЕРОВ

ШАРИКОВЫЕ РАСХОДОМЕРЫ Жидкость приобретает угловую скорость ω, пропорциональную объемному расходу Q 0 где d диаметр входных отверстий; n число отверстий; R радиус окружности, на которой расположены оси входных отверстий.

ТУРБИННЫЙ РАСХОДОМЕР

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ РАСХОДОМЕРЫ • Электромагнитные или индукционные расходомеры применяют для измерения расходов жидкостей или пульп, обладающих достаточной электропроводностью (0, 01 10 Ом/м) при температуре от 40 до + 180 0 С. • Достоинством их является отсутствие каких либо движущихся или неподвижных элементов, вносимых в движущийся поток и способных влиять на скорость и создавать потерю давления. Такие расходомеры позволяют измерять потоки невзрывоопасных электропроводных жидкостей, растворов, мелкодисперсионных пульп, агрессивных кислот (кроме 98 % азотной и плавиковой) и других веществ вплоть до жидких металлических теплоносителей типа натрия. Существует два вида электромагнитных расходомеров: работающие при постоянном или при переменном магнитном поле.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ РАСХОДОМЕРЫ Принцип действия их основан на законе электромагнитной индукции, с помощью которой осуществляют прямое преобразование скорости измеряемого потока в электрический сигнал. Так, при движении электропроводной жидкости, пересекающей магнитное поле (как для случая проводника), в ней будет наводиться электродвижущая сила (ЭДС). Величину ЭДС, индуктируемой в потоке, определяют по формуле: где В магнитная индукция, Тл; D диаметр преобразователя (расстояние между электродами ), м; wср усредненная по сечению скорость в канале, м/с Q 0 - расход, м 3/ч.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ РАСХОДОМЕРЫ

Турбинные расходомеры

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ РАСХОДОМЕРЫ Электромагнитные расходомеры с постоянным магнитным полем имеют ряд достоинств: • отсутствие специального источника питания, • безопасность в работе, • большое быстродействие по сравнению с расходомерами с переменным магнитным полем, • меньшая чувствительность к помехам со стороны внешних электрических полей. К основным недостаткам таких расходомеров относятся • явление поляризации (за счет электролиза при протекании постоянного тока) • трудность усиления постоянного тока, особенно при большом внутреннем сопротивлении самого преобразователя.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ РАСХОДОМЕРЫ Постоянный ток, являясь причиной электролиза, приводит к выделению на электродах газов, и изменению сопротивления цепи. На электродах при электролизе выделяются ионы, имеющие разные знаки. За счет этого в цепи возникает электрохимическая разность потенциалов, направленная навстречу основной ЭДС, что ведет к нарушению градуировки прибора и дополнительной погрешности. Более широкое распространение получили индукционные расходомеры с переменным магнитным полем. Эффект поляризации в расходомерах с переменным магнитным полем меньше и проявляется в виде образования на электродах двойного слоя зарядов, что эквивалентно некоторой емкости (≈10 40 мк. Ф), включенной последовательно в цепь датчика. Влияние поляризации падает с повышением частоты и увеличением входного сопротивления усилителя, что использовано при разработке конструкции (использован катодный повторитель с большим входным сопротивлением). Основным недостатком данных расходомеров является высокая чувствительность к помехам от переменных электромагнитных полей и поэтому применяют экранирование основных элементов преобразователя и некоторых узлов измерительного блока.

УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ РАСХОДОМЕРЫ ДОПЛЕРОВСКИЙ РАСХОДОМЕР Излучатель посылает ультразвуковую волну с частотой f и скоростью с ее распространения в жидкости. Она отражается от пузырьков, частиц или маленьких вихрей в жидкости, которые двигаются со скоростью потока v. Скорость ультразвуковой волны относительно таких частиц равна (с + vcos ), и, таким образом, видимая частота будет равна (с + vcos ) f /c. Частицы, отражающие ультразвуковые волны, действуют как передатчик, движущийся со скоростью v относительно приемника. Скорость этих волн относительно приемника равна (с - vcos ),

УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ РАСХОДОМЕРЫ Разность частот здесь пропорциональна скорости потока и, следовательно, также объемному расходу. Ультразвуковые расходомеры относительно дешевые. Их точность в лучшем случае достигает ± 5%. Поэтому такие устройства чаще используются просто для индикации потока или его появления. Если приход импульса использовать для включения передачи следующего импульса, то разницу этих частот, таким образом, можно определить как:

ВРЕМЯПРОЛЕТНЫЙ РАСХОДОМЕР

ВРЕМЯПРОЛЕТНЫЙ РАСХОДОМЕР Прибор состоит из пары ультразвуковых приемопередатчиков по одному с каждой стороны трубы, через которую протекает жидкость. Скорость ультразвуковой волны в одном направлении равна (с + vcos ), а в другом направлении — (с - νcos ), где с — скорость звука в покоящейся жидкости. Время, необходимое для прохода ультразвукового импульса в одном направлении, равно L/(с + vcos ), а в другом направлении — L/(с - vcos ).

ВРЕМЯПРОЛЕТНЫЙ РАСХОДОМЕР КОРРЕЛЯЦИОННЫЙ РАСХОДОМЕР Этот метод предполагает, что в потоке жидкости существу ют случайные флуктуации, такие как турбулентность, пузырьки или частицы. Одним из средств определения флуктуации является ультразвук. Любые флуктуации, проходя между излучателем и прием ником, воздействуют на принимаемый сигнал, изменяя его амплитуду и фазу. Сигналы, принимаемые двумя приемниками, после усиления и фильтрации поступают на коррелятор. Последний вычисляет взаимнокорреляционную функцию двух сигналов.

КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ РАСХОДОМЕРЫ ВИХРЕВОЙ РАСХОДОМЕР Когда поток жидкости обтекает тело, слои жидкости, прилегающие к поверхности тела, замедляются. Для обтекаемого тела эти пограничные слои следуют за контуром тела до места их встречи за объектом. В этом случае в потоке возникают небольшие возмущения. Для плохо обтекаемых тел пограничные слои отрываются от тела намного раньше и создают большие возмущения в потоке. Когда пограничный слой отходит от поверхности тела, он закручивается в вихри. Они генерируются попеременно с верхней и нижней поверхности тела. В результате возникают два параллельных ряда вихрей, движущихся вниз по потоку с одинаковым расстоянием между вихрями в каждом ряду. Таким образом, для любого плохо обтекаемого тела частота генерируемых вихрей прямо пропорциональна расходу жидкости. Вихревые расходомеры применяются и для жидкостей, и для газов. Они не чувствительны к изменениям плотности, температуры или давления, имеют точность ± 1% и используются при давлении до 10 МПа и температуре до 200°С.

ВИХРЕВОЙ РАСХОДОМЕР

ВИХРЕВОЙ РАСХОДОМЕР Имеется много методов для измерения частоты вихрей. Например, термистор может быть размещен на передней поверхности плохо обтекаемого тела. Термистор, нагретый протекающим через него током, чувствует вихри благодаря эффекту охлаждения при контакте с ними, что создает изменение сопротивления термистора. В другом методе вихри ока зывают воздействие на луч ультразвуковой волны. Полученное в результате изменение амплитуды этой волны может быть зафиксировано. Еще одним вариантом такого детектора является пьезоэлектрический кристалл, смонтированный в плохо обтекаемом теле. Упругая диафрагма реагирует на возмущения давления, генерируемые вихрями, и они воспринимаются пьезоэлектрическим кристаллом. Существует разновидность системы с пьезоэлектрическим датчиком, вмонтированным во второе плохо обтекаемое тело, расположенное ниже по потоку по отношению к первому.

ПРЯМЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ МАССОВЫХ РАСХОДОВ КОРИОЛИСОВЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ МАССОВОГО РАСХОДА На тело массой М, движущееся с постоянной линейной скоростью v и одновременно вращающееся с угловой скоростью ω, действует сила инерции, направленная под прямым углом к направлению движения, известная как сила Кориолиса. Основной элемент Кориолисового измерителя массового расхода — это С образная трубка, через которую протекает жидкость. На трубку и жидкость внутри нее действует угловое ускорение от вибраций, создаваемых магнитом, смонтированным на закругленной части трубки, и катушки, укрепленной на конце Т образной рессоры. Колебания рессоры приводят трубку в колебательный режим. Кориолисовые расходомеры могут применяться как для жидкостей, так и для газов, выдавая измерение с точностью ± 0. 5%. Они не чувствительны к изменениям температуры и давления.

КОРИОЛИСОВЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ МАССОВОГО РАСХОДА Результирующие силы Кориолиса на жидкость в двух ветвях, таким образом, противоположны по направлению и приводят ветви к смещению. Когда направление угловой скорости меняется, эти силы также меняют направление и ветви смещаются в противоположную сторону. Величина этих смещений пропорциональна массовому расходу жидкости через трубу. Смещения регистрируются при помощи оптических преобразователей. Их выходной сигнал представляет собой импульс, длительность которого пропорциональна расходу жидкости.