Средства и методы измерения пара, газа, жидкости

                                           Содержание: 

1. Введение.
2. Методы и средства измерения количества и  расхода жидкости,  газа и пара. Достоинства и недостатки каждого метода.
3. Метрологическое обеспечение средств измерений.
4. Вывод.
5. Список литературы.

                                               Введение. 

 Качество выпускаемой продукции на машиностроительных предприятиях в значительной мере зависит от количества и качества

измерений, с  помощью которых контролируются как технологические

параметры производственных процессов, так и параметры, характеристики и свойства получаемых изделий. В  машиностроении до 15% трудовых затрат приходится на выполнение линейных и  угловых измерений, которые обеспечивают качество, надёжность и взаимозаменяемость изделий.

     Без измерений невозможно представить функционирование ни одной

 отрасли народного хозяйства. Еще Галилео Галилей писал, что “надо

измерять  все измеримое и делать измеримым  то, что пока еще не подается измерению”. А русский ученый Б.С. Якоби утверждал, что “искусство измерения является могущественным оружием, созданным человеческим разумом для проникновения в законы природы”.                                

  При измерениях, связанных с учетом количества жидкостей, газа и пара, и оперативным контролем, регулированием и управлением технологическими процессами в различных отраслях промышленности, приходится определять нараду с другими величинами количество вещества, прходящее через данное сечение трубопровода в единицу времени или за какой-то промежуток времени. Количество вещества выражают обычно в единицах обьема или массы. Измерение расхода и массы веществ (жидких., газообразных, сыпучих, твердых,паров и т. п.) широко применяется как в товароучетных и отчетных операциях,так и при контроле, регулировании и управлении технологическими процессами.В пищевой промышленности [оптимальное управление многими технологическими процессами основывается на смешивании различных компонентов и ингредиентов, входящих в состав изготовляемого целевого продукта, в строго определенных соотношениях, изменение которых может привести к нарушению хода процессов и получению некачественного готового продукта.Расход вещества — это масса или объем вещества, проходящего через данное

сечение канала средства измерения расхода в единицу времени. В зависимости от того, в каких единицах измеряется расход, различают объемный расход или массовый расход. Объемный расход измеряется в м³/с (м³/ч и т. д.), а массовый — в кг/с (кг/ч, т/ч и т. д.).

                    Измерение количества жидкости, газа и пара.

  Количество жидкости или газа можно измерить счетчиками. По принципу действия счетчики подразделяются на объемные, массовые и скоростные. Для измерения количества жидкости применяют преимущественно объемные и скоростные счетчики, для измерения объема газа — объемные счетчики. Для каждого счетчика существует определенный минимальный расход, ниже которого резко возрастает основная погрешность.

  Номинальным называется наибольший длительный расход, при котором погрешность измерения не выходит за пределы установленных норм, а потеря напора не создает в счетчике усилий, приводящих к быстрому износу его деталей.

  Потери напора представляют собой разность давлений на входе в счетчик и выходе из него.

Калибром  счетчика называется диаметр условного прохода входного патрубка выраженный в миллиметрах.

Скоростные  счетчики для жидкостей.

  Эти счетчики служат для измерения количества жидкостей. Они основаны на принципе измерения средней скорости движущегося потока. О количестве жидкости, прошедшей через прибор, судят по числу оборотов лопастной вертушки, расположенной на пути потока. По форме вертушки скоростные счетчики разделяются на две группы: с винтовой вертушкой и крыльчатые. Винтовые вертушки размещают параллельно измеряемому потоку, крыльчатые — перпендикулярно ему. В зависимости от способа подвода жидкости счетчики с крыльчатой вертушкой подразделяются на одноструйные и многоструйные. Как в одноструйных так и в многоструйных счетчиках жидкость подводится тангециально к лопастям вертушки. Счетчики с крыльчатой вертушкой устанавливают на горизонтальных участках трубопроводов.

Объемные  счетчики для жидкостей.

  Принцип работы объемных счетчиков заключается в измерении определенного объема жидкости, вытесняемого из измерительной камеры под воздействием разности давлений.Объемные счетчики выпускаются двух типов, лопастные и с овальными зубчатыми колесами. Принцип действия лопастных счетчиков основан на том, что поток измеряемой жидкости, поступая через входной патрубок, проходит через измерительную камеру, где теряет часть напора на создание крутящего момента, приводящего во вращение ротор с выдвижными лопастями.

 Измерение объемного количества жидкости происходит при переодическом отсекании определенных объемов жидкости, заключенных в полости между двумя лопостями и цилиндрическими поверхностями измерительной камеры и барабана. За один полный оборот ротора отсекаются четыре объема, сумма которых равна емкости измерительной камеры.

                          Барабанные счетчики для газов.

  Работа этих счетчиков основана на непрерывном отмеривании и отсчете равных объемных порций газа. Число этих объемов регистрируется счетным механизмом. В герметичном цилиндрическом кожухе, заполненном несколько более, чем наполовину затворной жидкостью, вращается концентрично расположенный барабан, разделенный четырьмя радиальными и одной цилиндрической перегородками на пять камер. Вращение барабана передается счетному механизму, расположенному снаружи кожуха. За один оборот через барабан проходит объем газа, равный сумме объемов камер, отсекаемых жидкостью. Запирающей жидкостью служит обычно вода. В случае опастности замерзания воды используют водный раствор хлорида магния и глицерин. Барабанные счетчики применяют для измерения светильного, газогенераторного, коксового и других нейтральных газов, заметно не растворяющихся в затворной жидкости и не воздействующих на материал счетчика. Обязятельным условием работы барабанных газовых счетчиков является постоянство уровня жидкости в кожухе счетчика. Для контроля уровня жидкости счетчик снабжают водомерным стеклом или устройством для поддержания постоянства уровня.

Барабанные  счетчики газа представляют собой очень  точные приборы, их погрешность не превышает 0,2 %.

                            Ротационные счетчики для газов.

  Из счетчиков для газов наиболее распространены ротационные счетчики. Они предназначены для измерения больших количеств газа. Счетчик состоит из кожуха, внутри которого вращаются на паралельных горизонтальных валах роторы. Валы роторов связаны зубчатыми колесами, находящимися вне кожуха. От одного из валов вращение передается счетному механизму. Шарико или роликоподшибники валов, а также зубчатые колеса находятся в масляных ваннах и заключены в картеры. Только валик, соединяющий вал ротора со счетным механизмом, проходит через сальник в стенке картера. Зазор между роторами и кожухом очень мал (порядка 0,12мм). 

                 Измерение расхода жидкости газа и пара. 

  Количество вещества, проходящее в единицу времени по трубопроводу, каналу и т.п., называется расходом вещества. Расходомеры - это преобразователи, которые используются для измерения потока. В зависимости от рода измеряемого вещества они делятся на расходомеры воды, газа, пара и прочего. Они регистрируют скорость и расход жидкого или газообразного вещества за заданный период времени. На практике известно несколько методов определения расхода.

                        Скоростной метод измерения расхода.

Этот метод  измерения расхода жидкости и  газа положен в основу ряда расходомеров и счетчиков, обладающих достаточно простым устройством и значительным диапазоном показаний. Принцип действия этих приборов заключается в измерении средней скорости потока, связанной с объемным расходом вещества. Наиболее распространённым механическим преобразователем расхода является турбинный расходомер с вращающимся пропеллером или турбинкой, которые используются в качестве чувствительного элемента. Турбинка устанавливается в потоке вещества на подшипник. В общем случае лопасти турбинки выполняются из ферромагнитного материала. Катушка, укреплённая на корпусе расходомера, используется для определения частоты вращения турбинки. На концах обмотки появляется переменная ЭДС. Частота вращения пропеллера пропорциональна расходу вещества. При точных измерениях важно, чтобы не происходило завихрения протекающего вещества, поскольку это напрямую сказывается на частоте вращения турбинки. Поэтому спрямляющие поток лопасти устанавливаются обычно на входе расходомера. Возможны и существенно более простые конструкции расходомеров, когда точность измерений не существенна, т. е. если торможение и завихрения потока можно не учитывать. Одним из преимуществ турбинных расходомеров по сравнению с расходомерами других типов является линейная зависимость их выходного сигнала от скорости потока в установленном для прибора диапазоне.

  Кроме турбинных расходомеров применяют напорные трубки, анемометры и скоростные счетчики. При помощи напорных трубок производится определение расхода жидкости или газа путем измерения динамического давления потока, которое есть разность между полным и статическим давлением среды. По измеренному трубкой давлению вычисляется скорость потока. При помощи анемометров находится скорость газа в точке расположения прибора, поэтому, определяя скоростное поле в трубопроводе, а по нему значение средней скорости потока, можно судить о расходе измеряемой среды. Чувствительным элементом анемометра является алюминиевая вертушка с несколькими радиально расположенными лопастями, ось которой связана механически с показывающим или счетным устройством. Скоростные счетчики жидкости применяются для измерения количества воды, чувствительным элементом их является вертушка с лопастями, приводимая во вращение потоком жидкости. Для определения расхода по скорости необходимо знать ее среднее значение для поперечного сечения потока. Частота вращения вертушки пропорциональна расходу жидкости.  

Измерение расхода  на основе метода переменного перепада давления. 

   Для измерения расхода жидкости, газа и пара, протекающих по трубопроводам, широкое применение получили расходомеры с сужающим устройством. Принцип действия их основан на изменении потенциальной энергии измеряемого вещества при протекании через искусственно суженное сечение трубопровода. Расходомер состоит из сужающего устройства, устанавливаемого в трубопроводе и служащего для местного сжатия струи (первичный преобразователь), дифферинциального манометра, предназначенного для измерения разности статических давлений протекающей среды до и после сужающего устройства (вторичный прибор) и соединительных линий (двух трубок) связывающих между собой оба прибора. При прохождении потока через сужающее устройство происходит изменение потенциальной энергии вещества, часть которой вследствие местного сжатия струи и соответствующего увеличения скорости потока преобразуется в кинетическую энергию. Изменение потенциальной энергии приводит к появлению разности статических давлений (перепада давления), который определяется при помощи дифманометра. Так как согласно закону сохранения энергии суммарная энергия движущейся среды уменьшается только на величину потерь, то попеременному перепаду давлений может быть определена кинетическая энергия потока при его сужении, а по ней - средняя скорость и расход вещества. Для измерения расхода среды получили распространение три вида нормализованных сужающих устройств: расходомерная диафрагма, расходомерное сопло и сопло Винтури, имеющие посередине круглое отверстие.

  Недостаток этого метода состоит в том, что скорость потока оказывается пропорциональной квадратному корню из перепада давлений, т. е. эти приборы являются нелинейными. Эти преобразователи также не могут быть использованы для измерения расхода газа, поскольку их принцип действия основан на том факте, что вещество является несжимаемым при прохождения узких участков в трубопроводе. Газы, к сожалению, сжимаемые вещества, поэтому требуется вносить соответственные коррекции в показания приборов. 

                 Измерение расхода на основе термальных явлений.

   Термальные расходомеры работают на принципе пропорциональности тепла, переносимого веществом от одной точки к другой, массовому расходу этого вещества. Термоанемометры измеряют расход вещества с помощью одиночного нагревательного элемента, расположенного в его потоке. Охлаждающий эффект протекающего через этот элемент вещества характеризуют массовый расход, т. е. охлаждение индицируется благодаря изменению сопротивления проводов нагревательного элемента. Часто вместо проволочного элемента в преобразователе используется металлическая плёнка. С помощью термоанемометра удаётся измерять чрезвычайно быстрые флуктуации расхода вещества.

                 Электромагнитный метод измерения расхода.

  Существует ряд приборов для измерения расхода жидкости, чувствительный элемент которых не имеет непосредственного с ней контакта, что позволяет применять их при агрессивных средах. К числу таких приборов относятся электромагнитные (индукционные) расходомеры. Действие их основано на принципе, что при движении в трубопроводе жидкости поперек силовых линий магнитного поля в ней индуцируется э.д.с, которая пропорциональна скорости потока. Электромагнитный расходомер представляет собой небольшой гидродинамический генератор переменного тока, вырабатывающий э.д.с., пропорциональную средней скорости потока, а, следовательно, и расходу жидкости. Для измерения расхода этим методом можно использовать даже плохо проводящие жидкости. Электромагнитные расходомеры не имеют движущиеся частей. Безударные приборы такого типа применяются не только для измерения расхода жидкостей, но и суспензии.

     Электромагнитные расходомеры имеют ряд приимуществ. Прежде всего они практически безырнерционны, что очень важно при измерении быстроизменяющихся расходов и при использовании их в системах автоматического регулирования. Результат не зависит от наличия взвешенных частиц в жидкости и пузырьков газа. Измерения в достаточной степени независимы от профиля потока и таких свойств среды, как давление, температура, вязкость, плотность, состав, электропроводность и загрязнение электродов. В расходомере отсутствуют потери давления, отсутствуют движущиеся части.

  Существенные и основные недостатки электромагнитных расходомеров с постоянным магнитным полем: возникновение на электродах гальванической ЭДС и ЭДС поляризации затрудняют или делают невозможным правильное измерение ЭДС, индуктируемой магнитным полем в движущейся жидкости. Другим недостатком расходомеров с постоянным магнитным полем является трудность усиления напряжения постоянного тока. В связи с этим расходомеры с постоянным магнитным полем применяют лишь при измерении расхода жидких металлов, пульсирующих потоков жидкостии при кратковременных измерениях, когда поляризация не успевает оказать заметного влияния. 

    Измерение расхода методом постоянного перепада давления. 

   Расходомеры постоянного перепада относятся к средствам измерений, называемыми расходомерами обтекания. Они основаны на измерении вертикального перемещения чувствительного элемента, зависящего от расхода среды и приводящего одновременно к изменению площади проходного отверстия расходомера таким образом, что разность давлений на чувствительный элемент (перепад давлений) остается практически постоянной. Противодействующей силой в расходомерах этого вида является сила тяжести чувствительного элемента, выполненного в виде поплавка или поршня. К приборам постоянного перепада давления относятся ротаметры, поршневые и поплавковые расходомеры. Приборы устанавливаются в вертикальных трубопроводах с восходящим потоком измеряемой среды. 

 Измерение расхода путём генерирования завихрений в протекающем               веществе. 

  Любое препятствие в трубопроводе создаёт завихрения в потоке вещества, пропорциональное его объёмному расходу. В преобразователях используются два способа генерирования завихрений: вынужденные колебания, при котором поток вещества вращается или прецессирует вдоль оси трубопровода в виде некоторой спирали, и естественные колебания, при которых стабильные структуры периодических вращающихся в разные стороны вихрей возникают в потоке за препятствием.

  В расходомерах с генерированием вынужденных колебаний обычно используют пьезоэлектрические преобразователи для определения числа прецессий, проходящих через конкретную точку трубопровода. В расходомерах с естественными колебаниями вещества применяются тензометрические преобразователи силы или ультразвуковые средства для определения периодических изменений силы, происходящих при вихревом движении вещества. 

              Объемный метод измерения расхода.

  Принцип действия объемных счетчиков основан на отмеривании определенного объема проходящего через прибор вещества и суммирования результатов этих измерений. К числу таких устройств относятся мерные баки, счетчики жидкости с овальными шестернями и ротационные счетчики газа.

   Мерные баки состоят из двух спаренных мерных баков и расходного бака. Измеряемая жидкость, поступающая по трубопроводу, направляется поочередно в каждый из мерных баков при помощи перекидного желоба. Счетчики с овальными шестернями применяются в широком диапазоне вязкости. Действие их основано на отмеривании (вытеснении) определенных объемов жидкости, заключенных между стенками измерительной камеры и овальными шестернями, при вращении последних под влиянием разности давлений измеряемой жидкости до и после счетчика. Для измерения количества горючих газов применяются ротационные счетчики типа РГ, принцип действия которых тот же, что и счетчиков жидкости с овальными шестернями. 

                Метрологическое обеспечение средств измерений. 

     Решение важнейших научных, технических и других задач, в том числе обеспечение качества продукции, в значительной степени зависит от достижения единства и достоверности измерений.

Под единством  измерений понимается состояние  измерений, характеризующееся тем, что их результаты выражены в узаконенных  единицах, а погрешности результатов измерений известны с заданной вероятностью и не выходят за заданные пределы. Государственная система обеспечения единства измерений- это комплекс нормативных, нормативно-технических и методических документов межотраслевого уровня, устанавливающих правила, нормы, требования, направленные на достижения и поддержание единства измерений в стране при требуемой точности.

     Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ) базируется на трех основах: технической, организационной, нормативной.

Техническую основу ГСИ состовляют государственные  эталоны, эталоны единиц физических единиц и стандартные образцы. На каждое из этих технических средств  разработан нормативный документ. Порядок  создания этих нормативных документов, их структура регламентирована требованиями и правилами Государственной системы стандартизации.(ГСС)

     Организационной основой ГСИ являются метрологические службы, цели, задачи, права, обязанности, порядок функционирования которых определяются нормативными документами, разрабатываемыми в соответствии с требованиями и правилами ГСС.

    В качестве нормативных документов по обеспечению единства измерений закон регламентирует государственные стандарты, применяемые в установленном порядке междунородные стандарты, правила, положения, инструкции и рекомендации.

    Система метрологического надзора за СИ представляет собой комплекс правил, положений и требований технического, экономического и прававого характера, определяющих организацию и порядок проведения работ по проверке средств измерений.

  Поверочная деятельность осуществляется аккредитованными метрологическими службами юридических лиц и контролируется органами Государственной метрологической службы.

   Проверка производится в соответствии с нормативными документами, утверждаемыми по результатам испытаний при утверждении типа средств измерений.

 Средства измерений подвергаются первичной, периодической, внеочередной, инспекционной и экспертной поверке. Положительные результаты поверки средств измерений удостоверяются поверительным клеймом или свидетельством о поверке. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                            Заключение. 

    Значение счетчиков и, особенно расходомеров жидкости, газа и пара очень велико. Раньше основное применение имели счетчики воды и газа преимущественно в коммунальном хозяйстве городов. Но с развитием промышленности все большее значение приобрели расходомеры жидкости, газа и пара.

 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. Роль и значение расходомеров и счетчиков жидкости, газа и пара еще более возрастает в связи с необходимостью максимальной экономии энергетических и водных ресурсов страны. 

                                          Список литературы: 

1. Шорников  Е. А. Испытания различных приборов  для учета расхода энергоносителей  // Мат. конференции: Совершенствование  средств измерения расхода жидкости, газа и пара.— СПб., 1994.

2. Шорников  Е. А. Расходомеры газов, жидкостей  и теплоты их потоков с микропроцессорными  вычислительными устройствами // Мат.  семинара: Повышение точности измерения  расхода жидкости и газа как  средство экономии энергоресурсов.—  Л.: ЛДНТП, 1988.

3. Кремлевский П. П. Расходомеры и счетчики количества веществ: Кн. 1. / Под общей ред. Е. А. Шорников а.— СПб.: Политехника, 2002.

4. Бойко А.  В., Янбухтин И. Р. Турбинные  расходомеры-счетчики газа ТИГРИС // Приборы и системы управления.—  1992.— М° 10.

5. Кабза 3. Применение расходомеров с осредняющими напорными трубками // Мат. 5-й науч.-техн. конф.: Коммерческий учет энергоносителей.— СПб.: МЦЭНТ, 1997.