Измерение расхода с учетом перепада давления

ВВЕДЕНИЕ

    МЕТРОЛОГИЯ - наука об измерениях, методах и  средствах обеспечения 

их единства и способах достижения требуемой  точности.

    Нет ни одной области практической деятельности человека, где можно было бы обойтись без количественных оценок, получаемых в результате измерений.

    В настоящее время различают теоретическую  метрологию, рассматривающую общие  теоретические проблемы измерений, историческую метрологию, курс которой  читается в Историко-архивном институте, законодательную метрологию, охватывающую комплексы взаимосвязанных общих  правил, требований и норм, а также  другие вопросы, нуждающиеся в регламентации  и контроле со стороны государства, и, наконец, прикладную метрологию, занимающуюся вопросами практического применения методов и средств измерений.

    Метрология  приобретает все большее значение в повышении эффективности производства, технического уровня и качества продукции. Поэтому вопросами развития метрологии, совершенствованию деятельности метрологических  организации и служб должно уделяться  самое пристальное внимание руководителями производственных предприятий, научно производственных объединений и  научно исследовательских институтов.

    Решение вопросов метрологического обеспечения  дает наибольший эффект и требует  при этом наименьших затрат тогда, когда  осуществляется на начальных этапах создания новых видов продукции, разработки и освоения технологических  процессов, организации производства.

    Государственный метрологический контроль включает:

·   утверждение типа средств измерений;

·   поверку средств измерений;

· лицензирование деятельности юридических и физических лиц по изготовлению, ремонту, продаже и прокату средств измерений. (Федеральный закон "О лицензировании отдельных видов деятельности).

    Государственный метрологический надзор осуществляется:

·- за выпуском, состоянием и применением средств измерений, аттестованными методиками выполнения измерений, эталонами единиц величин, соблюдением метрологических правил и норм;

·- за количеством  товаров, отчуждаемых при совершении торговых операций;

·- за количеством  фасованных товаров в упаковках  любого вида при их расфасовке и  продаж.

    Измерение – познавательный процесс, под которым  понимается получение информации о  количественном значении исследуемой  физической величины.

    Основные  термины и определения в метрологии устанавливает ГОСТ 16263-70, где записано, что метрология – это наука  об измерениях, методах и средствах  обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. В  соответствии с этим стандартом измерение  – это определение значение физической величины опытным путём при помощи специальных технических средств. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Анализ  объекта исследований

    Измерение расхода и массы веществ (жидких, газообразных, сыпучих, твердых, паров  и т. п.) в химических производствах  широко применяется как в товароучетных  и отчетных операциях, так и при  контроле, регулировании и управлении технологическими процессами.

    Расход  вещества - это масса или объем  вещества, проходящего через данное сечение канала средства измерения  расхода в единицу времени. 

    Количество  вещества может выражаться величиной массы, величиной индивидуальной массы (количеством молей) и величиной объема. Соответственно, различают массовый расход, мольный расход и объемный расход.  
     Массовый расход (mass discharge) - это масса вещества, проходящего через поперечное сечение потока в единицу времени:

    m_t = m : t, где                                                                                         (1.1.)

    где m - массовое количество вещества в кг, расходуемое за время t в c (секунды),

    m_t - массовый расход вещества в кг/с.  
     Мольный расход (mole discharge) - это мольное количество вещества, проходящего через поперечное сечение потока в единицу времени:

    ν_t = ν : t, где                                                                                              (1.2.)

      где ν - мольное количество вещества в кмоль, расходуемое за время t в c,

    ν_t - объемный расход вещества в кмоль³/с.  
     Объемный расход (volumetric discharge) - это объем вещества, проходящего через поперечное сечение потока в единицу времени:

      V_t = V : t,  где                                                                                       (1.3.)

  V - объемное количество вещества в м³, расходуемое за время t в c,     V_t - объемный расход вещества в м³/с.  
 

1. Методы  измерения расхода 

    Для измерения расхода жидкостей  и газов можно назвать пять основных методов: объемный, скоростной, дроссельный, индукционный и обтекания. Другие методы не нашли широкого распространения и поэтому в настоящей книге не освещаются.

    1. Сущность объемного метода заключается в суммировании отмеренных в единицу времени объемов жидкости.

    2. Скоростной метод основан на измерении соответствующей расходу скорости протекания жидкости по трубопроводу.

    3. Дроссельный метод является развитием скоростного и состоит в измерении перепада давления, создаваемого дроссельным устройством при движении вещества в трубопроводе. Перепад давления пропорционален изменению скорости.

    4. Индукционный метод основан на измерении э. д. с. индуктируемой потоком электропроводной жидкости. Значения э. д. с. пропорциональны скорости потока жидкости в трубопроводе, и следовательно, ее расходу.

    5. Метод обтекания основан на измерении вертикального перемещения поплавка в зависимости от расхода вещества, обтекающего поплавок в камере прибора. Каждому значению расхода соответствует определенное положение поплавка: чем больше расход, тем выше расположен поплавок.

    Перечисленные методы измерения расхода определители конструкции измерительных приборов и области их применения.

    Расход  вещества измеряется с помощью расходомеров, представляющих собой средства измерений  или измерительные приборы расхода.

    Расходомер — прибор, измеряющий расход вещества, проходящего через данное сечение трубопровода в единицу времени. Если прибор имеет интегрирующее устройство со счетчиком и служит для одновременного измерения и количества вещества, то его называют расходомером со счетчиком. 

    Рассмотрим  в кратце принципиальные схемы расходомеров.

    Объемные  расходомеры применяют преимущественно  для измерения расхода вязких жидкостей (жирные кислоты, мазуты, масла и другие нефтепродукты). Измеряющим органом прибора являются калиброванные камеры, устанавливаемые в рассечку трубопровода. Прибор объемов, вытесненных из измерительных камер под действием разности давлений среды до и после камеры. На этом принципе устроены мазутомеры, бензомеры.

    Работа  прибора основана на том, что давление измеряемой среды до камеры выше давления после камеры в результате сопротивления самих камер и подводящих трубопроводов. Расходомер начинает отсчет после того, как открыт установленный перед ним запорный орган. При этом среда через впускной клапан поступает в камеру и толкает поршень вверх; поршень камеры опускается, так как штоки поршней связаны общим коромыслом. Выпускной клапан камеры закрывается, поэтому нагнетаемая среда в нее не проникает, а идет к потребителю. В следующий такт происходит обратное, а именно: среда поршнем вытесняется из камеры, а поршень камеры опускается; среда через выпускной клапан камеры поступает к потребителю. Стрелка счетчика перемещается шагами, отсчитывая расход нарастающим итогом.

    Скоростные  расходомеры служат для измерения  расхода и масел и называются, поэтому водо- и масломерами. Измерительный орган скоростного расходомера — крыльчатка помещается в поток измеряемой жидкости. Прибор отсчитывает число оборотов крыльчатки в единицу времени.

    Дроссельные расходомеры применяют для измерения  расхода всевозможных жидкостей, паров и газов. дроссельный расходомер состоит из двух частей: дросселя, устанавливаемого непосредственно в трубопровод с измеряемой средой, и дифманометра, место которого определяется эксплуатационной целесообразность . Дроссель — сужающее устройство создает перепад давления измеряемой среды. С помощью соединительных линий сужающее устройство соединяется с дифманометром, который и фиксирует изменения перепада давлений, соответствующие расходу.

    Индукционные  расходомеры применяют для измерения  расхода электропроводных агрессивных, вязких, абразивных жидкостей, пульп и жидких металлов. Измерительным органом служит трубопровод-датчик с введенными в него электродами-съемниками, передающими на усилитель индуктируемую потоком э. д. с. В основу работы прибора положен закон электромагнитной индукции. Трубопровод-датчик выполнен из немагнитного материала , внутренняя его поверхность изолирована. Ток , проходящий через индукционную катушку, создает внутри датчика магнитное поле. Измеряемая жидкость, протекая по трубе , пересекает силовые линии магнитного поля. При этом в жидкости, как в движущемся проводнике, индуктируется э. д. с., пропорциональная средней скорости потока, а следовательно, и расходу жидкости. Электроды расположенные диаметрально противоположно, снимают эту э. д. с. , которая усиливается и измеряется .

    Расходомеры обтекания — ротаметры применяются  для измерения небольших расходов ряда жидких и газообразных сред. Измерительным  органом является поплавок, вертикальное положение которого определяется значением  расхода. Противодействующей силой  является вес поплавка. Положение  поплавка отсчитывают по шкале. Для  дистанционной передачи служит индукционная катушка, к которой присоединяют выносной прибор. Показания этого  прибора определяются положением поплавка благодаря тому, что сердечник  индукционной катушки связан со штоком поплавка.

Перепад давления среды до и после поплавка практически постоянен. Поэтому ротаметры называют расходомерами постоянного перепада. В первых конструкциях деталь, замененная впоследствии поплавком, вращалась и ее называли ротором, откуда и происходит название прибора.

Объемные, скоростные, индукционные приборы и расходомеры обтекания имеют простое фланцевое присоединение к трубопроводам, и поэтому не требуют описания технологии их монтажа.

    Требования  к современному расходомеру:

• - высокая надежность работы;
• - высокий класс точности;
• - возможность замены без изменения режима работы трубопровода;
• - низкая трудоемкость при эксплуатации, техническом обслуживании и ремонте;
• - токовый и цифровой выходные сигналы;
• - большой межповерочный интервал.

    Многие  расходомеры предназначены не только для измерения расхода, но и для  измерения массы или объема вещества, проходящего через средство измерения  в течение любого, произвольно  взятого промежутка времени. В этом случае они называются расходомерами  со счетчиками или просто счетчиками. Масса или объем вещества, прошедшего через счетчик, определяется по разности двух последовательных во времени показаний  отсчетного устройства или интегратора. По принципу действия разделяются на следующие основные группы: переменного  перепада давления; обтекания - постоянного  перепада давления; тахометрические; электромагнитные; переменного уровня; тепловые; вихревые; акустические. Кроме того, известны расходомеры, основанные на других принципах  действия: резонансные, оптические, ионизационные, меточные и др. Однако многие из них  находятся в стадии разработки и  широкого применения пока не получили. 
 
 

1.3. Обзор способов измерения для определения расхода по перепаду давления.

1.3.1.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.

     Расходомеры переменного перепада давления, в  зависимости от вида преобразователя  расхода делятся на:

• Расходомеры с сужающими устройствами;
• Расходомеры с гидравлическим сопротивлением;
• Центробежные расходомеры;
• Расходомеры с напорными устройствами;
• Расходомеры напорными усилителями;
• Ударно-струйные расходомеры.

    Наибольшее  распространение получили расходомеры  с сужающими устройствами. Они  измеряют скорость потока вещества, которая  увеличивается при прохождении  через сужающее устройство, установленное  в трубопроводе. При этом происходит частичный переход потенциальной  энергии давления в кинетическую энергию скорости, из-за чего давление перед местом сужения будет больше, чем за суженным сечением. Обычно с  помощью таких расходомеров измеряется расход в трубопроводах с диаметром 50-1600 мм.

    При выборе сужающего устройства необходимо учитывать следующее. Потери давления в сужающих устройствах увеличивается  в следующей последовательности: труба Вентури, длинное сопло  Вентури, короткое сопло Вентури, сопло, диафрагма. Изменение или загрязнение  входного отверстия сужающего устройства в процессе эксплуатации влияет на коэффициент расхода диафрагмы  в большей степени, чем на коэффициент  расхода сопла.

    Диафрагма представляет собой тонкий диск 1 с круглым отверстием, ось которого располагается по оси трубы. Передняя (входная) часть отверстия имеет цилиндрическую форму, а затем переходит в коническое расширение. Передняя кромка должна быть прямоугольной (острой) без закруглений и заусениц.

Рис.1 - Расположение диафрагмы в трубе, вид в разрезе

1 - кольцевые  камеры, 2 - диафрагма, 3 - отдельные отверстия  для отбора давления, 4 - выводы импульсных трубок 

    При измерении расхода загрязнённых жидкостей и особенно газов у  стандартной диафрагмы, установленной  на горизонтальной трубе, могут образовываться отложения. Чтобы не допустить это  применяют сегментные и эксцентричные  диафрагмы. Сегментные диафрагмы представляют собой кольцо, в которое вварен диск с вырезанным в его нижней части сегментом или сектором. Кольцо зажимается между фланцами трубопровода. Кромка диафрагмы со стороны потока должна быть острой. Отверстия сегментной и эксцентричной диафрагм располагают  в нижней части сечения трубы, а выводы импульсных трубок - в верхней  части трубопровода вне пределов отверстия. Они могут применяться  для измерений расхода жидкостей, из которых выделяются газы; в этом случае отверстия истечения располагают  вверху. Сегментные диафрагмы могут  устанавливаться на трубопроводах  диаметром от 50 до 1000 мм.

    При измерении малых расходов, перепад  давления на диафрагме может быть не достаточен для организации измерения. В таких случаях возможен вариант с установкой двух диафрагм с разным диметром и отбором разницы давлений до первой и после второй.

    Диафрагмы занимают первое место среди сужающих устройств по стоимости, простоте изготовления и монтажа.

    Сопла. В случае измерения расхода газа, сопла могут устанавливаться  на трубопроводе диаметром не менее 50 мм, в случае измерения расхода  жидкости - не менее 30 мм. На рисунке  вверху показан отбор статических  давлений через кольцевые камеры, внизу - через отдельные отверстия.

Рис. 2 - Схематичное расположение сопло в трубе

1-кольцевые камеры,2- сопло, 3- отдельные отверстия для  отбора давления, 4- выводы импульсных трубок 

    Профиль входной части сопла образуется двумя дугами окружности, из которых  одна касается торцевой поверхности  сопла со стороны входа, а другая - цилиндрической поверхности отверстия. Сопряжение обеих дуг происходит почти без излома.

    Сопло Вентури устанавливают на трубопроводах  диаметром от 65 до 500 мм. Сопло Вентури  состоит из профильной входной части, цилиндрической средней части (горловины) и выходного конуса. Профильная часть  выполняется так же, как у нормального  сопла для соответствующих значений m. Цилиндрическое отверстие должно переходить в конус без радиусного сопряжения. Сопло Вентури может быть длинным или коротким. У первого наибольший диаметр выходного конуса равен диаметру трубопровода, у второго он меньше диаметра трубопровода. Перепад давления следует измерять через кольцевые камеры. Заднюю (минусовую) камеру соединяют с цилиндрической частью сопла Вентури с помощью радиальных отверстий.

    Труба Вентури устанавливается в трубопроводах диаметром от 50 до 1400 мм. Труба Вентури состоит из входного патрубка 1, входного конуса 4, горловины 5 и диффузора 6.Во входном конусе и горловине выполнены кольцевые усредняющие камеры 2. Они сообщаются с внутренними полостями входного конуса и горловины с помощью нескольких отверстий 3, которые при наличии в измеряемой жидкости взвешенных частиц прочищают с помощью специальных приспособлений. В нижней части кольцевых камер устанавливают пробковые краны для спуска жидкости. Труба Вентури называется длинной, если наибольший диаметр выходного конуса равен диаметру трубопровода, или короткой, если указанный диаметр меньше диаметра трубопровода.

Рис. 3 - Труба Вентури

    Иногда, если не требуется высокая точность измерения, применения промышленных расходомеров нецелесообразно. В этих случаях  может быть использован перепад давления, образующийся при протекании жидкости или газа через местное сопротивление.

Рис.4.

    Наиболее  изученными местными сопротивлениями  являются центробежные преобразователи  расхода . Другими словами это закругленные участки трубопровода, например колено, создающие перепад давления на внешнем и внутреннем радиусах закругления в результате действия центробежных сил в потоке. Центробежный преобразователь расхода вместе с дифференциальным манометром, измеряющим создаваемый перепад давления, образует центробежный расходомер. Преимущество такого расходомера состоит в том, что не требуется вводить в трубопровод какие-либо дополнительные устройства. В качестве местного сопротивления для измерения расхода может быть также использован конический переход который можно рассматривать как входную часть трубы Вентури.

    Расходомеры с гидравлическим сопротивлением основаны на измерении перепада давления, создаваемым  этим сопротивлением. Для того чтобы  перепад давления был пропорционален расходу, в расходомерах данного  типа стремятся создать ламинарный режим потока. Т. е. такой поток, при котором жидкость или газ будут перемещаться слоями без перемешивания и пульсаций. Преобразователями обычно является капиллярная трубка или пакет таких трубок, как показано на рисунке. Расходомеры с гидравлическим сопротивлением применяются редко, в основном для измерения малых расходов.  

Рис.5. Расходомеры с напорным устройством

    Напорное  устройство-преобразователь расхода  жидкости (газа), в котором создается  перепад давления, зависящий от динамического  давления в одной или нескольких точках поперечного сечения потока.

Рис.6.

    Расходомер  с напорным устройством – это  расходомер переменного перепада давления, принцип действия которого основан  на помещении в трубопровод Г-образной трубки (трубка Пито), направленной изгибом  на поток. Трубка воспринимает полное давление в трубопроводе равного сумме динамического (зависит от скорости потока) и статического давления трубопровода.

    Недостатком данного метода является то, что  он применим только в трубопроводах  большого диаметра.

    Расходомер  с напорным усилителем- расходомер переменного перепада давления, в  котором сочетаются напорное и сужающее устройства. Перепад давления создается  напорным усилителем как в результате перехода кинетической энергии струи  в потенциальную, так и в результате перехода потенциальной энергии  струи в кинетическую.

Рис.7

    Чаще  всего комбинируют: диафрагму с  трубкой Пито (рисунок), а так же трубку Пито с трубкой Вентури, Это  делается при небольших скоростях  газовых потоков, если перепад давления очень маленький (действия одной  трубки Пито не достаточно).

    Расходомеры ударно-струйные основаны на принципе измерения перепада давления, возникающего в процессе удара струи о твердое  тело непосредственно или через  слой измеряемого вещества. Они применяются  для измерения малых расходов жидкости и газа. 
 
 

1.3.2.Измерение расхода на основе метода 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.

    Преимущества  расходомеров обтекания:

1. Высокая надежность;
2. Большой диапазон измерений;
3. Относительно маленькая погрешность;
4. Простота конструкции;
5. Простота  в эксплуатации.

    Во  всех расходомерах  между подвижным телом и стенками трубы остается  проходное сечение.  Поэтому  нужно учитывать, что на тело будет действовать не только давление потока, но и сила вязкого трения, последняя зависит от вязкости вещества и формы тела.

     В расходомерах постоянного перепада давления обтекаемое тело перемещается вертикально, а сила сопротивления потоку  возникает за счет  веса подвижного тела. В качестве тела обтекания в таких расходомерах может применяться: поплавок, поршень. Приборы устанавливаются в вертикальных трубопроводах с восходящим потоком измеряемой среды.

     Виды  расходомеров постоянного перепада давления:

• поплавковые расходомеры;
• поршневые расходомеры (золотниковые расходомеры);
• ротаметры.