Измерения расхода

  Оглавление.

                                                                                    стр.

     Задание…………………………………………………………………………. 2          

     Оглавление……………………………………………………………………... 3     

1. Введение………………………………………………………………………...4
2. Описание принципа измерения расхода по методу переменного               перепада давления……………………………………………………………..  6
3. Расчет и выбор сужающего устройства ………………………………………9
4. Разработка и описание схемы измерения расхода с обоснованием               выбора необходимых приборов и оборудования ……………………………12
5. Выбранные элементы и составные части диафрагмы свести в таблицу….. 18
6. Приборы, необходимые для измерения расхода свести в таблицу……….  19
7. Заключение…………………………………………………………………….  20
8. Список литературы……………………………………………………………  21

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Введение.

     В химических производствах измеряют количество и расход веществ не только для контроля результатов производства, но и для управления типологическим процессом.

     Количество вещества выражают  в единицах объема или массы. Основной единицей объема принят кубический метр (м³), основной единицей массы килограмм (кг).

     Количество жидкости с равной  степенью точности можно измерять  объемным и массовым методами, так как плотность жидкости при определенной температуре является величиной постоянной для данной жидкости. При переходе от объемных единиц к массовым необходимо учитывать температуру и теряемой жидкости, так как плотность жидкости зависит от температуры. Зависимость плотности жидкости от температуры приближенно выражается формулой;

p_t=p₂₀/(1-β(20-t)) ,

  Значения  плотности воды и других жидкостей в зависимости от температуры приведены в справочной литературе.

  Количество  газа измеряют исключительно объемным методом. Для получения сравнимых  результатов измерений необходимо объем газа привести к следующим нормальным условиям: температура 20 °С (293,15 К), давление 101 325 Па (760 мм рт. ст.), относительная влажность φ = 0. Для пересчета объема сухого газа к объему V_н в указанных условиях используют формулу;

  V_н = V*р/р_н*Т_н/ТК

  При переходе от объёмных единиц к массовым необходимо привести к нормальным условиям плотность газа. Плотность сухого газа при нормальных условиях;

ρ_{н =} ρ_рр_нТК/(рТ_н), 

 где, 

ρ_р - плотность сухого газа в рабочем состояние при данных значениях р и Т. 

   Плотность газовой смеси при нормальных условиях определяют, исходя из ее состава, по формуле;                   

ρ_н = (υ₁р_н1 + υ₂р_н2 + … + υ_nр_нn)/100 ,

  Коэффициент сжимаемости К равен отношению  плотности ρ_н , подсчитанной по законам идеального газа, к действительной плотности газа в рабочем состоянии при данных р и Т. Значения коэффициента К для наиболее употребительных газов можно определить по экспериментальным графикам.          

  Для газовых смесей коэффициент сжимаемости К_см определяют по экспериментальным данным или рассчитывают по формуле;

К_см = (υ₁ К₁ + υ₂ К₂ + … + υ_nр_н К_n)/100 ,

где К₁, К₂, …,К_n – коэффициенты сжимаемости отдельных компонентов, входящих в газовую смесь.                                                                                                                При отсутствии экспериментальных данных по сжимаемости ^Н какого-либо газа коэффициент К приближенно определяют на основании закона соответственных состояний. На плотность газа заметно влияет влагосодержание. Плотность влажного газа в рабочем состоянии определяют по формуле;

ρ_{вг =} ρ_сг +  ρ_вп = ρ_сг + φρ_нп ,

       Остальные обозначения соответствуют принятым выше. Значения параметров, входящих в приведенные формулы, берут из соответствующей справочной литературы.

     Для твердых сыпучих тел пользуются  понятием насыпной или объемной массы. Насыпная масса твердого сыпучего материала не имеет для данного вещества постоянного значения; она зависит от гранулометрического состава сыпучего материала, т.е. от размеров частиц и количественного содержания частиц различных размеров в общей массе сыпучего материала. В связи с этим для получения более точных результатов количество сыпучего материала определяют взвешиванием. Приборы, измеряющие количество вещества, называют счетчиками. Счетчики измеряют протекающий через них объем вещества за любой промежуток времени: сутки, месяц и т.п. Количество вещества при этом определяют как разность показаний счетчика. Счетчики, как правило, являются приборами прямого измерения, и отсчет по их шкале дает измеряемую величину без дополнительных вычислений. Подвижные элементы счетчика соединяются со счетным механизмом.

  Расходом  вещества называется количество вещества, проходящего через данное сечение канала в единицу времени. Массовый расход измеряют в килограммах на секунду, а объемный - в кубических метрах на секунду. Приборы, измеряющие расход, называют расходомерами. Эти приборы могут быть снабжены счетчиками (интеграторами), тогда их называют расходомерами со счетчиком. Такие расходомеры позволяют измерять одновременно расход и количество.

  В зависимости от принятого метода измерения наиболее распространены расходомеры:

    переменного перепада давлений, основанные на зависимости от расхода перепада давлений в сужающем устройстве вследствие частичного перехода потенциальной энергии потока в кинетическую;

      скоростного напора для измерения расхода по динамическому напору потока с помощью пневмометрических трубок;

      переменного уровня, основанные  на зависимости от расхода  высоты уровня жидкости в сосуде  при свободном истечении ее  через отверстие в дне или боковой стенке сосуда;

       постоянного перепада давлений, основанные на зависимости от  расхода вещества вертикального  перемещения тела (поплавка), измеряющего при этом площадь сечения проходного отверстия прибора таким образом, что перепад давлений по обе стороны поплавка остаётся постоянным. 
 
 
 
 
 

2.Описание  принципа измерения расхода по  методу переменного перепада  давления.

 

     Наиболее распространенным методом измерения расхода жидкости, пара и газа является метод переменного перепада давлений. Измерение расхода по этому методу основано на изменении потенциальной энергии (статического давления) вещества, протекающего через местное сужение в трубопроводе.                            В измерительной технике в качестве сужающих устройств (первичных преобразователей) используют диафрагмы, сопла и сопла Вентури.

  

      Диафрагма (рис.1) представляет собой тонкий диск, установленный в трубопроводе так, чтобы отверстие в диске было концентрично внутреннему контуру сечения трубопровода.

      Сужение потока начинается до диафрагмы; затем  на некотором  расстоянии за ней  благодаря действию сил инерции  поток сужается до минимального сечения (диаметр d₂), а далее постепенно расширяется до полного сечения трубопровода. Перед диафрагмой и за ней образуются зоны с вихревым движением, причем зона вихрей за диафрагмой  больше, чем перед ней.                     

   Давление потока около стенки трубопровода несколько возрастает из-за подпора перед диафрагмой и снижается до минимума за диафрагмой в наиболее узком сечении потока. Далее по мере расширения струи давление потока около стенки снова повышается, но не достигает прежнего значения. Потеря части давления р_п определяется главным образом потерей энергии на трение и завихрения.                                                                                                               

   Изменение давления потока по оси трубопровода практически совпадает с изменением давления около его стенки, за исключением участка перед диафрагмой и непосредственно в ней, где давление потока по оси трубы снижается (штриховая линия). Разность давлений р^’₁ - р^’₂ является перепадом, зависящим от расхода протекающей через трубопровод среды.

    Характер потока и распределение  давления одинаковые во всех  типах сужающих устройств. Так как струя, протекающая через сопло, почти не отрывается от его профилированной части, потери на завихрения возникают в основном за соплом, поэтому остаточная потеря давления р_п в сопле меньше, чем в диафрагме. Еще меньше потери давления р_п в сопле Вентури, профиль которого близок к сечению потока, проходящего через сужение.

    Из трех типов сужающих устройств  наиболее часто применяют диафрагму.

     При измерении расхода по методу переменного перепада давлений протекающее вещество должно полностью заполнять все сечение трубопровода и сужающего устройства; поток в трубопроводе должен быть практически установившимся; фазовое состояние веществ не должно изменяться при прохождении их через сужающее устройство (жидкость не должна испаряться, пар должен оставаться перегретым и т.п.).

     Теория и основные уравнения  метода переменного перепада давлений одинаковы для сужающих устройств всех видов; различаются лишь некоторые коэффициенты в уравнениях, определяемые опытным путем.

    Выведем уравнение расхода для случая, когда в трубопроводе установлена диафрагма, и по трубопроводу протекает несжимаемая жидкость, плотность которой до и после сужения остается  неизменной.

   В трубопроводе два сечения  (рис.1): I - сечение, в котором еще нет влияния сужающего устройства на характер потока в трубопроводе; II - в месте наибольшего сжатия струи на некотором расстоянии за диафрагмой.

      При измерении расхода сжимаемых  сред (газов и паров), особенно при больших перепадах давления в сужающем устройстве, необходимо учитывать уменьшение плотности р вследствие понижения давления при прохождении через сужающее устройство, в результате чего массовый расход (а также объемный, отнесенный к начальному значению р) несколько уменьшается.

       Время прохождения газов и паров через сужающее устройство настолько незначительно, что их сжатие и последующее расширение происходят практически без обмена теплотой с окружающей средой, т. е. адиабатически.

  Расчет, методика выполнения измерений сужающих устройств определяется гостом ГОСТ 8563-97.

   1-трубопровод,

  2-сужающее  устройство. 

  При протекании потока через сужающее устройство, увеличивается скорость потока. На сужающем устройстве создается перепад  давлений ΔР. Перепад давлений может быть измерен дифференциальным манометром. Расход связан с перепадом давления Рис. 2.

  сечение А – течение потока на которое сужающее устройство не оказывает влияние.

  сечение В – место наибольшего сжатия струи.

  сечение С – сечение после сужающего устройства где установившиеся υ и Р.

  Давление  у стенки трубы перед диафрагмой возникает за счет уменьшения скорости в этом месте, а по оси уменьшается  и достигает значения Р^’₂ сечение В.

  По  мере расширения потока после диафрагмы  скорость потока уменьшается, а давление у стенки трубы возрастает.

  Давление  в сечении А и С не равны  А≠С,

  δ = Р^’₁ + Р^’₃    т.е. произошла потеря давления.

  Рассмотрим  уравнение описывающее этот процесс  для горизонтального участка.

  Р^’₁/ ρ + υ₁²/2 = Р^’₂/ ρ +  υ₂²/2 + ξ υ₂²/2 – уравнение Бернулли

  Р^’₁/ ρ + υ₁²/2 – описывает состояние сечения А. 
    Р^’₂/ ρ +  υ₂²/2 + ξ υ₂²/2 - описывает состояние сечения В.

  где,

   Р^’₁/ ρ – статический напор определяемый динамической энергией,

   υ₁²/2 – динамический напор определяемый динамической энергией,

    ξ = коэффициент гидравлических  потерь,

    ξ υ₂²/2 – потеря энергии,

    Р^’₁ и Р^’₂ – абсолютное статическое давление в сечении А и В,

    υ₁ и υ₂ – скорости в сечении А и В,

    ρ – плотность. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3. Расчет  и выбор сужающего устройства. 

  Исходные  данные: 

  1. Измеряемая среда – воздух.

  2. Марка материала трубопровода  – Сталь 20.

  3. Наибольший измеряемый расход, приведённый  к нормальному состоянию –  7000 м³/ч.

  4. Наибольший измеряемый массовый  расход – 2400 т/ч.

  5. Предельный номинальный перепад  давления дифманометра – 400 кгс/с².

  6. Наибольшая допустимая потеря  давления на сужающем устройстве  – минимально возможная.

  7. Избыточное давление измеряемой  среды перед сужающим устройством  – (0,04 Па).

  8. Барометрическое давление в месте  установки расходомера – 760 мм  рт. ст.

  9. Температура измеряемой среды  перед сужающим устройством –  25 ^оС.

  10. Внутренний диаметр трубопровода (в свету) перед сужающим устройством  при температуре 20 ^оС – 313 мм.

  11. Величина абсолютной эквивалентной  шероховатости стенок трубопровода  – 0,1 мм. 12. Относительная влажность измеряемого газа при рабочих условиях – 80 %.

  13. Коэффициент сжимаемости газа  при рабочих условиях – 1,0.

  14. Плотность сухого газа в нормальном  состоянии – 1,2046 кг/м³.

  15. Динамическая вязкость измеряемой  среды при рабочих условиях – 1,9*10^-6 кгс с/м². 
 
 

  Расчет  расходомера NFIR от 27.5.00              ВНИИ расходометрии Казань.

  (PAR)  Версия 4.22 от 10.03.05

  Расчет  выполнен по ГОСТ 8.563.1-97,8.563.2-97 

      

    Характеристика измеряемой среды  

      

     Измеряемая среда – воздух влажный

    

     Относительная влажность………………………….80     %  

     Барометрическое давление........................................760 мм рт.ст 

     Избыточное давление.................................................0,04 МПа       

   * Абсолютное давление...............................................0,14132 МПа       

     Температура................................................................25 град.C   

   * Плотность в стандартных условиях………………1,2044 кг/м³    

   * Плотность в сухой части при  её порциальном давлении рабочей

     температуре…………………………………………1,6212     кг/м³    

   * Плотность в рабочих условиях................................1,6402 кг/м³

   * Показатель адиабаты................................................1,4

   * Динамическая вязкость.............................................0,0000183  Па*с         

    

    Характеристика сужающего устройства                               

    

     Сужающее устройство:

     Диафрагма с угловым способом  отбора давления                    

    

   * ДИАМЕТР сужающего устройства 

     в стандартных условиях..............................................201,1 мм       

   * Диаметр сужающего устройства 

     в рабочих условиях......................................................201,12 мм       

     Материал сужающего устройства                              Сталь 12Х18Н10Т       

   * Поправочный коэффициент на  расширение 

     материала сужающего устройства.............................1                 

   * Радиус закругления входной  кромки........................0,00005 м        

   * Поправочный коэффициент на  неостроту                            

     входной кромки диафрагмы.......................................1

   * Наибольшее значение шероховатости  

     поверхности входного торца диафрагмы.................0,020112 мм       

   * Наибольшее значение шероховатости  отверстия 

     диафрагмы...................................................................0,0020112 мм       

   * Наибольшее значение шероховатости 

     поверхности выходного торца  диафрагмы..............0,01мм       

   * Толщина диафрагмы  от.....................................................1,565 мм       

   *                                      до.....................................................15,65 мм       

   * Допуск на изготовление диаметра  СУ..............................0,14077 мм       

                                                                     

    Характеристика трубопровода 

   

     Диаметр трубопровода в стандартных  условиях………..313 мм       

   * Диаметр трубопровода в раб.  условиях............................313,01 мм       

     Материал трубопровода.......................................................Сталь  20              

   * Поправочный коэффициент на  расширение 

     материала трубопровода......................................................1

     Абсолютная эквивалентная шероховатость 

     стенок трубопровода.............................................................0,1 мм       

   * Поправочный коэффициент на  шероховатость 

     трубопровода........................................................................ 1                     

           

    Комплексные параметры расходомера                                 

   

   * Относительный диаметр СУ................................................0,6425                

   * Число Рейнольдса при максимальном                               

     измеряемом расходе..............................................................525041,7              

     Перепад давления на сужающем  устройстве……………..400 кгc/м²          

   * Коэффициент расхода сужающего устройства…………..0,6636                

   * Коэффициент расширения...................................................0,99069                     

   * Коэффициент истечения......................................................0,60443               

   * Потери давления...................................................................227,95 кгc/м²             

     Верхний предел измеряемого расхода................................7000 м³/ч          

    

    Расчет расхода (проверка) при  верхнем пределе 

    перепада давления:

    Объемный расход:

   * - сухой части в стандартных  условиях...............................7000,01 м³/ч     

   * - влажного газа в стандартных  условиях...........................7082,01 м³/ч             

   * - сухой части в рабочих условия……………....................5104,31 м³/ч             

   * - влажного газа в рабочих  условиях……………………...5200,29 м³/ч

      Массовый расход:

   * - сухой части……………………………………………….2,34199 кг/с

   * - влажного газа…………………………………………….2,36942  кг/с               

    Примечание: Знаком "*" отмечены  расчетные величины. 

   

   Расчет  произвел:______Холмогоров И.А. 

    Согласно проведённых расчетов подбираем диафрагму.

  В зависимости от конструкции, износоустойчивости, способа установки, условного давления и условно прохода трубопровода выбираем диафрагму         ДКС 0,6-300 А/Б-1 – диафрагма камерная, устанавливаемая во фланцах трубопровода по ГОСТ 8.563.1, 8.563.2, 8.563,3.

  Под диафрагму ДКС 0,6-300 А/Б-1 подбираем  фланцевое соединение для диафрагм  ДКС. В комплект фланцевых соединений входят фланцы с патрубками, шпильки, гайки, уплотнительные прокладки в сборе.  

  Таблица 1. Элементы фланцевого соединения для  диафрагмы ДКС 0,6-300 А/Б-1 

 
 
 
 
 
 
 
 

4. Разработка  и описание схемы измерения расхода с обоснованием выбора необходимых приборов и оборудования. 

     По заданию на проектирование измеряемая среда воздух, влажностью 80%.        Cоединение сужающего устройства с датчиком давления. Датчик давления и сужающее устройство связаны двумя соединительными трубами. Обычно применяют медные, алюминиевые, стальные и пластмассовые (из винила или полиэтилена) трубки. В трубках не должно быть горизонтальных участков, где могут накапливаться воздух, газы или влага, поэтому трубки прокладывают с уклоном.

  Существенное  значение имеют диаметр и длина  соединительных трубок. При малых  диаметрах трубки легко засоряются, в них образуются водяные пробки или воздушные пузыри. Вследствие повышенного сопротивления трубок увеличивается время запаздывания датчика давления. Слишком большие диаметры нежелательны из-за громоздкости проводки и увеличения расхода металла, а при измерении расхода газа также из-за увеличения времени запаздывания датчика давления. Рекомендуется применять трубки с внутренним диаметром 10—12 мм, но не менее 8 мм.