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:

,

где Dp измеряются в паскалях.

В большинстве технических расчетов применяют не секундный, а часовой расход. Измерять же диаметр d удобнее в миллиметрах, а не метрах.

С учетом вышеизложенного получим следующие выражения для Q_м (кг/ч) и Q_о (м³/ч):

 (3)

/1/

3. Погрешности измерения расхода с помощью диафрагм и сопел

Уравнения расхода, например (3), содержат пять множителей a, e, r^1/2, Dp^1/2, d², от погрешностей которых зависит погрешность измерения расхода Q_м или Q_о. Имеются в виду случайные погрешности перечисленных величин. Систематические погрешности должны быть устранены или же учтены соответствующими поправками. Если были бы известны средние квадратические случайные погрешности s_a, s_e, s_d, s_r, s_Dp, то на основании закона сложения средних погрешностей можно записать

 (4)

В общем случае погрешность коэффициента расхода s_a надо определять по формуле (5):

 (5)

В формуле (5) через s_aи обозначена исходная погрешность а, которой оценивается достоверность коэффициента a.

m = (d/D)²,

где D — диаметр трубы;

d — диаметр диафрагмы;

m — относительная площадь сужающего устройства.

Согласно  стандарту ИСО 5167 для диафрагм с  угловым и фланцевыми отборами s_aи = 0,3 % при т < 0,36 и s_aи = 0,5 % при т > 0,36. Для сопел s_aи = 0,4 % при т < 0,36 и s_aи =  % при т > 0,36. В правилах РД 50-213-80 для сопел s_aи = 0,3 % при т £ 0,25 и s_aи = % при m > 0,25.

Если  при определении т допущена погрешность из-за неточного измерения значений d и D, то возникает дополнительная погрешность s_am коэффициента a, которую можно определить, исходя из формул (6) и (7) и зная погрешности s_dи s_D.

 (6)

 (7)

Тогда:

,

откуда  для диафрагм

 (8)

и для сопел

 (9)

Значения s_d и s_D зависят от точности измерения d и D. Максимальная погрешность измерения d находится в пределах от 0,02 до 0,1 %. Соответственно s_d будет изменяться от 0,01 до 0,05 %.

Погрешность измерения перепада давления Dp или, иначе говоря, погрешность дифманометра будет определяться разными формулами, которые зависят от того, отнесен ли класс точности S дифманометра (т. е. основная погрешность показаний прибора в процентах) к верхнему пределу измерения разности давлений S_Dp или же к верхнему пределу измерения расхода S_Q Эти формулы имеют вид:

 (10)

Согласно  ГОСТ 18140-84 дифманометры, предназначенные для работы в комплекте с сужающими устройствами, имеют класс S_Q отнесенный к верхнему пределу измерения расхода. Обычно S_Q = (0,5¸1,5) %. /1/

4. Недостатки

Недостатком метода являются относительно большие погрешности (1 — 2%), обусловленные демпфирующим действием сужающего устройства, нелинейной зависимостью между расходом и перепадом давлений, неравномерным распределением давления, износом сужающего устройства, изменением плотности вещества и др. Последняя причина особенно существенна при измерении расхода газа или пара.

3. Ультразвуковые расходомеры

1. Ультразвуковые методы.

Эти методы основаны на изменении  скорости ультразвуковых колебаний  в подвижной среде, которая равна  геометрической сумме скорости среды и скорости звука в данной неподвижной среде, которая известна. Если ультразвуковые колебания распространяются в неподвижной среде со скоростью с, то в той же среде, движущейся со скоростью u, они будут распространяться в направлении движения потока со скоростью с + u cos(a), а против потока — со скоростью с — u cos(a), где a — угол между направлениями потока и ультразвукового излучения. Время прохождения ультразвукового импульса от излучателя до приемника, расположенных друг от друга на расстоянии L, называемом базой, в направлении потока равно

а против потока

Существует  несколько разновидностей ультразвукового  метода измерения расхода: времяимпульсный, частотно-импульсный, доплеровский, фазовый  и метод на основе измерения интенсивности сноса ультразвуковых колебаний движущимся потоком. Ультразвуковые методы в основном применяются для измерений расходов жидких сред. Для уменьшения нестабильности скорости звука от изменения температуры, плотности, давления и других факторов используются двухканальные расходомеры, включенные по дифференциальной схеме.

1) Времяимпульсный метод основан на измерении разности времени прохождения ультразвуковых импульсов по движению потока и против него

где m — коэффициент, учитывающий отличие средней скорости потока u_ср от осредненной по длине луча скорости потока u; D — диаметр трубопровода.

Работа ультразвукового расходомера, основанного на частотно-импульсном методе, аналогична работе частотного расходомера действие, которого основано на методе ядерного магнитного резонанса. Каждый излучатель посылает импульс ультразвуковых колебаний в момент прихода предыдущего импульса на соответствующий приемник. Разность частот двух работающих таким образом автогенераторов пропорциональна измеряемому расходу:

Преимуществом частотно-импульсных расходомеров является независимость результатов измерений  от скорости распространения ультразвука, если оба канала имеют одинаковые базы: L1=L2=L.

В фазовых расходомерах используется непрерывное излучение модулированных ультразвуковых колебаний, направленных по движению потока и против него, и измеряется разность фаз принятых приемником колебаний. Статическая характеристика таких расходомеров имеет вид

где f_м — частота модуляции ультразвуковых колебаний.

Рис. 3. Структурная схема фазового ультразвукового расходомера.

На рис. 3 показана структурная схема фазового ультразвукового расходомера. Ультразвуковые колебания, создаваемые генератором 1, модулируются с помощью модулятора 2 и генератора модуляции 11. Модулированные колебания поступают на возбудители 3 двухканального датчика, установленного на трубопроводе 4. Сигналы с приемников ультразвуковых колебаний 10 через усилители 5 и 9, демодуляторы 6 и 8 подаются на фазометр 7, показания которого пропорциональны расходу.

На основе фазового метода созданы  приборы для измерения скорости морских течений, а также расходомеры  для измерения расхода природного газа в широком диапазоне (Qmax/Qmin=4) с погрешностью 0,4%.

2. Погрешности.

Всем ультразвуковым методам измерений  расхода присуща методическая погрешность, обусловленная отличием измеряемой этими методами скорости движения среды, осредненной по пути от излучателя до приемника ультразвуковых колебаний, от скорости движения среды, осредненной по площади сечения трубопровода. Эта погрешность зависит от структуры потока, которая определяется рядом факторов, например шероховатостью трубопровода, физико-химическими свойствами перемещающейся среды и др. Рассматриваемая погрешность может быть уменьшена соответствующим выбором соотношения размеров ультразвукового канала и трубопровода с учетом его шероховатости.

4. Вихревые расходомеры

1. Общая характеристика.

Вихревыми называются расходомеры, основанные на зависимости от расхода частоты колебаний давления, возникающих в потоке в процессе вихреобразования или колебания струи. Они разделяются на три группы, существенно отличные друг от друга.

1) Расходомеры, имеющие в первичном  преобразователе неподвижное тело, при обтекании которого с обеих его сторон попеременно возникают срывающиеся вихри, создающие пульсации давления.

2) Расходомеры, в первичном преобразователе  которых поток закручивается  и, попадая затем в расширенную  часть трубы, прецессирует, создавая  при этом пульсации давления.

3) Расходомеры, в первичном преобразователе  которых струя, вытекающая из  отверстия, совершает автоколебания,  создавая при этом пульсации  давления.

Термин вихревой расходомер, строго говоря, приложим лишь к приборам первых двух групп. Но одинаковый осциллирующий характер изменения параметров, определяющих движение потока в преобразователях расхода, позволяет и расходомеры 3-й группы рассматривать вместе с первыми двумя. Особенно близок характер протекающих процессов в расходомерах 1-й и 3-й групп. Но мы считаем целесообразным и приборы 3-й группы отнести к вихревым расходомерам.

Для исследования характеристик вихревых расходомеров наряду с числом Рейнольдса Re служит число или критерий Струхаля Sh, характеризующий периодические процессы, связанные с движением жидкости или газа. Этот критерий, возникающий при изучении обтекания потоком воздуха цилиндра (струны), имеет вид

Sh = f×du ^-1

где f — частота пульсаций давления газа (или жидкости) в результате периодического срыва вихрей; d — диаметр цилиндра (характерный размер); u — скорость потока.

Так как при постоянстве числа  Sh частота f пропорциональна u то, измеряя эту частоту, можно судить о скорости u, а значит, и об объемном расходе потока. Для получения линейной шкалы вихревого расходомера надо, чтобы число Sh оставалось постоянным в возможно большем диапазоне чисел Re.

Иногда кроме числа Sh применяют еще и число Росби Ro — отношение осевой и тангенциальной составляющих скорости

Ro=u/wd,

где w — угловая скорость.

Числа Sh и Ro связаны зависимостью Sh = f/wRo из которой следует, что Sh остается постоянным, если постоянны число Ro и отношение f/w.

Преобразователи расхода у этих расходомеров многоступенчатые. В первой ступени в процессе вихреобразования или осцилляции струи создаются  пульсации давления и скорости, частота которых пропорциональна объемному расходу. Во второй ступени эти пульсации преобразуются в выходной сигнал, обычно электрический. Для этого служат преобразователи давления (пьезоэлементы), температуры (термоанемометры), напряжения (тензо-резисторы), ультразвуковые преобразователи скорости и т.п. Работу вихревых расходомеров могут нарушать акустические и вибрационные помехи, создаваемые различными источниками: насосами и компрессорами, местными сопротивлениями, завихрителями, вибрирующими трубами и т. д. Если частота вредных пульсаций отличается от частоты измерительного сигнала, то ее влияние можно устранить с помощью электрических фильтров. Сложнее их устранить, если эти частоты совпадают. Иногда применяют струевыпрямитель на выходном патрубке преобразователя расхода. Для борьбы с помехами целесообразно иметь два преобразователя (например, два пьезоэлемента), включенных — встречно и установленных в точках, где пульсации полезного сигнала находятся в противофазе, а пульсационные помехи в фазе. При этом полезные сигналы усиливаются, а помехи в значительной мере устраняются. Термопреобразователи менее чувствительны к помехам, чем преобразователи давления. Вибрации не отражаются на их показаниях, но механически они менее прочны.

2.  Вихревые расходомеры с обтекаемым телом

Тело, находящееся на пути потока, изменяет направление движения обтекающих его струй и увеличивает их скорость за счет соответствующего уменьшения давления. За миделевым сечением тела начинается обратный процесс уменьшения скорости и увеличения давления. Одновременно с этим на передней стороне тела создается повышенное, а на задней стороне пониженное давление. Пограничный слой, обтекающий тело, пройдя его миделево сечение, отрывается от тела и под влиянием пониженного давления за телом изменяет направление движения, образуя вихрь. Это происходит как в верхних, так и в нижних точках обтекаемого тела. Но так как развитие вихря с одной стороны препятствует такому же развитию с другой стороны, то образование вихрей с той и другой стороны происходит поочередно (рис. 4). При этом за обтекаемым телом образуется вихревая дорожка Кармана шириной а, имеющая постоянное отношение b/а, которое для обтекаемого цилиндра равно 0,281.

Рис. 4. Схема образования вихрей

Частота срыва вихрей согласно критерию Струхаля f=uSh/d, т. е. пропорциональна отношению u/d, а следовательно, при постоянном характерном размере d тела пропорциональна скорости u, а значит, и объемному расходу Qo. Зависимость между Qo и f дается уравнением

Q₀=(sd/Sh)f,

где s — площадь наименьшего поперечного сечения потока вокруг обтекаемого тела.

Чтобы обеспечить пропорциональность между Q₀ и f, число Струхаля Sh должно оставаться неизменным в возможно большей области значений числа Re.

3. Достоинства.

У вихревых расходомеров много достоинств: отсутствие подвижных частей, простота и надежность преобразователя расхода, независимость показаний от давления и температуры, большой· диапазон измерения, доходящий в некоторых случаях до 15 — 20, линейность шкалы, хорошая точность (погрешность ±0,5 — 1,5 %), частотный измерительный сигнал, стабильность показаний, сравнительная несложность измерительной схемы, возможность получения универсальной градуировки.

4. Недостатки.

К недостаткам вихревых расходомеров относятся значительная потеря давления, достигающая 30 — 50 кПа, и некоторые ограничения возможности их применения: они непригодны при малых скоростях из-за трудности измерения сигнала, имеющего малую частоту, и изготовляются лишь для труб, имеющих диаметры от 25 до 150 — 300 мм. Применение их для больших труб затруднительно, а при очень малых диаметрах нет устойчивого вихреобразования. Они не применяются также при Re < 10³¸10⁴. Многие конструкции вихревых расходомеров непригодны и для измерения загрязненных и агрессивных веществ, могущих нарушить работу преобразователей выходного сигнала.