Методика измерения расхода веществ с помощью сужающих устройств

Стандартные сужающие устройства в комплекте с дифманометрами применяют для измерения расхода веществ в трубопроводах круглого сечения. При установке сужающих устройств соблюдают ряд требований:

• фазовое состояние вещества при прохождении через сужающее устройство не должно меняться (жидкость не испаряется, пар не конденсируется; газы, растворенные в жидкости, не выделяются);
• участки трубопровода до и после сужающего устройст­ва должны быть прямыми без запорной арматуры, чтобы кон­денсат или пыль, выделяющаяся из пара либо газа, а также осадок или воздух, выделяющийся из жидкости, не скап­ливались в трубопроводе;
• при измерении расхода агрессивных жидкостей, газов, а также нефтепродуктов дифманометры надо устанавливать со специальными разделительными сосудами;
• если при измерении расхода параметры среды отлича­ются от расчетных, в показания прибора вводят поправ­ки;
• длина импульсных линий от сужающих устройств к дифманометрам не должна превышать 15 м, а их внутренний диаметр должен быть не менее 8 мм;
• импульсные линии прокладывают вертикально или с уклоном 1/10, при этом должны быть плавными изгибы труб и обеспечиваться герметичность линий и арматуры, а также их теплоизоляция;
• на импульсных линиях вблизи дифманометра устанав­ливают вентили для продувки линий;
• дифманометры устанавливают по отвесу на твердом ос­новании в местах, где нет тряски и вибрации, а вторичные приборы — на блочных щитах управления.

Зависимость между перепадом давлений в сужающем устройстве и расходом среды позволяет градуировать эти приборы в единицах расхода. Для получения линейной шкалы расходомеров в электрическую или кинематическую схему приборов включают устройства, осуществляющие операцию извлечения квадратного корня из измеряемой разности давлений. Это затрудняет обслуживание расходоме­ров и является их существенным недостатком. Другой не­достаток таких расходомеров — суженный диапазон из­мерения расхода среды (30—100% максимального значения измеряемой величины).

Недостатки — нелинейная зависимость расхода от разности давлений, что вызывает большие погрешности в измерении малых расходов; инерционность показаний прибора из-за наличия соединительных линий; необходимость проведения индивидуальной градуировки расходомеров при измерении расхода вязких сред или в трубах малого диаметра; нарушение целостности трубопроводов при установке в них сужающих устройств.

Основными достоинствами расходомеров с сужающими устройствами являются: широкие области давлений, температур и расходов, в которых их можно использовать при измерении однофазных веществ; определение градуировочной характеристики расчетным путем; взаимозаменяемость дифманометров и вторичных приборов.

 

Измерение расхода на основе контроля изменения тепловых эффектов

потока вещества

 

Действие тепловых расходомеров основано на изменении эффекта теплового воздействия на поток или на тело, контактирующее с потоком, зависящего от расхода вещества. Приборы принцип действия, которых основан на контроле изменения тепловых эффектов, чаще всего используются для измерения расходов газа и реже для измерения расходов жидкости. Тепловые расходомеры отличаются способом нагрева вещества перемещаемого в трубопроводе, нагревательный элемент может находится либо внутри трубопровода, либо снаружи, если речь идёт о контроле расхода агрессивного вещества, а также характером связи между расходом и измеряемым сигналом.

Основной способ нагревания – электрический омический.

По характеру теплового взаимодействия тепловые расходомеры подразделяют на калориметрические, термоконвективные и термоанемометрические расходомеры.

Калориметрические и термоконвективные расходомеры измеряют разность температур – Т газа или жидкости при постоянной мощности нагревания – W или же поддержание постоянной разности температур за счет изменения мощности электропитания нагревательного элемента.

Калориметрические и термоконвективные расходомеры используются для измерения массовых расходов при условии неизменности теплоемкости измеряемого вещества, что является их достоинством. Недостатком таких приборов является их инерционность.

 

 

 

в г

 

Рис. 3. Измерение расхода на основе контроля изменения

тепловых эффектов потока вещества

 

а – калориметрический; б – термоконвективный; в – термоконвективный расходомеры; 1 и 2 – термопары; 3 – нагревательный элемент; 4 участок трубопровода; 5 – измерительный прибор; ИПС – источник питания стабилизированный; R₁, R₂, R₃ и R₄ – терморезисторы.

 

На рис. 3, а приведена схема калориметрического расходомер, принцип действия которого основан на зависимости среднемассового разности температур потока от мощности нагревания. Распределение температур по обе стороны от источника нагревания зависят от расхода вещества. Данный расходомер состоит из двух термопар 1 и 2, нагревательного элемента 3, расположенных внутри трубопровода 4. Термопреобразователи 1 и 2 измеряют температуру до нагревающего элемента – Т₁ и после него – Т₂, причем термопары расположены от нагревателя на равных расстояниях – L₁ = L₂.

Калориметрические расходомеры используются как образцовые для поверки и градуировки расходомеров других типов, если они используются, то только для контроля расхода газа или очень малых расходов жидкости из-за существенной разности между теплоемкостью газа и жидкости.

Термоконвективный расходомер отличается от калориметрического расходомера только тем, что и термопреобразователи (термопары) и нагревающий элемент расположены с наружи трубопровода (рис. 3, б). Передача тепла от нагревателя к измеряемому веществу происходит через стенку трубы за счет конвекции Отсутствие контакта со средой существенно повышает надежность использования данных расходомеров для контроля за расходом агрессивных веществ.

 

Термоанемометрические расходомеры используется эффект изменения сопротивления R нагреваемого тела при постоянном значении силы тока I, или наоборот, изменение значении силы тока при постоянном значении сопротивления, они обладают меньшей инерционностью, чем калориметрический и термоконвективный расходомеры.

Нагревательный элемент состоит из двух секций, являющихся одновременно терморезисторами R₁ и R₂, включенными в мостовую схему с

терморезисторами R₃ и R₄, последние нагреваются током от источника питания стабилизированного (ИСП). При отсутствии перемещения вещества в трубопроводе распределение температур представляет симметричную кривую график 1 рис. №, г. При этом R₁ = R₂ и мост находится в равновесном состоянии. С появлением расхода температура Т₁ и сопротивление R₁ становятся меньше чем температура Т₂ и сопротивление R₂, с ростом расхода возрастает разность температур Т₂ – Т₁. В этом случае увеличивается разность потенциалов в точках b и d, величину которого фиксирует измерительный прибор 5, шкала прибора соответственно отградуирована в единицах расхода.

 

Электромагнитные и ультразвуковые расходомеры

Существует ряд приборов для измерения объемного расхода жидкостей, чувствительный элемент которых не имеет непосредственного контакта с измеряемым веществом, что позволяет использовать их там, где работа других расходомеров невозможна (например, при измерении расхода агрессивных сред — кислот, щелочей, растворов и взвесей). К таким приборам относят электромагнитные и ультразвуковые расходомеры.

Принцип работы приборов с электромагнитным преобразователем расхода основан на взаимодействии движущейся электропроводящей жидкости с магнитным полем. В движущемся проводнике (электропроводящей жидкости), перпендикулярно силовым линиям магнитного поля, наводится электродвижущая сила (э. д. с.), пропорциональная скорости движения проводника (закон Фарадея):

,

где Е – индуцируемая (наводимая) в проводнике э. д. с., в В; l – длина проводника в м; B – магнитная индукция, в теслах – Т и v – скорость движения проводника, в м/с.

В случае измерения расхода электропроводящей жидкости запишем:

,

где D – внутренний диаметр трубы или расстояние между электродами, в м; - средняя скорость протекания жидкости через поперечное сечение трубопровода в зоне наведения э. д. с., в м/с.

Объемный расход жидкости F_об. Определяется по формуле: ,

где S – площадь поперечного сечения трубопровода, в м², если подставить в значение , то или , где .

Полученное выражение показывает, что значение объемного расхода токопроводящей жидкости прямо пропорционально значению наводимой электродвижущей силе. Конструкция датчика показана на рис. 4.

 

 

 

Рис. 4. Блок-схема электромагнитного расходомера

Датчик расходомера представляет собой отрезок трубы 1 из немагнитного материала, например, из нержавеющей стали с диаметрально расположенными с наружи электромагнита 4. По оси перпендикулярно полюсам магнита и заподлицо с внутренней поверхностью трубы в изоляционный вставках 3 находятся токосъемника 2. Проведенный датчик расхода питается от сети 220В, что позволяет избежать поляризации электродов. К другим достоинствам данного решения относятся равномерность шкалы прибора и отсутствие потерь энергии потока. С помощью таких приборов можно измерять расходы агрессивных и загрязненных сред.

Электромагнитные расходомеры изготовляются классов точности 1 и 1,5 с постоянным и переменным магнитным полем. Первые расходомеры из-за эффекта поляризации у электродов применяют для определения расхода жидкометаллического теплоносителя, вторые — для определения расхода электропроводных растворов. Принцип их действия основан на возникновении э.д.с в проводнике, пропорциональной скорости его движения в магнитном поле. Роль проводника в расходомере иг­рает электропроводная жидкость, а магнитное поле создается внешними устройствами. Измеряя наведенную э.д.с, можно определить среднюю скорость жидкости, а следовательно, и ее расход.

Недостатками электромагнитных расходомеров являются:

· чувствительность к помехам от переменных электро­магнитных полей;

· ограничения по электрической прово­димости измеряемой среды.

 

Ультразвуковые расходомеры служат в основном для измерения расхода жидкостей. Принцип их действия основан на использовании ультразвука, скорость которого относительно трубопровода зависит от скорости измеряемого потока. Эти расходомеры состоят из излучателя и приемника ультразвуковых колебаний. Приемник в виде пьезоэлемента преобразует механическую деформацию, вызванную ультразвуком, в электрический сигнал. Скорость потока определяют измерением интервала времени прохождения ультразвуковых импульсов по потоку и против него.

Ультразвуковые расходомеры по методу измерения интервала разделяют на частотные, фазовые и времяимпульсные.

Принцип работы ультразвуковых расходомеров основан на измерении времени прохождения ультразвукового сигнала от излучателя 2 (от 1 до 3 МГц) к приемнику 1 по направлению течения вещества, так и против него (см. рис. 5).

Разность во времени прохождения ультразвукового сигнала будет прямо пропорциональна скорости потока вещества, а знак этой разности покажет направление движения.

Если внутри датчика жидкость находится в неподвижном состоянии, то

,

где L – расстояние между излучателями и приемниками ультразвуковых колебаний, v – скорость ультразвука

В этом случае длительность прохождения ультразвукового сигнала и в прямом и в обратном направлении равны между собой.

Как только появится движение жидкости, то время прохождения потока по ходу жидкости станет , а в обратном направлении , так как , то

Основными элементами ультразвукового расходомера являются пьезоэлементы, преобразующие переменное электрическое напряжение в ультразвуковые колебания. На рис. 5 приведена двухканальная схема ультразвукового преобразователя, у которого излучатель находится по средине между двумя приемниками.

Требования, предъявляемые к эксплуатации ультразвуковых расходомеров, так как данные расходомеры измеряют среднюю по диаметру, а не среднюю по сечению скорость потока, то для установки расходомера до него необходим прямой участок трубопровода.

 

Недостатки ультразвуковых расходомеров:

· влияние на показания прибора пузырьков и механических примесей в жидкости;

· чувствительность к помехам, вызванным прохождением акустических колебаний по стенке трубопровода;

· необходимость индивидуальной градуировки;

· влияние на показания изменений физико-химических свойств вещества и его температуры;

· изменение скорости ультразвука.

 

Достоинства ультразвуковых расходомеров:

· отсутствие контакта со средой;

· высокая точность измерений и быстродействие;

· отсутствие гидравлического сопротивления потоку жидкости;

· возможность установки прибора на трубопроводах диаметром от 10 мм и более, а также измерение расхода любых жидких сред.

 

Основная погрешность этих расходомеров при отсутствии коррекции на изменение скорости звука составляет 3—4 %.