Ультразвуковые расходомеры

ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКИ И АВТОМАТИКИ

Кафедра теплотехнических

и энергетических систем

ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА ЖИДКОСТИ И ГАЗА

Методические указания по выполнению

лабораторной работы для студентов всех

специальностей, изучающих теплотехнические

дисциплины

Магнитогорск

Составители: Ю. И. Тартаковский

Т.П. Семенова

О.А. Харченко

Измерение расхода жидкости и газа. Методические указания по выполнению лабораторной работы для студентов всех специальностей, изучающих теплотехнические дисциплины. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2012. 15с.

Рецензент

Т.П.Семенова,

О.А. Харченко, 2012

ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ ЖИДКОСТИ И ГАЗА

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Исследование экспериментальным путем методов измерения расходов жидкости и газа.

ИСПОЛЬЗУЕМОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

Гидравлический стенд №2, ротаметр, скоростной расходомер.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Для контроля и управления теплоэнергетическим производством большое значение имеет измерение расхода и количества различных веществ: газов, жидкостей, пульп и суспензий. Расход вещества — это его количество, протекающее через сечение трубопровода в единицу времени.

, (1)

Технические устройства, предназначенные для измерения массового или объемного расхода, называют расходомерами.

Объемный расход жидкости определяется по уравнению сплошности (неразрывности)

, (2)

Массовый расход жидкости находят из соотношения:

(3)

Современная измерительная практика предъявляет очень высокие требования к точности, надежности, быстродействию, функциональности расходомеров. Для определения расхода жидкости, газа, пара и сыпучих тел наибольшее распространение получили следующие методы измерения: дроссельный, скоростной, объемный и весовой.

Дроссельный метод. Для измерения расхода жидкости при ее течении по трубопроводам постоянного сечения применяются дроссельные приборы, к которым относятся расходомеры переменного перепада давления (диафрагмы, расходомеры Вентури) и постоянного перепада давления - ротаметры. Действие диафрагм и расходомеров Вентури основано на возникновении перепада давлений на сужающем устройстве в трубопроводе, при движении через него потока жидкости или газа. Сужение при помощи диафрагмы достигается установкой в трубопроводе диаметром тонкого диска с концентрическим отверстием строго определенного

диаметра и профиля (рис.1).

Диафрагмы изготовляются из антикоррозионных материалов, чаще всего бронзы или нержавеющей стали. Отношение называется модулем диафрагмы; в выборе и расчетах оно играет важную роль.

В суженном сечении, по уравнению Бернулли, происходит увеличение скорости и падение давления потока. По измеренному перепаду статического давления могут быть определены скорость жидкости и ее расход, Установка диафрагмы влечет за собой некоторую необратимую потерю напора (30—60 % перепада), вызванную затратой энергии потока на вихреобразование до и после диафрагмы. Эти потери учитываются при выборе диафрагм и находятся в специальных таблицах.

Рис.1. Схема установки диафрагмы.

В качестве других дроссельных приборов переменного перепада давления можно применять трубу Вентури, изображенную на (рис. 2), и сопло Ветнури (рис.3). Трубы Вентури создают минимальные потери напора (10—12 % перепада), однако, они громоздки, поэтому, как правило, их устанавливают на водоводах вне здания насосной станции и применяют для измерения больших расходов воды или расходов сильно загрязненных жидкостей, например сточных вод. Сопла Вентури не создают больших потерь и, кроме того, они надежнее диафрагм, так как в них не задерживаются загрязнения. Но они дороже диафрагм и серийно в комплекте с расходомерами пока не поставляются Дроссельные приборы соединяются импульсными (соединительными) трубками (рис.4), и используются совместно с дифференциальными манометрами, заполненными ртутью, водой, спиртом. Для некоторых сужающих устройств как преобразователей расхода в перепад давлений коэффициент передачи определен экспериментально и его значения сведены в специальные таблицы. Такие сужающие устройства называются стандартными.

Рис.2. Труба Вентури

Рис.3. сопло Вентури.

Рис.4. Схема расходомера Вентури с соединительными трубками.

Если в сечениях I-I и II-II поставить соединительные трубки как указано на рис.4, то разность уровней в них будет зависеть от расхода жидкости, протекающей по трубе.

Пренебрегая потерями напора и считая z1 = z2, напишем уравнение Бернулли для сечений I-I и II-II:

(1)

Из рис.2 видно, что показания расходомера Вентури составят

(2)

Используя уравнение неразрывности

(3)

Сделаем замену и решая относительно , получим

(4)

Выражение, стоящее перед, является постоянной величиной, носящей название постоянной водомера Вентури.

Из полученного уравнения видно, что зависит от расхода . Часто эту зависимость строят в виде тарировочной кривой

Разновидность дроссельного расходомера являются ротаметры, которые относятся к расходомерам постоянного перепада давления.

Ротаметр изображен на (рис.3), состоит из конической трубки 1, расходящейся вверх, внутри которой перемещается поплавок-индикатор2. Измеряемый поток жидкости или газа проходит через трубку снизу вверх и поднимает поплавок. Чем выше поплавок, тем больше площадь вокруг него, через которую может течь поток. Когда сила тяжести уравновешивает подъёмную силу со стороны потока, поплавок останавливается. Таким образом, каждому положению поплавка соответствует определённый расход — определение этого соответствия называется градуировка. Трубки ротаметров могут быть стеклянными (рассчитаны на давление до 2,5 МПа) и металлическими (до 70 МПа). В ротаметрах с электрическим выходным сигналом вместе с поплавком перемещается плунжер дифференциально-трансформаторного преобразователя.

Рис.3. Схема ротаметра:

1 – коническая трубка; 2- поплавок

Ротаметры являются простыми и потому надёжными устройствами, для их изготовления не требуются сложные технологии или дорогие материалы, однако, у ротаметров имеются и недостатки:

- ротаметр должен располагаться вертикально;

- высота подъёма поплавка-индикатора зависит от плотности и, в общем случае, вязкости протекающего вещества;

Скоростной метод. В основу этого метода положено измерение средней скорости потока, которая связана с расходом известной зависимостью:

(1)

где — средняя скорость потока, ;

— поперечное сечение потока,

Таким образом, зная методы определения скорости при помощи напорных трубок или анемометров, нетрудно подсчитать расход в соответствующих сечениях трубопровода.

Преимущественным при выполнении ряда работ в лаборатории является способ с применением напорных трубок, методика и последовательность операций которого заключается в следующем:

в нужном сечении трубопровода устанавливается напорная трубка или трубка Прандтля (рис. 4) присоединенная к микроманометру, которым измеряют динамическое (скоростное) давление.

2) по формуле находят осевую скорость

3) вычисляют среднюю скорость по формуле ,

где - коэффициент Кориолиса, равный 0,85

4) измеряют сечение трубопровода

5) подсчитывают расход жидкости или таза по выражению 1. Изучению этой методики следует уделить особое внимание, так как

она применяется не только в других разделах практикума, но и в производственных условиях.

Рис. 4. Динамическая трубка Прандтля.

Для учета количества жидкости, расходуемой отдельными небольшими потребителями (жилые и общественные здания, небольшие предприятия, отдельные цеха), наибольшее распространение получили механические скоростные счетчики воды.

По конструктивному исполнению скоростные (тахометрические) счетчики жидкости подразделяют на две основные группы: крыльчатые, ось вращения крыльчатки которых перпендикулярна направлению движения жидкости, и турбинные, у которых ось вращения турбинки параллельна направлению движения жидкости Работа крыльчатого расходомера скоростного типа для жидкости (водомера), изображенного на (рис.5) основана на том, что протекающая через прибор жидкость вращает вертушку, число оборотов которой пропорционально расходу протекающей жидкости. Число оборотов водомера затем пересчитывается на количество жидкости, прошедшее через счетчик за интересующий нас интервал времени, например, за месяц. У счетчиков для измерения расхожа жидкости редуктор и счетный механизм выполнены в одном блоке, который размещается в корпусе, заполняемом водой. Циферблат счетчика прикрывается толстым стеклом, которое воспринимает давление воды в трубопроводе, где установлен счетчик.

По допустимой максимальной температуре воды различают счетчики холодной и горячей воды. В счетчиках холодной воды, предназначенных для измерения воды с температурой до 40⁰С, крыльчатка выполняется из пластмассы. В счетчиках горячей воды, применяемых для измерения воды с температурой до 90⁰С, крыльчатка выполняется из латуни

Рис.5. схема скоростного счетчика (водомера)

Приборы этого типа рассчитаны на давление до 1,5 МПа и на расход до 7 .

Основной частью турбинных счетчиков воды является измерительная камера, обеспечивающая преобразование скорости потока во вращательное движение турбинки. Схема турбинного расходомера, представленного на (рис.6).

Рис.6. Схема турбинного расходомера:

1 – спиральная вертушка; 2- счетчик расхода жидкости; 3- ось передаточного механизма; 4- кронштейн; 5 – червяк; 6 - струевыпрямитель

У турбинных расходомерах измеряемый поток приводит в движение турбинку, вращающуюся в подшипниках. Скорость вращения турбинки пропорциональна скорости потока, т. е. расходу . Для измерения скорости вращения турбинки ее корпус изготавливают из немагнитного материала. Снаружи корпуса устанавливают дифференциально-трансформаторный преобразователь, а у одной из лопастей турбинки делают кромку из ферромагнитного материала. При прохождении этой лопасти мимо преобразователя меняется его индуктивное сопротивление и с частотой пропорциональной расходу изменяется напряжение на вторичных обмотках U_вых. Измерительным прибором такого расходомера является частотомер, измеряющий частоту изменения напряжения. Турбинные расходомеры устанавливаются для измерения больших расходов до 1000 и выпускаются для работы на холодной и горячей (до 80 °С) воде. Одним из недостатков скоростных (вихревых) расходомеров, является повышенная чувствительность к эпюре скоростей потока жидкости в точке измерения. Искаженная (т.е. неравномерная) эпюра скоростей формируется после гидравлических сопротивлений (прежде всего - гидравлических колен и запорно-регулирующей арматуры). В ряде случаев такое искажение эпюры скоростей может привести даже к срыву режима вихреобразования, для уменьшения этого недостатка используются стабилизаторы потока или струевыпрямители. Достоинством турбинных водосчетчиков является простота их конструкции и обслуживания, а также небольшая стоимость. Для установки турбинных водосчетчиков требуется прямой участок трубопровода длиной, равной пяти—восьми диаметрам трубы перед счетчиком и двум—трем диаметрам после него.

Объемный и весовой методы. Наиболее простыми и вместе с тем точными способами измерения расхода жидкости являются объемный и весовой способы.

Для определения расхода этими предполагают наличие мерных сосудов или весов. С их походят суммарное количество вещества с отсчетом показаний в начале и в конце периода измерения.

При объемном способе жидкость из трубопровода или другого аппарата поступает в тщательно протарированный резервуар (мерную емкость),при этом фиксируется время его наполнения. Объемный расход в единицу времени будет равен объему резервуара

, деленному на время его наполнения

При весовом способе взвешиванием на весах находят вес всей жидкости, поступившей в мерник за определенное время. Определяют весовой расход можно по формуле, зная плотность жидкости при определенной температуре.

К современным способам определения расхода жидкости или газа относятся электромагнитные расходомеры, преобразующие скорость движущейся в магнитном поле проводящей жидкости в ЭДС и ультразвуковые расходомеры, основанные на эффекте увлечения звуковых колебаний движущейся средой.

Действие электромагнитных расходомеров основано на законе электромагнитной индукции, согласно которому в проводнике, движущемся в магнитном поле, будет наводиться э. д. с, пропорциональная скорости движения проводника. В электромагнитных расходомерах роль проводника выполняет электропроводная жидкость, протекающая по трубопроводу 1 и пересекающая магнитное поле 3 электромагнита 2. При этом в жидкости будет наводиться э. д. с. U, пропорциональная скорости ее движения, т. е. расходу жидкости. Степень агрессивности измеряемых сред для электромагнитных расходомеров определяется материалом изоляции трубы и электродов первичного преобразователя. В расходомерах для этой цели используют резину, кислотостойкую эмаль и фторопласт. Отличительная особенность электромагнитных расходомеров- отсутствие дополнительных потерь давления на участке. измерения. Это объясняется отсутствием деталей, выступающих внутрь трубы. Особенно ценным свойством таких расходомеров в отличие от расходомеров других типов является возможность измерения расхода агрессивных, абразивных и вязких жидкостей и пульп.

Ультразвуковые расходомеры

Действие этих расходомеров основано на сложении скорости распространения ультразвука в жидкости и скорости самого потока жидкости. Излучатель и приемник ультразвуковых импульсов расходомера располагают на торцах измерительного участка трубопровода. Электронный блок содержит генератор импульсов и измеритель времени прохождения импульсом расстояния между излучателем и приемником.

Перед началом эксплуатации расходомер заполняют жидкостью, расход которой будут измерять, и определяют время прохождения импульсом этого расстояния в стоячей среде. При движении потока его скорость будет складываться со скоростью ультразвука, что приведет к уменьшению времени пробега импульса. Это время, преобразуемое в блоке в унифицированный токовый сигнал, будет тем меньше, чем больше скорость потока, т. е, чем больше его расход Q.

Ультразвуковые расходомеры обладают теми же достоинствами, что и электромагнитные, и, кроме того, могут измерять расход неэлектропроводных жидкостей.

Измерение расхода и количества является сложной задачей, поскольку на показания приборов влияют физические свойства измеряемых потоков: плотность, вязкость, соотношение фаз в потоке и т. п. Физические свойства измеряемых потоков, в свою очередь, зависят от условий эксплуатации, главным образом от температуры и давления.

Если условия эксплуатации расходомера отличаются от условий, при которых производилась его градуировка, то ошибка в показаниях прибора может значительно превысить допустимое значение. Поэтому для серийно выпускаемых приборов установлены ограничения области их применения: по свойствам измеряемого потока, максимальной температуре и давлению, содержанию твердых частиц или газов в жидкости и т. п.