Лекция 5
Измерение расхода и количества вещества
Общие сведения
Количество жидкости, газа или пара, проходящее через данное сечение канала в единицу времени называют расходом этого вещества. В зависимости от того, в каких единицах он измеряется, различают объемный и массовыйрасходы. Количество вещества измеряют счетчиками количества, а расход – расходомерами.
Массовый расход дает более полные сведения о количестве вещества, так как объем газов зависит от температуры и давления. Поэтому для получения сопоставимых результатов объемные расходы газов приводят к нормальным условиям (t0=20 0С; р = 0,1 МПа, φ = 0) и обозначают GН,0 (нм3/ч; нм3/с).
Применяют различные методы измерения расхода вещества и конструкции расходомеров и счетчиков. Наиболее распространены следующие расходомеры: переменного перепада давления с сужающими устройствами, постоянного перепада давления, тахометрические, электромагнитные, ультразвуковые.
Расходомеры переменного перепада давления
Расходомеры переменного перепада давления основаны на том, что расход вещества зависит от перепада давления, создаваемого неподвижным устройством, установленным в трубопроводе, или элементом трубопровода. К этой группе относятся расходомеры с сужающим устройством, с напорным устройством и др.
Расходомер с сужающим устройством. Его действие базируется на том, что расход зависит от перепада давления, образующегося в сужающем устройстве, в результате частичного перехода потенциальной энергии потока в кинетическую. Такой расходомер состоит из установленного в трубопроводе сужающего устройства, перепад давления на котором посредством импульсных соединительных трубок передается на дифманометр и далее на вторичный прибор. Расходомеры этого типа позволяют измерять расходы жидкости, газа и пара в широких пределах при различных температурах и давлениях, а также обеспечивают относительно высокую точность измерения, регистрацию показаний и их передачу на расстояние.
К сужающим устройствам относят диафрагмы, сопла и сопла Вентури (рисунок 5.1). Эти устройства используют в комплекте с дифференциальными манометрами для измерения расхода и количества жидкостей, газов и паров в горизонтальных, наклонных и вертикальных трубопроводах без индивидуальной градуировки.
Рисунок 5.1 − Сужающие устройства: а – диафрагма; б – сопло; в – сопло Вентури
Диафрагма (рисунок 5.1, а)представляет собой тонкий диск с центральным отверстием, передняя часть которого имеет цилиндрическую форму, переходящую в расширяющийся конус. Отбор давления осуществляется с помощью кольцевых камер, расположенных по окружности трубы, или с помощью отдельных отверстий в трубопроводе (бескамерный отбор). Диафрагмы широко применяют для измерения расходов жидкости, пара или влажного газа.
Сопло (рисунок 5.1, б)имеет спрофилированную входную часть, которая переходит в цилиндрический участок диаметром d. Отбор давления осуществляется так же, как и в диафрагме. Сопла используют для измерения расхода паров и газов, причем они позволяют измерять больший расход, чем диафрагма. Потери давления и ошибки измерения у сопла ниже, чем у диафрагмы.
Сопло Вентури (рисунок 5.1, в) применяют там, где при измерении расхода недопустимы большие потери давления. Оно состоит из двух частей: стандартного сопла и диффузора. Отбор давления от сопла осуществляется через кольцевые камеры.
Рисунок 5.2 −Распределение статического давления в трубопроводе при установке сужающего устройства
Зависимость измеряемого статического давления среды от длины l трубопровода при установке в нем сужающего устройства показана на рисунке 5.2. На основании закона сохранения энергии и неразрывности потока можно получить выражения для расхода сжимаемой среды (газ, пар): 
где GM и G0 − массовый и объемный расход; ε − поправочный множитель на расширение измеряемой (сжимаемой) среды (например, для воды он равен 1), определяемый экспериментально при градуировке прибора; S − площадь отверстия сужающего устройства; α − безразмерный коэффициент расхода, определяемый экспериментальным путем; ρ − плотность измеряемой среды; р1 и р2 − измеряемые давления.
Если коэффициент α и множитель ε не зависят от измеряемого расхода, выражения записывают так:
,
где Км и К0 − постоянные коэффициенты.
При расчете градуировочной характеристики расходомера значение αи в зависимости от отношения диаметров d/D и комплекса Gм/(Dμ) (μ − динамическая вязкость среды) берется из нормативных документов. Выбранный идеальный коэффициент αи не учитывает реальных условий работы сужающего устройства − шероховатость трубопровода и износ острой входной кромки у диафрагм. Реальный коэффициент α определяется умножением коэффициента αи на соответствующие коэффициенты шероховатости KШ и износа кромки Кик. При измерении расходов вязких жидкостей в трубопроводах с малым диаметром необходимо вводить в показания расходомеров дополнительную поправку либо проводить их индивидуальную градуировку.
Поправочный множитель ε на расширение среды при прохождении сужающего устройства зависит от отношения (р1− р2)/р1 и свойств среды. Чем больше это отношение, тем больше поправочный множитель ε отличается от единицы. При одинаковом отношении Δр/р1 поправочный множитель ε для диафрагм больше, чем для стандартных сопл. При изменении расхода отношение Δр/р1 меняется, поэтому градуировочную зависимость определяют, ориентируясь на поправочный множитель εср, соответствующий среднему расходу сжимаемой среды Gм.cp. Отклонение действительного от среднего расхода вызывает погрешность, которая снижается с уменьшением отношения Δр/р1.
Другим параметром, влияющим на измеряемый расход, является плотность среды до сужающего устройства, которую определяют из таблиц в зависимости от температуры и давления среды, измеряемых в трубопроводе перед этим устройством. Необходимы также поправки на увеличение диаметров трубопроводов и проходного сечения сужающего устройства из-за повышенной температуры измеряемой среды.
Расчет и выбор сужающих устройств производят на основе заданной измеряемой среды и условий измерения, т.е. температуры среды t°c, диаметра трубопровода D, среднего Gcp и максимального Gmax расхода, номинального давления p1 и потери давления рп на сужающем устройстве.
В результате расчета, выполняемого методом последовательных приближений, определяют тип сужающего устройства и его параметры. Затем по выбранному значению измеряемой разности давлений Δр подбирают тип дифманометра с соответствующим пределом измерения разности давлений (таблица 5.1).
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 значении измеряемой величины).
Таблица 5.1 − Рабочие дифманометры
| Сумма абсолютных значении | |||
| Наименование | Тип | пределов, или | Класс |
| верхний предел измерений. кПа | точности | ||
| Показывающие или самопишущие приборы прямого действия: | |||
| жидкостные (ртуть, масло | ДТ | 2,5; 7 | |
| MBП) | |||
| сильфонные | ДП | От 0,63 до 100 | 1; 1,6 |
| ДСС (П) | 1; 1,5 | ||
| ДСКС (П) | От 6,3 до 160 | ||
| Бесшкальные приборы со встроенными дифференциально-трансформаторными преобразователями: | |||
| мембранные | ДМИ | От 0,63 до 100 | 1,5 |
| ДМ | От 1,6 до 630 | 1; 1,5 | |
| колокольные | ДКО | От 0,1 до 1 | 1,5 |
| Бесшкальные приборы со | |||
| встроенными ферродинамическими преобразователями: | |||
| колокольные | ДКОФМ | От0,04 до 0,4 | |
| мембранные | ДМК | От 1 до 10 | 1,5 |
| Бесшкальные приборы со встроенными преобразователями с компенсацией магнитных потоков: | |||
| сильфонные | ДСЭН | От 1 до 4 | |
| ДСЭТ | От −1 до −4 | ||
| ДСЭТН | 0,4 | ||
| ДСЭР | От 1 до 4 | 1,5 | |
| мембранные | ДМЭ | От 1,6 до 630 | |
| ДМЭР | От 4 до 630 | 1.5 | |
| Бесшкальные приборы со встроенными преобразователями с силовой компенсацией: | |||
| сильфонные | ДС−Э | От 4 до 25 | 1; 1,5 |
| ДС−ЭР | От 6,3 до 630 | 1,5; 2,5 | |
| мембранные | ДМ–Э | Oт 0,16 до 6 | 1: 1.5 |
| ДМ−ЭР | 1,5; 2,5 | ||
| «Сапфир-22» | ДД | От 0,16 до 16000 | 0,5 |
Примечание. Дифманометры имеют следующий стандартный ряд пределов измерений (1; 1,6; 2,5; 4; 6,3; 10; 16; 25; 40; 63;100;160; 250; 400; 630) кПа.
Часто на практике приходится определять расход загрязненных, неоднородных жидкостей или газов, для чего применяют нестандартные сужающие устройства − сегментные диафрагмы, в которых имеется отверстие, выполненное в виде сегмента окружности. При измерении неоднородных жидкостей оно располагается в нижней части, а при измерении неоднородных газов − в верхней части трубопроводов.
Рисунок 5.3 − Профили нестандартных сужающих устройств для измерения малых расходов жидкостей (а − при m = 0,1÷0,2, б − при m = 0,06÷0,12, в − при т = 0,25÷0,36) и сегментная диафрагма (г)
При измерении расхода вязких жидкостей используют нестандартные сужающие устройства с постоянным коэффициентом α. Различные профили этих устройств и их зависимость от значения m = d/D показаны на рисунке 15.3, а, б, в. Для измерения расхода мазута применяют сужающее устройство с профилем «четверть круга» (рисунок 15.3, в).Расход загрязненных жидкостей или газов измеряют с помощью сегментной диафрагмы со смещенным отверстием (рисунок 15.3, г).
Стандартные сужающие устройства в комплекте с дифманометрами применяют для измерения расхода веществ в трубопроводах круглого сечения с 0,05 < m < 0,64. В других трубопроводах осуществляют индивидуальную градуировку расходомеров. 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.
Рассмотрим схемы соединительных (импульсных) линий при измерении расхода жидкости, газа, пара.
При измерении расхода жидкости дифманометр рекомендуется устанавливать ниже сужающего устройства 3 (рисунок 5.4, а).Соединительные линии подсоединяют в пределах углов ψ. При установке дифманометра 1 выше сужающего устройства (рисунок 15.4, б)во всех наивысших точках линий устанавливают газосборники 5 с продувочными вентилями. Если измеряемая жидкость имеет высокую температуру (t° > 120 °С), для обеспечения равенства плотностей жидкости в обеих соединительных линиях устанавливают уравнительные сосуды 4. Трубы до сосудов покрывают тепловой изоляцией.
При измерении расхода пара также необходимо использовать уравнительные сосуды, которые обеспечивают постоянство и одинаковую высоту уровней конденсата в обеих линиях. Трубы до сосудов покрывают тепловой изоляцией. Для удаления воздуха из линий дифманометры рекомендуется устанавливать ниже сужающего устройства, в противном случае ставят газосборники.
 |
Рисунок 5.4 − Схемы подсоединений импульсных линий к трубопроводу при измерении расхода жидкости: а −при установке дифманометра ниже сужающего устройства, б − при установке дифманометра выше сужающего устройства
При измерении расхода газа дифманометры располагают выше сужающего устройства, чтобы влага, выделяющаяся из газа, стекала в трубопровод. Если это не удается, в низких точках линий размещают сборники влаги с вентилями продувки 2. Кроме того, при измерении расхода горячих газов необходимо обеспечить одинаковую температуру в обеих линиях.
Соединительные линии не рекомендуется прокладывать вблизи горячих трубопроводов и печей, в противном случае их покрывают изоляцией.
Основными достоинствами расходомеров с сужающими устройствами являются: широкая область давлений, температур и расходов, в которой их можно использовать при измерении однофазных веществ, определение градуировочной характеристики расчетным путем; взаимозаменяемость дифманометров и вторичных приборов. 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.
Для определения общего количества вещества по измеренному мгновенному расходу используют частотные интеграторы И4, которые работают совместно с расходомерами, имеющими частотный преобразователь В4 с сигналом от 4 до 8 кГц. Входной сигнал И4 преобразуется в последовательность импульсов, которые поступают на вход асинхронного двигателя, работающего в шаговом режиме. Двигатель перемещает указатель сумматора по шкале. Интегрирование занимает от 3 мин до 125 ч. В приборе предусмотрен сброс показаний. Другие счетчики − частотные сумматоры СЧ и счетчики импульсов СИ − имеют такой же принцип действия, но результат выдают в цифровой форме.
Расходомер с напорным устройством (рисунок 5.5).Его действие базируется на том, что расход зависит от перепада давления, создаваемого напорным устройством, в результате перехода кинетической энергии струи в потенциальную. Напорная трубка расходомера, располагаемая по оси трубопровода навстречу потоку, воспринимает полный и статический напоры, разность которых (динамический напор) измеряется посредством дифманометра. Расходомеры с напорным устройством применяются для измерения расхода жидкостей и газов в трубопроводах больших диаметров и при больших скоростях потоков, а также в трубопроводах некруглого сечения.
Рисунок 5.5 – Расходомер с напорным устройством
5.3 Расходомеры постоянного перепада давления
Расходомеры постоянного перепада давления входят в группу расходомеров обтекания. Действие расходомеров постоянного перепада давления основано на том, что расход вещества зависит от вертикального перемещения тела, изменяющего площадь проходного отверстия прибора таким образом, что перепад давления на поплавке остается постоянным. К приборам этого типа относятся ротаметры, поплавковые расходомеры и др.
Ротаметр (рисунок 5.6) представляет собой вертикальную коническую, расширяющуюся кверху трубку, в которой находится поплавок. Изменение подачи вещества снизу вверх по этой трубке приводит к перемещению поплавка. Обычно длина трубки ротаметра не менее, чем в 10 раз превышает его диаметр, что обеспечивает значительный ход поплавка. При этом поплавок или связанный с ним стержень позволяют осуществлять наблюдения.
Рисунок 5.6 – Схема ротаметра
В зависимости от устройства различают стеклянные н металлические ротаметры. Стеклянные ротаметры являются показывающими и рассчитаны на давление до 0,6 МПа. Считывание их показаний осуществляется по шкале, нанесенной на коническую стеклянную трубку. Указателем шкалы служит верхняя кромка поплавка. Металлические ротаметры применяют для измерения расхода сред давлением более 6,4 МПа. Коническая трубка у них металлическая. Передача показаний у этих ротаметров осуществляется дистанционно либо с помощью дифференциально-трансформаторных, либо пневматических преобразователей. Выпускаются ротаметры классов точности 1,5; 2,5. Точность показаний может быть повышена в 2-3 раза в результате индивидуальной градуировки.
Недостатками ротаметров являются необходимость их установки на вертикальных трубопроводах, непригодность для измерения расхода сред с высокими давлением и температурой, необходимость разрыва трубопровода для установки конической трубки.
Поплавковый расходомер (рисунок 5.7) имеет поплавок конической формы, который вертикально перемещается внутри отверстия на небольшое расстояние (не более диаметра поплавка). Расходомеры снабжаются дистанционной передачей показаний.
Рисунок 5.7 – Поплавковый расходомер
Расходомеры постоянного перепада давления имеют большие пределы измерений, позволяют измерять также и малые расходы, обладают небольшими безвозвратными потерями, постоянными во всем диапазоне измерения, имеют относительную равномерную шкалу, но требуют индивидуальной градуировки.
