1.2 Методы измерения расхода
В производствах измеряют расход веществ не только для контроля результатов производства, но и для управления технологическим процессом.
Расход вещества -- это количество вещества, протекающее через данное сечение трубопровода в единицу времени. В зависимости от особенностей технологического процесса, состояния вещества и принятого способа хозяйственного расчета измеряют расход в единицах объема -- объемный расход, либо в единицах массы -- массовый расход. Объемный расход, как правило, применяют для жидкостей и газов.
Объемный расход выражают в единице объема вещества, протекающего в единицу времени, -- метры кубические в час (м3/ч) или литры в секунду (л/с). Расход газов удобнее всего измерять в м3/ч, а жидкостей-- в м3/ч или в л/с. Показатели измерения расхода газов приводят к нормальным условиям -- температуре окружающей среды 20°С и давлению 760 мм рт. ст. Массовый расход измеряют в единице массы (кг, т) протекающий в единицу времени (час) -- кг/ч, т/ч. Показатели измерения расхода неразрывно связаны с температурой и давлением измеряемой среды.
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 измеряемой жидкости, так как плотность жидкости зависит от температуры.
Зависимость плотности жидкости от температуры приближенно выражается формулой
, ( 1 )
где - плотность жидкости при температуре 20 °С;
- температурный коэффициент объемного расширения жидкости ();
- температура жидкости, °С.
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 101325 Па (760 мм рт. ст.), относительная влажность = 0%. Для пересчета объема сухого газа к объему Vн в указанных условиях используют формулу
, ( 2 )
где - абсолютное давление газа в рабочем состоянии; (Па)
- давление газа при нормальных условиях; (Па)
- абсолютная температура газа в рабочем состоянии (К);
- абсолютная температура, соответствующая состоянию газа при нормальных условиях;
- коэффициент, учитывающий отклонение реального газа от идеального, т. е. коэффициент сжимаемости газа (при давлении меньше 0,49 МПа и температуре ниже 50 °С коэффициент К практически равен единице для всех газов).
При переходе от объемных единиц к массовым необходимо привести к нормальным условиям плотность газа. Плотность сухого газа при нормальных условиях
, ( 3 )
где -плотность сухого газа в рабочем состоянии при данных значениях P и Т.
На практике для измерения расхода вещества используется значительное число методов измерения -- объемный, скоростной, индукционный, а также методы измерения постоянного и переменного перепадов.
Измерение количества вещества издревле велось методом учета объемов. Примером простейшего измерения отпущенного количества может служить ряд емкостей (бадей), связанных кольцевой бечевой, цепью и поднимающих воду из озера для раздачи ее в арыки. В усовершенствованном виде объемный метод измерения применяют и поныне. Он основан на суммировании единиц постоянных объемов вещества, отмеренных в единицу времени.
Усовершенствование конструкций устройств, подающих (перекачивающих) воду, привело к созданию различных насосов. Конструкции поршневых насосов определили одну из первых конструкций приборов, работающих на принципах объемного измерения расхода. Центробежные насосы способствовали появлению скоростного метода измерения расхода. Он состоит в замере скорости протекания жидкости по трубопроводу. Метод основан на соответствии скорости протекания определенному расходу.
В известной степени индукционный метод можно считать развитием скоростного. Значения электродвижущей силы (ЭДС), индуктируемой потоком электропроводной жидкости, пропорционально скорости потока в трубопроводе, и, следовательно, может быть выражено в принятых единицах расхода.
Поиски более точных и технологически совершенных методов измерения расхода привели к созданию метода перепада, являющегося функцией расхода. Было создано два направления в измерении этим методом: первое -- при постоянном перепаде и второе -- при переменном.
Измерение методом постоянного перепада принято называть методом обтекания. Он основан на измерении вертикального перемещения поплавка (поршня) в камере прибора при протекании по нему измеряемого вещества снизу вверх. В данном случае используется принцип уравновешивания веса поплавка разностью давления -- выталкивающей силы.
Измерение методом переменного перепада принято называть дроссельным. Метод назван по наименованию сужающего устройства -- дросселя, устанавливаемого в технологический трубопровод с измеряемой средой. Этим методом измеряют перепад давления в трубопроводе до и после дросселя, создаваемый при движении вещества в трубопроводе.
1.3 Средства для измерения расхода
Необходимость удовлетворения вышеперечисленных разнообразных и сложных требований обусловила создание многочисленных видов расходомеров и счетчиков количества, основанных на самых различных методах измерения. Ни один из них не может удовлетворить одновременно всем предъявляемым требованиям. При выборе того или иного прибора надо исходить из свойств измеряемого вещества, его параметров и значений его расхода, а также из обоснованных требований к точности измерения, учитывая при этом степень сложности измерительного устройства и условия его эксплуатации.
Расходомерами называют приборы, предназначенные для измерения расхода вещества. По принципу действия расходомеры, наиболее применяемые в химических производствах, можно разделить на расходомеры переменного и постоянного перепада давления, скоростного напора, переменного уровня и индукционные, тахометрические, калориметрические и т.д.
Среди довольно широкой классификации приборов, измеряющих объемный или массовый расход, можно выделить два класса: контактные и бесконтактные. Классы можно разделить на группы, в основу работы которых легли различные принципы.
Рассмотрим класс контактных расходомеров - преобразователь непосредственно контактирует с потоком. Так расходомеры строятся на зависимости расхода от перепада давления контролируемой среды. Различают расходомеры переменного и постоянного перепада давления. В приборах переменного перепада давления рассматривается проход среды через сужающее устройство и контролируется давление до и после сужающего устройства. В приборах постоянного перепада давление контролируется выталкивающая сила, действующее со стороны движущегося потока на возникающее на его пути препятствие в виде поплавка.
Другим направлением строительства контактных расходомеров являются тахометрические или турбинные расходомеры. Здесь рассматривается зависимость параметров углового перемещение препятствия в виде ротора, заслонки или крыльчатки от скорости потока.
Вихревые расходомеры строятся на контроле вихрей (турбулентности) потока, возникающих в результате взаимодействия набегающего потока и неподвижного препятствия в виде крыла или другой формы. При этом измеряется частота колебаний, возникающих в процессе вихреобразования.
Существуют также расходомеры обтекания (ротаметры): поршневые, поплавковые, шариковые расходомеры и расходомеры с неподвижным крылом основаны на взаимодействии потока с препятствием (обтекаемым телом) и вызывающие их перемещение под воздействием динамического давления набегающего потока.
Силовые расходомеры, применяются для измерения массового расхода и основаны на зависимости от массового расхода эффекта силового воздействия, сообщаемого потоку ускорение того или другого рода. Различаются расходомеры данного класса по виду дополнительного движения и сообщаемого при этом ускорения. Различают кориолисовые, турбосиловые и гироскопические расходомеры.
Бесконтактные расходомеры основываются на взаимодействии с потоком различного рода излучения и электромагнитных, магнитных и электрических полей. На взаимодействии потока токопроводящей жидкости с магнитным полем строятся индукционные и электромагнитные расходомеры.
На основе анализа теплообменных процессов строятся тепловые расходомеры. Взаимодействие различного рода излучения с веществом потока дало развитие нескольких направлений расходомеров. Так зависимость скорости распространения звука в движущейся среде от скорости движения среды легла в основу ультразвуковых расходомеров. Данный принцип лег в основу лазерных доплеровских расходомеров. Ионизация вещества радиоактивным или рентгеновским излучением и измерение скорости сдвига данных заряженных образований, так же имеющих скорость потока, легли в основу радиационных расходомеров. Данные группы расходомеров: индукционные, тепловые, ультразвуковые, лазерные и радиационные составляют класс бесконтактных расходомеров, не требующих разрушения целостности трубопровода.
Итак, классификацию жидкостных расходомеров можно представить так, как показано на рисунке 1.
Рисунок 1 - Классификация расходомеров жидкости
Существует также еще ряд неотраженных на рисунке 1 расходомеров, которые либо не получили широкое распространение или имеют ограниченное, специфическое применение, либо уже устарели и заменены. К таким приборам относятся: трубопоршневые расходомеры; расходомеры с колеблющимся шариком; гальванические расходомеры; дроссельные расходомеры; вакуумные расходомеры; поплавковые расходомеры; щелевые расходомеры непрерывного взвешивания.
1.3.1 Тахометрический расходомер
Тахометрическими называются расходомеры и счетчики количества, основанные на зависимости от расхода вещества скорости движения тела, установленного в трубопроводе.
В подавляющем большинстве случаев преобразователь расхода (турбинка, роторы, шарик и т. п.) под воздействием потока вращается. В сравнительно редких случаях его подвижный элемент совершает поступательное движение, нутационное или какое-либо иное.
В зависимости от устройства преобразователя расхода тахометрические расходомеры разделяются на: а) турбинные, б) шариковые, в) камерные. Если вал турбинки или другого преобразователя расхода связать через редуктор со счетным механизмом, то получим измеритель количества - счетчик жидкости или газа. Такие приборы широко применяются при контроле количества жидкости или газа. Значительно позже получили распространение тахометрические расходомеры. В этом случае обязательной частью прибора является тахометрическое устройство для измерения скорости вращения подвижного элемента, состоящее почти всегда из двух самостоятельных частей: тахометрического преобразователя скорости вращения вала в частоту импульсов, обычно электрических, и измерителя частоты этих импульсов электрического аналогового или цифрового частотомера. Если дополнительно иметь электрический счетчик числа импульсов, то одновременно получим и измерение количества.
Электрический тахометрический преобразователь почти не нагружает вал турбинки или другого преобразователя расхода. Это способствует существенному повышению точности измерения. Погрешность измерения количества, измеряемого электрическим счетчиком, в этой схеме не превышает ±0.5%, в то время как у стандартных турбинных счетчиков нефти, вал которых через редуктор связан со счетным механизмом, погрешность составляет ±2%, т. е. в четыре раза больше. Кроме того, отсутствие механической связи со счетчиком исключает необходимость в выводе оси турбинки через уплотнение, что, несомненно, повышает надежность работы прибора. Таким образом, современный тахометрический расходомер со счетчиком состоит из четырех элементов:
а) преобразователя расхода (турбинки, шарика и т.п.);
б) тахометрического преобразователя скорости вращения турбинки или другого элемента в частоту электрических импульсов;
в) электрического частотомера; г) электрического счетчика.
Тахометрические счетчики (турбинные и камерные) занимают основное место среди приборов для измерения количества жидкости и газа. Широкое распространение за рубежом получили также турбинные расходомеры для измерения расхода жидкости. Там они изготовляются для труб диаметром от 4 до 750мм для давлений до 250 МПа (2500 кгс/см) и выше и для температур в диапазоне от минус 240 до плюс 700°С. У нас аналогичные приборы широко применяются для измерения расхода жидкого топлива в транспортных установках. В последнее время расширяется область применения подобных приборов также в нефтяной, химической и других отраслях промышленности. Рассматриваемые приборы обладают следующими достоинствами: высокая точность, особенно камерные, большой диапазон измерения.