Контроль расхода
6.Контроль расхода
6.1Физический смысл понятий «расход» и «количество»
Расходом вещества называется количество вещества, прохо дящее через данное сечение канала в единицу времени.
Количество вещества выражают в единицах объема или массы [1]. Основной единицей объема жидкости (газа) принимается кубический метр (м3). Основной единицей массы жидкости (газа) принимается килограмм (кг). Количество жидкости (газа) с равной степенью точности может быть измерено и объемным и массовым методом, т.к. плотность жидкости (газа) при определенной температуре является величиной постоянной, характерной для каждой данной жидкости (газа).
Для твердых сыпучих тел пользуются понятием насыпной или объемной массы. Насыпная масса твердого сыпучего материала не имеет для данного вещества постоянного значения, она зависит от размера и количественного содержания частиц различной величины в об щей массе сыпучего материала. Поэтому для получения более точных результатов при измерении количество сыпучего мате риала определяется взвешиванием.
Приборы, измеряющие расход, называются расходомерами. Эти приборы могут быть снабжены счетчиками (интеграторами), тогда они называются расходомерами-счетчиками. Такие приборы позволяют измерять расход и количество вещества.
6.2 Основные принципы измерения расхода
Принципы измерения расхода основаны:
На возникновении перепада давлений на установленном внутри трубо провода сужающем устройстве. Разность статических давле ний до и после сужающего устройства (перепад давлений), измеряемая диффе ренциальным манометром, зависит от расхода протекающего вещества и служит мерой расхода. Этот принцип применяется в расходомерах переменного перепада давления.
На перемещении чувствительного элемента (поплавка), уста новленного в вертикальной конической расширяющейся трубке (через нее снизу вверх подается вещество, расход которого измеряется). При измене нии расхода жидкости, газа или пара поплавок перемещается вверх, изме няя проходное сечение между поплавком и внутренними стенками трубки. Высота подъема поплавка функционально связана с величиной расхода веще ства. Перепад давления на поплавке при перемещении его вдоль оси трубки остается практически постоянным. Этот принцип применяется в расходомерах постоянного перепада давления (ротаметрах).
На зависимости между расходом протекающего по трубопроводу вещества и изме ренным напорной трубкой динамическим (скоростным) напором. Если напорная трубка располагается по оси трубопровода, то расход Q (в м3/ч) определяется из уравнения. Этот принцип применяется в расходомерах скоростного напора.
На изменении высоты уровня жидкости в сосуде при непрерывном поступлении и свободном истечении ее из сосуда через отверстие в случае изменения рас хода жидкости. Расходомеры переменного уровня состоят из приемника – цилиндрического или прямоугольного сосуда с круглым отверстием (диафрагмой) в дне для истече ния, либо с щелевым отверстием для истечения в боко вой поверхности сосуда – и любого стандартного измерителя уровня. Этот принцип применяется в расходомерах переменного уровня.
На изменении пропорциональной объемному расходу ЭДС, индуктиро ванной в потоке электропроводной жидкости под действием внешнего магнит ного поля. Этот принцип применяется в индукционных (электромагнитных) расходомерах [6].
6.3 Метод переменного перепада давления.
Является самым распространенным и изученным методом измерения расхода жидкости, пара и газа.
В измерительной технике сужающими устройствами являются диафрагмы, сопла и сопла Вентури.
Наиболее часто из них применяются диафрагмы, которые представляют собой тонкий диск, установленный в трубопроводе так, чтобы его отверстие было концентрично внутреннему контуру сечения трубопровода. Сужение потока начинается до диафрагмы. Затем на некотором расстоянии за ней благодаря действию сил инерции, поток сужается до минимального значения, а далее постепенно расширяется до полного сечения трубопровода. Перед диафрагмой и за ней образуются зоны с вихревым движением. Перед диафрагмой и за ней образуются зоны с вихревым движением, причем зона вихрей за диафрагмой больше, чем перед ней (рис.4.43) [4].
Давление струи около стенки трубопровода несколько воз растает из-за подпора перед диафрагмой и понижается до мини мума за диафрагмой в наиболее узком сечении струи. Далее по мере расширения струи давление потока около стенки снова повышается, но не достигает прежнего значения. Потери части давления рп объясняются главным образом потерей энергии на трение и завихрения. Разность давлений (p'1–p'2) является перепадом, зависящим от расхода среды, протекающей через трубопровод. После прохождения сужающего устройства измеряемый поток продолжает сужаться. В самом узком сечении потока величина статического давления составляет значение р2'. Вследствие того что струя, протека ющая через сопло, почти не отрывается от его профилированной части, потери на завихрения возникают в основном за соплом, поэтому остаточная потеря давления рп в сопле, по сравнению с диафрагмой, меньше. Еще меньше потери давления рп в сопле Вентури, профиль которого близок к сечению потока, проходя щего через сужение. При измерении расхода по методу переменного перепада давлений протекающее вещество должно целиком заполнять все сечение трубопровода и сужающего устройства, поток в трубопро воде должен быть практически установившимся, фазовое состоя ние веществ не должно изменяться при прохождении через су жающее устройство (жидкость не должна испаряться, пар должен оставаться перегретым и т. п.). Для установления зависимости расхода вещества от перепада давлений, возникающего на сужающем устройстве, используют практические зависимости [3]:
объемный расход ,
массовый расход ,
где Q – объемный расход вещества; Qм – массовый расход вещества; – коэффициент
расхода вещества; F0 – площадь отверстия диафрагмы; – плотность измеряемого вещества; Р1 – давление вещества непосредственно у стенки трубопровода до сужающего устройства; Р2 – давление вещества непосредственно у стенки трубопровода после сужающего устройства.
Еще меньше потери Рп в сопле Вентури.
Перепад давления измеряется дифманометрами. Комплект расходомера состоит из элементов:
1) сужающее устройство (Д);
2) импульсные трубки (Т);
3) дифманометр (ДМ).
В качестве дифманометров обычно используются преобразователи разности давлений типа "Сапфир".
6.4 Расходомеры постоянного перепада давления.
Наиболее распространенными приборами группы расходомеров постоянного перепада давления являются ротаметры (см. рис. 6.3), которые имеют ряд преимуществ перед расходометрами переменного перепада давления:
а) потери Рп незначительны и не зависят от расхода;
б) имеют большой диапазон измерения и позволяют измерять малые расходы.
Принцип действия основан на измерении положения Н поплавка, вращающегося в расширяющейся кверху трубке под влиянием направленной вверх струи. Q - расход проходящего через трубку газа или жидкости,
- угол наклона стенок трубки.
Зависимость Н от Q нелинейна, но в начальном и среднем участках равномерность делений шкалы искажается в незначительной степени.
Отсутствие прямой зависимости между Q и Н требует индивидуальной градуировки каждого прибора.
Ротаметрические трубки обычно изготавливаются из стекла, на которое наносится шкала. Ротор также может быть изготовлен в виде шарика или диска.
6.5 Индукционные расходомеры.
Принцип действия электромагнитных расходомеров основан на измерении ЭДС, индуцируемой в потоке электропроводной жидкости под действием внешнего магнитного поля.
Принципиальная схема электромагнитного расходомера показана на рис. 76. Участок трубопровода 1, расположенный между 2 полюсами постоянного магнита перпендикулярно направлению силовых линий магнитного поля, изготовляется из немагнитного материала (фто--ропласта, эбонита и т. д.). В стенки трубопровода заделаны измерительные электроды 3.
Под действием магнитного поля ионы, находящиеся в жидкости, перемещаются и отдают свои заряды измерительным электродам 3, создавая в них ЭДС Е, пропорциональную скорости течения жидкости. К электродам 3 подключается измерительный прибор 2, шкала которого градуируется в единицах расхода. Величина этой ЭДС при постоянном магнитном поле определяется уравнением электромагнитной индукции
Е = Bdv,(6.6)
где В — магнитная индукция в зазоре между полюсами магнита; d — внутренний диаметр трубопровода; v — средняя скорость потока жидкости.
При однородном магнитном поле ЭДС пропорциональна объемному расходу.
Q ~ v
Существенные недостатки электромагнитных расходомеров с постоянным магнитом — возникновение на электродах ЭДС поляризации, гальванической ЭДС и трудности усиления малых ЭДС постоянного тока. Эти недостатки затрудняют или делают невозможным правильное измерение ЭДС, индуцируемой магнитным полем в движущейся жидкости.
Пои переменном магнитном поле электрохимические процессы оказывают меньшее влияние на показания прибора, чем при постоянном.
Электромагнитные расходомеры имеют ряд преимуществ перед рассмотренными выше. Прежде всего в них отсутствуют движущиеся части, они практически безынерционны, что очень важно при измерении быстроменяющихся расходов и при использовании их (расходомеров) в автоматических системах регулирования. На результат измерения не влияет присутствие в жидкости взвешенных частиц и пузырьков газа. Показания расходомера не зависят от свойств измеряемой жидкости (вязкости, плотности) и от характера потока (ламинарного, турбулентного).
Q
Рис. Характер потока и график распределения стати ческого давления при установке сужающего устройства в трубопроводе
ДМ
Т
Д
Рис.6.2
Н
Рис. 6.3
Контроль расхода