Методы и средства измерения расхода

Измерение расхода и количества движущейся жидкой или газообразной среды в системах учета энергоресурсов требует знаний не только таких ее термодинамических параметров как температура и давление, но ряда иных характеристик (плотность, вязкость, тип потока), которые важны для конкретных методов измерения расхода, влияют на возможность использования соответствующих технических средств и точность измерений.

Количеством среды называют массу (М) или объем (V) вещества, протекающего через сечение, перпендикулярное направлению скорости потока, за определенный интервал времени Т (час, сутки, месяц и т.д.).

Единица измерения массы в системе СИ – 1 килограмм, кг, (1т = 1000 кг), а объема – кубический метр, м³.

Расходом среды (G) называют физическую величину, равную lim (ΔК/ΔT) – пределу отношения приращения количества среды ΔК (массы ΔМ или объема ΔV) к интервалу времени ΔТ, за которое произошло это приращение, при неограниченном уменьшении ΔТ.

Различают массовый G_м и объемный G_v расходы, которые определяются через массу и объем среды, выражающиеся в основных единицах (кг/с или м³/с) или их производных. Массовый и объемный расходы связаны между собой зависимостью

G_м = G_v*ρ,

где ρ - плотность вещества.

При измерении расхода, помимо рассмотренных мгновенных расходов выделяют следующие виды расходов:

· G_cp – средний, равный отношению количества среды к определенному интервалу времени (минута, час, сутки, месяц и т.д.);

· G_np – приведенный - действительный объемный расход, но пересчитанный на другие, так называемые нормальные значения температуры и давления (Рнор = 1,0332 кг/см², tнор = 20°С);

· G_макс – наибольший, определяющий верхнюю границу возможного диапазона изменения расхода;

· G_мин – наименьший, определяющий границу возможного диапазона расхода;

· G_ном – номинальный, равный половине наибольшего;

· G_п – переходный, при котором измеряется пороговое значение погрешности прибора.

·

Измерительные приборы, предназначенные для измерения расхода вещества, называются расходомерами или преобразователями расхода (ГОСТ 15528-86).

Измерительные приборы, предназначенные для измерения количества вещества, называются счетчиками количества.

Довольно часто две указанные функции объединяются в одном приборе. В практике учета тепловой энергии применяются, в основном, преобразователи расхода.

Большинство преобразователей расхода предназначено для измерения расхода однокомпонентных и однофазных сред в условиях установившихся параметров потока (турбулентного характера потока, постоянства средней скорости на участке измерения и отсутствия возмущений), которые достигаются при достаточно протяженных прямолинейных участках трубопровода до и после места установки преобразователя расхода.

На этих участках не должно быть клапанов и задвижек, перепадов сечения трубопровода (сужений и расширений), резких изменений направления потока (колен и ответвлений).

Обычно требуемые длины прямолинейных участков задаются числами, кратными условному диаметру трубопровода Dy, то есть его среднему внутреннему диаметру при 20°С. Классификация средств измерения расхода и количества среды приведена на рис. 7.

Как видно из рис. 7 по измеряемому параметру (расход и (или) количество среды) средства измерения подразделяются на расходомеры, счетчики, расходомеры-счетчики и преобразователи (датчики) расхода.

Последние согласно ГОСТ 15528-86 вырабатывают сигнал измерительной информации, «не поддающийся непосредственному восприятию наблюдателем». Большинство современных средств расхода и количества среды реализуются в двухкомпонентном виде - первичный преобразователь (ПП) и электронный преобразователь (ЭП), причем в конкретных моделях эти две взаимосвязанные части прибора могут реализовываться в виде механически объединенного или разъединенного (связанного электрической проводной или кабельной линией) исполнений.

Современные ЭП выполняются на базе микропроцессоров, при этом в одном приборе могут быть объединены функции расходомера, счетчика и преобразователя расхода.

По типу измеряемой среды приборы разделяются на расходомеры (счетчики, преобразователи расхода) жидкости, газа и пара. Одна и та же модель не может использоваться для измерения расхода (количества) всех трех сред из-за существенных различий их физических параметров, хотя для ряда моделей (например, вихревых расходомеров) возможна программная перестройка с одного вида среды на другой (в частности с газа или пара на жидкость), что нередко используется при их градуировке или поверке в лабораторных условиях.

Жидкостью может служить холодная и горячая вода, стоки, нефть и нефтепродукты, сжиженные газы, пульпа, суспензии и т.д., то есть любые плотные и текучие среды. Для каждой конкретной модели прибора оговариваются допустимые виды жидкостей и диапазоны изменения параметров (процент газовых и плотных включений, плотность, вязкость, электропроводность). Эти параметры должны соотноситься с характеристиками реальной рабочей среды, для измерения которой будет использоваться прибор.

Под газом подразумевается природный газ (метан) и технические (кислород, водород, пропилен и т.д.) газы, а также сжатый воздух.

Пар может быть насыщенным или перегретый. Для влажного пара точное измерение расхода проблематично.

Подавляющее большинство расходомеров объемные. К массовым расходомерам относятся тепловые и кориолисовы.

Рис. 7 Классификация расходомеров и счетчиков количества вещества

4.4.1. Тахометрические расходомеры

В тахометрических расходомерах расход среды измеряется по скорости движения (вращения) механического преобразовательного элемента. К таким расходомерам относятся шариковые, крыльчатые и турбинные Последние два типа получили широкое применение для измерения расхода холодной и горячей воды, других технических жидкостей и газа. Современные расходомеры данного типа, как правило, комплектуются встроенным импульсным датчиком расхода, что позволяет использовать их при автоматизации учета.

Жидкостные турбинные расходомеры чувствительны к вязкости среды, особенно при малых расходах. Их общий недостаток - подверженность износу подвижных механических узлов и изменение в связи с этим точностных характеристик в процессе эксплуатации. Тахометрические расходомеры выпускаются для трубопроводов диаметром до 300 мм и мало пригодны для измерения абразивных и агрессивных сред.

4.4.2. Расходомеры переменного перепада давления (РППД)

Принцип действия РППД основан на измерении в соответствии с уравнением Бернулли перепада статического или полного давления потока среды на установленном первичном преобразователе (ПП) и вычислении по этому перепаду средней скорости движения среды и ее расхода.

РППД определяет объемный или массовый расход движущейся среды по измеряемому перепаду давления.

В качестве ПП в РППД при измерении расхода по перепаду статического давления используются стандартные сужающие устройства (диафрагмы, трубы Вентури, сопла), а при измерении по перепаду полного давления - многовходовые трубки Пито и усредняющие напорные трубки.

Измерение расхода жидкости, газа и пара с помощью сужающих устройств регламентирует ГОСТ 8.563-97.

На практике наиболее часто используются РППД, построенные с применением диафрагм. Расчетная погрешность измерения расхода диафрагмой зависит от характеристик среды и составляет, как правило, от 0,5% до 1,0%. Технические условия для стандартных диафрагм регламентированы ГОСТ 26969- 86.

РППД на диафрагме представляет собой составной расходомер, в комплект которого входят собственно диафрагма, соединительные или импульсные линии (трубки) отбора измеряемого давления, вентильный блок, уравнительные сосуды (при необходимости), дифференциальный манометр и вторичный показывающий или самопишущий прибор, шкала которого градуирована в единицах расхода (в зависимости от характеристик вторичного прибора в комплект может дополнительно входить блок извлечения квадратного корня).

Принцип действия РППД на диафрагме заключается в сжатии среды отверстием диафрагмы, что приводит к увеличению за ее кромкой скорости потока и его кинетической энергии (динамического давления) с соответствующим уменьшением статического давления. По краям диафрагмы создается перепад давлений, который отводится импульсными трубками к дифманометру. После прохождения диафрагмы поток расширяется, снижая скорость и восстанавливая статическое давление, которое уже не достигает прежнего значения из-за вихревых потерь давления на гидравлическом сопротивлении диафрагмы (Р_п). Величина Р_п зависит от величины m = d²/D² (соотношения квадратов площадей отверстия диафрагмы и поперечного сечения трубопроводов). Чем меньше m, тем больше перепад давления и выше точность измерения расхода, но тем больше безвозвратная потеря давления на диафрагме.

Динамический диапазон измерения диафрагменных расходомеров невелик и составляет 3:1, что объясняется квадратичной зависимостью перепада давления от расхода. Большинство дифманометров имеет динамический диапазон измерения не более 10:1. Поэтому для расходомера с одним дифманометром характерен динамический диапазон 3:1, или от (100-30 процентов) G_макс, что ограничивает его применение измерением только маломеняющихся расходов.

Следует отметить, что расход слабо сжимаемых сред, плотность которых незначительно зависит от температуры и давления (например, вода), с высокой степенью точности определяется измеряемым перепадом давления.

Для сжимаемых сред (пар, газ), плотность которых существенно зависит от давления и температуры, для точного измерения расхода необходимо еще и определение плотности среды, которое производится на основании измерения температуры и давления. При этом для сухого насыщенного пара достаточно измерить только одну из величин, поскольку его температура и давление являются взаимозависимыми параметрами.

Поэтому при определении расхода газа или перегретого пара на основании диаграмм самопишущих приборов при переменных температурах и давлениях приходится вручную обрабатывать три диаграммы (перепада давления, температуры и расхода), что во много раз увеличивает трудоемкость процесса и снижает точность определения рас хода.

Современные вторичные приборы, построенные с применением микропроцессорной техники, проводят эту процедуру автоматически.

Рассматриваемый метод измерения расхода имеет как достоинства, так и недостатки.

К достоинствам следует отнести:

· хорошую пригодность для работы в самых различных жидкостных и газовых средах;

· высокую чувствительность;

· отсутствие движущихся частей;

· сравнительно невысокую стоимость для трубопроводов диаметром до 300 мм.

К недостатком можно отнести:

· требование к прямолинейности измерительного участка (10 D_y до и 5 D_y после места установки диафрагмы);

· ограниченный динамический диапазон;

· значительные потери давления на диафрагме;

· нелинейная зависимость выходного сигнала от расхода;

· сложность изготовления и монтажа для трубопроводов большого диаметра;

· необходимость ежегодных поверок с отключением и разборкой трубопровода;

· старение диафрагмы (накопление осадков и эрозия кромок проходного отверстия).

Как видно из перечисленного, недостатков у рассматриваемого метода измерения расхода значительно больше, чем достоинств. Поэтому в подавляющем большинстве случаев предпочтительно использование более современных расходомеров (вихревых, электромагнитных, ультразвуковых).

Для измерения расхода высокотемпературного перегретого пара, например, этот метод пока является единственно пригодным.

4.4.3. Вихревые расходомеры

Принцип действия современных вихревых расходомеров основан на измерении частоты следования вихрей так называемой дорожки Кармана, образующейся при огибании потоком тела обтекания, неподвижно расположенного поперек контролируемого потока среды в его центре. В качестве тела обтекания обычно используется цилиндр или призма трапециевидного или треугольного сечения.

В результате тормозящего и ускоряющего действий слоев возникают сдвиговые напряжения или вращающие моменты сил, которые формируют вокруг некоторых мгновенных осей самосвертывающиеся вихри и обеспечивают их срыв с острых кормовых кромок тела обтекания. В 1911 г. американский аэродинамик Карман определил условия устойчивого симметричного вихреобразования, при котором вихри разного направления (по и против часовой стрелки) поочередно сбегают справа и слева с поверхности тела обтекания и следуют по потоку в шахмат ном порядке в виде вихревой дорожки. Схема работы вихревого расходомера приведена на рис. 8.

Ри

Рис. 8 Схема работы вихревого расходомера

Каждый вихрь представляет собой локальный элемент среды, в котором потенциальная энергия потока преобразуется в кинетическую, что приводит к снижению статического давления. Это местное снижение давление может быть зафиксировано чувствительным элементом (сенсором). При этом сенсор преобразует перепады (пульсации) давления в электрические им пульсы, частота которых при Re > 3800 (то есть при установившемся турбулентном потоке) пропорционально зависит от скорости среды.

Зная сечение трубы по средней скорости можно определить объемный расход среды. На практике обычно используют уравнение Gv = f/К, где К – градуировочный или калибровочный коэффициент (количество импульсов на единицу объема среды), определяемый только параметрами обтекаемого тела и трубопровода и не зависящий от плотности, вязкости, температуры и давления среды. Поэтому каждый расходомер калибруется изготовителем индивидуально для обеспечения высокой точности и повторяемости измерений.

В качестве сенсоров обычно применяют пьезоэлементы, механические элементы (мембраны), встроенные тензорезисторы или ультразвуковые преобразователи скорости (излучатель и приемник ультразвуковых колебаний, обнаруживающие вихревые колебания потока).

К достоинствам вихревых расходомеров можно отнести:

· относительно небольших прямолинейных участков (обычно 5D_y до и 3D_y после места установки);

· отсутствие в потоке подвижных изнашивающихся частей;

· независимость показаний от плотности, вязкости, температуры и давления среды;

· широкий динамический диапазон (30:1);

· линейность шкалы;

· высокая точность;

· высокое быстродействие;

· простота установки.

Недостаткам являются:

· вносимое гидравлическое сопротивление;

· чувствительность к механическим включениям;

· чувствительность к акустическим и вибрационным помехам.

Среди предприятий, выпускающих вихревые расходомеры для жидкости следует выделить челябинский концерн «Метран» («Метран 300-ПР») и завод «Старорусприбор» (ДРВ, РСВ). В г.Тюмени «Сибнефтеавтоматика» выпускает вихревые датчики расхода газа (ДРГ) и расхода пара (ДРП). ДРП рассчитаны на измерение расхода пара, температура которого не превышает 250°С.

4.4.4. Электромагнитные расходомеры

Принцип действия электромагнитных расходомеров основан на взаимодействии движущейся (проводящей) жидкости с магнитным полем. Это взаимодействие подчиняется закону электромагнитной индукции, согласно которому в движущемся проводнике, пересекающем магнитное поле, индуцируется ЭДС, величина которой пропорциональна скорости движения проводника. В данном случае в качестве проводника выступает поток проводящей жидкости. Для измерения возникающей ЭДС через стенки трубы изолированно от нее выводятся два электрода. Схема работы электромагнитного расходомера приведена на рис. 9.

Разность потенциалов Е, на электродах, расположенных на расстоянии D, равном внутреннему диаметру трубы, определяется из выражения:

Е = B*D*V_cp,

где В – магнитная индукция, V_cp – средняя скорость жидкости.

Если магнитное поле создается электромагнитом, питаемым переменным током частотой f, то

E = 4*B_макс*G_v*sincωt/πD

Электромагнитные расходомеры имеют много достоинств. Они могут применяться для измерения любых, в том числе больших расходов жидкости в трубопроводах диаметром начиная от 2 мм и выше. Их показания не зависят от вязкости и плотности среды. Шкала прибора линейна, а динамический диапазон достигает 100:1. Быстродействие прибора достаточно высоко. Преобразователь расхода не имеет частей, выступающих внутрь трубы, и не создает дополнительной потери давления. Влияние местных сопротивлений значительно меньше, чем расходомеров других типов.

Рис. 9 Схема работы электромагнитного расходомера

Большинство выпускаемых электромагнитных расходомеров пригодно для измерения расхода жидкостей с электропроводностью не менее 10^-5×Ом^-1 × см^-1, что соответствует электропроводности водопроводной воды.

4.4.5. Ультразвуковые расходомеры

Ультразвуковые расходомеры основаны на измерении того или иного акустического эффекта, зависящего от расхода и возникающего при прохождении ультразвуковых колебаний через поток жидкости или газа.

Основными элементами первичных преобразователей ультразвуковых расходомеров являются излучатели и приемники ультразвуковых колебаний. Их действие основано на пьезоэлектрическом эффекте, заключающемся в том, что при сжатии и растяжении в определенных направлениях кристаллов (пьезоэлементов) на их поверхностях возникают электрические заряды (прямой пьезоэффект).

В этом случае пьезоэлемент работает как приемник ультразвуковых колебаний. Если же к этим поверхностям приложить разность потенциалов в виде электрического импульса, то пьезоэлемент растянется или сожмется и начнет работать как излучатель ультразвуковой волны. Это явление называется обратным пьезоэффектом.

В качестве пьезодатчиков применяются различные керамические материалы (титанат бария, цирконат титаната свинца и т.д.). Пьезоэлементы обычно изготавливаются в виде дисков диаметром 10-20 мм, которые необходимо снабдить электродами, которые создаются покрытием специально обработанные поверхности слоем металла (как правило, серебра).

Существует несколько способов измерения расхода с помощью ультразвука (частотный, фазовый, корреляционный, с использованием эффекта Доплера). Однако наибольшее распространение получил времяимпульсный ультразвуковой метод, принцип действия которого представлен на рис. 10.

Время прохождения ультразвукового сигнала по акустическому пути L от излучателя 1 к приемнику 2 и от излучателя 2 к приемнику 1 будет равно соответственно:

t_1-2= L/(C-V*Cosφ);

t_2-1= L/(C + V*Cosφ),

где С - скорость ультразвука в среде.

Рис. 10 Схема работы времяимпульсного ультразвукового расходомера

Разница во времени прохождения сигнала в «прямом» и «обратном» направлениях:

Δt = (2L*V*Cosφ) / (С² - V²*Cos²φ)

Таким образом, зная внутренний диаметр трубопровода, угол наклона акустической ocи к оси трубы, скорость ультразвука в конкретной среде и измерив разницу во времени прохождения сигнала в «прямом» и «обратном» направлениях, можно определить объемный расход среды в трубопроводе.

Величина Δt незначительна и составляет обычно от нескольких единиц до нескольких десятков наносекунд и ее измерение с достаточной точностью при одном проходе сигнала в «прямом» и «обратном» направлениях произвести сложно. Поэтому измерения производят организуя так называемое «синхрокольцо», при котором измеряют время прохождения сигнала в каждом направлении сотни и тысячи раз, предполагая, что скорость потока за это время не из меняется.

Время – импульсный ультразвуковой метод очень хорош при измерении расходов на трубопроводах больших диаметров. Однако, он требует значительных прямолинейных участков трубопровода (15D_y до и 10 D_y после места установки прибора). Он не создает дополнительных потерь давления, обладает широким динамическим диапазоном и высокой точностью, но весьма чувствителен к вибрационным и ударным помехам.

Дата добавления: 2014-11-08