Тема доклада:
Исполнитель: студент гр341-об Ляшенко Павел Сергеевич
Научный руководитель: доцент Ожигова Н.М.
ВВЕДЕНИЕ
Технические устройства, предназначенные для измерения массового или объемного расхода, называют расходомерами. При этом в зависимости от того, для измерения какого (объемного или массового) расхода предназначены расходомеры, их подразделяют на объемные и массовые. Существует много различных признаков, по которым можно классифицировать расходомеры (например, по точности, диапазонам измерений, виду выходного сигнала и т. п.). Однако наиболее общей является классификация по принципам измерений, по тем физическим явлениям, с помощью которых измеряемая величина преобразуется в выходной сигнал первичного преобразователя расходомера.
По принципу измерений расходомеры классифицируют по следующим основным группам (указываемый для каждой классификационной группы расходомеров принцип преобразования относится к их первичным преобразователям датчикам).
- Расходомеры переменного перепада давления (с сужающими устройствами; с гидравлическими сопротивлениями; центробежные; с напорными устройствами; струйные), преобразующие скоростной напор в перепад давления.
- Расходомеры обтекания (расходомеры постоянного перепада -- ротаметры, поплавковые, поршневые, гидродинамические), преобразующие скоростной напор в перемещение обтекаемого тела.
- Тахометрические расходомеры (турбинные с аксиальной или тангенциальной турбиной; шариковые), преобразующие скорость потокав угловую скорость вращения обтекаемого элемента (лопастей турбинки или шарика).
- Электромагнитные расходомеры, преобразующие скорость движущейся в магнитном поле проводящей жидкости в ЭДС.
- Ультразвуковые расходомеры, основанные на эффекте увлечения звуковых колебаний движущейся средой.
- Инерциальные расходомеры (турбосиловые; кориолисовы; гигроскопический), основанные на инерционном воздействии массы движущейся с линейным или угловым ускорением жикости.
- Тепловые расходомеры (калориметрические; термоанемометрические), основанные на эффекте переноса тепла движущейся средой от нагретого тела.
- Оптические расходомеры, основанные на эффекте увлечения света движущейся средой (ФизоФренели) или рассеяния света движущимися частицами (Доплера).
- Меточные расходомеры (с тепловыми, ионизационными, магнитными, концентрационными, турбулентными метками), основанные на измерении скорости или состоянии метки при прохождении ее между двумя фиксированными сечениями потока. Естественно, приведенная классификация, не полная и неисчерпывающая, поскольку с каждым годом появляются новые методы и средства измерений расхода.
В отечественной практике наибольшее распространение получили расходомеры первых пяти групп (переменного и постоянного давления, тахометрические, электромагнитные и ультразвуковые). Эти расходомеры выпускаются серийно и находят применение практически во всех отраслях народного хозяйства. Расходомеры остальных групп используются пока, в основном, для решения специальных измерительных задач (при научных исследованиях, в медицине, криогенике, при измерениях агрессивных и токсичных сред и т. п.), изготовляются единичными экземплярами или малыми партиями и являются на сегодняшний день нестандартизованными средствами измерений.
Развитие измерительной техники, том числе и расходоизмерительной, сопровождается постоянным поиском разумного компромисса между реализуемыми свойствами приборов, техническими возможностями и экономической целесообразностью. При этом следует иметь в виду, что и «грубые», относительно низкточные, но недорогие средства измерений всегда будут иметь достаточно большой промышленный спрос, поскольку способны удовлетворить определенный класс практических измерительных задач. Однако резкое повышение точности измерений было и остается важнейшей задачей развития расходоизмерительной техники.
Значительная часть серийно выпускаемых расходомеров имеет класс точности (приведенную погрешность) 1--1,5 %. Если принять, что измерения преимущественно проводятся в середине шкалы, относительная погрешность этих измерений составляет 2-3 %. С учетом же влияния различных дестабилизирующих факторов действительная погрешность будет еще больше.
В то же время для эффективного управления технологическими процессами в различных отраслях промышленности, энергетическими и транспортными установками, для учетных операции уже сегодня требуется на порядок более высокая точность измерений расхода. Именно это обстоятельство обусловливает необходимость создания и внедрения расходомеров, имеющих класс не хуже 0,1 - 0,3 %.
В докладе рассматриваются инерциальные расходомеры трех видов:
- Турбосиловые;
- Кориолисовы;
- Гироскопические.
Инерциальные массовые расходомеры измеряют массовый расход вещества ,придавая потоку вещества дополнительные вращательные или колебательные движения и определяя возникающие при этом инерциальные силы, возникающие при одновременном поступательном (линейном) и вращательном (угловом) движениях массы вещества m cо скоростями V1 и V2.
Показания массовых расходомеров не должны зависеть от вязкости, температуры, скорости и других параметров потока вещества. Однако в некоторых типах расходомеров вязкость вещества влияет на показания расходомера, что требует применения специальных методов компенсации.
УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ РАСХОДОМЕРЫ
В основу их работы положено использование разницы во времени прохождения ультразвуковых колебаний (более 20 кГц) в направлении потока контролируемой среды и против него.
(http://s1.radikale.ru/uploads/2016/4/7/7d29fac1e4fce73745c7c5f013930dfe-full.png)
Ультразвуковые расходомеры (рис. 1, д)
Электронное устройство формирует электрический импульс, поступающий на пьезоэлемент П1, который излучает электромеханические колебания в движущуюся среду. Эти колебания воспринимаются через некоторое время пьезоэлементом П2, преобразуются им в электрический импульс, попадающий в электронное устройство и снова направляемый им на пьезоэлемент П1 и т.д. Контур П1-П2 характеризуется частотой f1 повторений импульсов, прямо пропорциональной расстоянию между пьезоэлементами и обратно пропорциональной разности между скоростью распространения звука в контролируемой среде и скоростью самой среды. Аналогично электронное устройство подает импульсы в обратном направлении, то есть от пьезоэлемента П2 к пьезоэлементу П1. Контур П2-П1 характеризуется частотой f2 повторений импульсов, прямо пропорциональной расстоянию между пьезоэлементами и обратно пропорциональной сумме скоростей распространения звука в среде и самой среды. Далее электронное устройство определяет разность Df указанных частот, которая пропорциональна скорости (расходу) среды.
Эти приборы не вызывают потерь давления, обладают высоким быстродействием и обеспечивают измерение пульсирующих расходов (частота 5-10 кГц) любых не содержащих газовых включений жидкостей (в т. ч. вязких и агрессивных), а также газов и паров. Диаметр трубопроводов 10-3000 мм и более; температура среды от --40 до 200°С (реже-от --250 до 250 °C), давление до 4 МПа; диапазон измерений 100:1. Погрешность 1,0-2,5% от макс. расхода.
В доплеровских ультразвуковых расходомерах используется отражение ультразвуковых колебаний движущимся частицам потока. Так, если частота излучаемых колебаний составляет f1, а частота отраженных f2, то между разностью этих частот и скоростью частиц u имеет место зависимость f1 - f2=u(cos a' + cos a'')/c, где с - скорость звука в неподвижной среде; a', a''- углы между направлением исходного луча в вектором скорости частицы-отражателя, и между направлением отраженного луча, воспринимаемого пьезоэлементом и вектором скорости частицы-отражателя.
Если a' = a'' , то f1-f2=2*f1*u*cos a'/c.
Доплеровские расходомеры измеряют местную скорость звука. В трубах малого и среднего диаметров эти расходомеры могут измерять среднюю скорость по диаметру или части площади трубы. В трубах больших диаметров при наличии прямых участков достаточной длины отражатель должен находится на расстоянии 0,12 D от стенки трубы, где скорость соответствует средней скорости потока. В противном случае необходима индивидуальная градуировка расходомера.
В корреляционных датчиках расхода ДРК доплеровский эффект используется для определения времени прохождения случайными флуктуациями между двумя смещенными по длине трубы парами ультразвуковых преобразователей. Микропроцессор производит статистическую обработку сигналов, поступивших в приемник ультразвуковых колебаний каждого из сечений. Скорость потока определяется по времени, соответствующем максимуму корреляционной функции, связывающей сигналы, поступившие на оба приемника.
(http://s1.radikale.ru/uploads/2016/4/7/b2f6eee0993a64cd6e0af706737be1e5-full.png)
На рисунке представлена структурная схема датчика расхода корреляционного ДРК ф. "Метран". Сигналы ультразвуковой частоты поступают от генераторов ГУЧ1, ГУЧ2 на акустические преобразователи АП1-АП4, сигналы которых вызывают, благодаря доплеровскому эффекту, вторичные колебания, которые накладываются на основные. Фазовые детекторы ФД1, ФД2 и корреляционный дискриминатор КД, управляемый микропроцессором, обеспечивают получение импульсного сигнала, пропорционального расходу. Эти сигналы могут суммироватся и выводится на цифровой индикатор, подаваться на оконечный преобразователь ДРК-30П или тепловычислитель. Такие расходомеры могут устанавливаться в трубопроводах диаметром от 50 до 4000 мм при скорости среды от 0.1 до 10 м/с, предел относительной погрешности составляет +-1,5; 2%.
(http://s1.radikale.ru/uploads/2016/4/7/3abfa99c3e105bc8edcbf5f3442a3532-full.png)
(http://s1.radikale.ru/uploads/2016/4/7/92a7b1083549572fa411793cb9255b13-full.png)
(http://s1.radikale.ru/uploads/2016/4/7/b458c1a2be35e04aa097d4a6aa1e4deb-full.png)
(http://s1.radikale.ru/uploads/2016/4/7/4d45980e568b36ccb508c60a77e574a1-full.png)
Более подробно рассмотрим ультразвуковые расходомеры на примере расходомера-счетчика жидкости марки US800.
Расходомер-счетчик жидкости ультразвуковой US800 предназначен для измерения среднего объемного расхода (в дальнейшем расхода) и объема жидкостей, протекающих в одном или двух напорных трубопроводах. US800 измеряет расход и объем жидкостей, свойства и течение которых в трубопроводе с условным диаметром от 15 до 2000 мм соответствуют условиям:
• число Рейнольдса не ниже 5000;
• максимальная скорость не более 12 м/с;
• полное заполнение трубопровода под давлением до 6,3 МПа;
• температура от -40 до 200 °С;
• содержание газообразных и твердых веществ не более 1% от объема.
2. US800 выпускается в исполнениях:
• с одним каналом измерения расхода;
• с двумя каналами измерения расхода;
• с измерением расхода в одном трубопроводе по двум измерительным каналам (далее - двухлучевой).
Каналы измерения расхода гальванически разделены от первичных преобразователей между собой, а также от других цепей, работают параллельно и независимо друг от друга.
US800 может использоваться на предприятиях всех отраслей промышленности, как средство измерения расхода и объема по одному или двум трубопроводам:
• горячей, холодной, в том числе питьевой воды;
• промышленных и бытовых стоков;
• агрессивных жидкостей (кислот, щелочей и т.п.), мазута, масел;
• жидких пищевых продуктов, кроме газированных напитков;
• любой другой жидкости отвечающей приведенным выше условиям.
3. US800 позволяет измерять расход и объем при реверсировании потока жидкости в трубопроводе с режимами энергонезависимого счетчика объема:
• по модулю;
• с учетом знака;
• только в одном направлении.
4. US800 может передавать информацию об измеренных расходах и объемах внешним устройствам в виде:
• унифицированных сигналов силы постоянного тока;
• частотно-импульсных сигналов;
• цифровых сигналов стандарта RS-485 и RS-232.
5. US800 может применяться в составе автоматических систем дозирования и регулирования расхода.
6. US800 является:
• по метрологическим свойствам - средством измерения, в случае использования его в сферах, подлежащих государственному надзору и контролю в РФ;
• по режиму работы - непрерывного режима работы;
• по связи между каналами измерения, входными и выходными сигналами - с гальванической развязкой.
7. Электронный блок US800 соответствует:
• группе исполнения В4 в соответствии с ГОСТ 12997 по устойчивости к воздействию температуры и влажности окружающего воздуха;
• группе исполнения Р1 в соответствии с ГОСТ 12997 по устойчивости к воздействию атмосферного давления;
• группе исполнения L3 в соответствии с ГОСТ 12997 по устойчивости к механическим воздействиям;
• степени защиты IP65 в соответствии с ГОСТ 14254-96 от проникновения внутрь оболочки твердых тел и воды.
8. УПР US800 работоспособен:
• при температуре измеряемой среды от -40 °C до +150 °C и при изменении температуры окружающей среды от -40 °C до + 60 °C при условии не замерзания измеряемой жидкости;
• при избыточном давлении измеряемой среды до 2,5 МПа, для специальных исполнений до 6,3 МПа;
• при влажности окружающей среды не более 95 % при температуре 35 °C;
• при воздействии механических нагрузок по группе исполнения N3 ГОСТ 12997.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Благодаря тому, что ультразвуковые расходомеры отличаются высоким быстродействием, помехоустойчивостью, высокой точностью и большим диапазоном измерения, они нашли широкое применение в теплоэнергетике и других отраслях промышленности.