Тема доклада: Новые средства измерения расхода в учете теплоносителя.
Исполнитель: студент гр341-об Коняев Игорь Александрович
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.
1 ТУРБОСИЛОВЫЕ РАСХОДОМЕРЫ Турбосиловыми называют силовые расходомеры, в преобразователе которых в результате силового воздействия, пропорционального массовому расходу, поток закручивается. На рисунке 1 показана принципиальная схема такого расходомера при внешнем силовом воздействии.
Рисунок 1 - Турбосиловой расходомер
Внутри трубопровода 2 установлен ротор 3 с малым радиальным зазором, имеющий каналы для прохода жидкости, разделенные перегородками, параллельными его оси, или же выполненный в виде прямолопастной крыльчатки. Ротор вращается от электродвигателя 1 с угловой скоростью со и закручивает жидкость, которая приобретает винтовое движение, показанное стрелками. Далее жидкость поступает на ротор 5, закрепленный на пружине 6, и закручивает последнюю на угол φ, пропорциональный массовому расходу. Неподвижный диск 4 уменьшает вязкостную связь между роторами.
Главный момент количества движения жидкости lx относительно оси вращения роторов определяется выражением:
где Jх -- момент инерции закручиваемой жидкости относительно оси вращения;
ω -- угловая скорость вращения жидкости.
Турбосиловые расходомеры применяются чаще, чем кориолисовые и гироскопические, особенно для более значительных рас¬ходов. Максимальные расходы для жидкости от 6 до 300 т/ч при диаметрах труб от 50 до 200 мм. Они более компактны по сравнению с кориолисовыми и гироскопическими. Их погрешность плюс минус (0,5÷2) процета от предела шкалы. Постоянная времени около 1 секунды.
2 КОРИОЛИСОВЫ РАСХОДОМЕРЫ Кориолисовыми называются расходомеры, в преобразователях которых под влиянием силового воздействия возникает кориолисово ускорение, зависящее от расхода. Для образования этого ускорения непрерывно вращающемуся преобразователю расхода придают конфигурацию, заставляющую поток перемещаться в радиальном направлении по отношению к оси вращения, совпадающей с осью трубопровода.
Принципиальная схема кориолисового расходомера, изображена на рисунке 2.
Рисунок 2 - Принципиальная схема расходомера
Два трубных штуцера 1 и 6 с помощью гибких трубных соединений связаны с трубопроводом, по которому течет измеряемое вещество. Штуцеры соединены друг с другом металлической втулкой (не показан¬ной на схеме) и лежат в шарикоподшипниках. Они вместе с остальной частью преобразователя расхода вращаются с частотой 1800 об/мин от электродвигателя через зубчатую передачу, связанную со штуцером 6. Жидкость поступает через штуцер 6. Во вращающихся трубках 5 возникает кориолисово ускорение, создающее момент сил, приложенных к стенкам трубки, который направлен про¬тивоположно вращающему моменту. В трубках 3, связанных эластичны¬ми соединениями 4 с трубками 5, кориолисово ускорение имеет на¬правление, обратное кориолисову ускорению в трубках 3. Поэтому к стенкам трубок 3 приложен момент сил Mк, направленный в сторону вращающего момента. Момент Mк закручивает тонкую торсионную трубку 2, соединенную с выходным штуцером 1. Угол закрутки измеряется с помощью тензорезисторных преобразователей.
Выпускается восемь типов моделей датчиков расходов (сенсоров) и шесть моделей микропроцессорных преобразователей, функциональные возможности которых отвечают самым различным требованиям.
Кориолисовый расходомер состоит из датчика расхода (сенсора) и преобразователя. Сенсор напрямую измеряет расход, плотность и температуру. Преобразователь конвертирует полученную с сенсора информацию в стандартные выходные сигналы.
Рисунок 3 - Вид сенсора
1 -- Измерительные (расходомерные трубки); 2 -- детектор скорости;
3 -- задающая катушка
При движении измеряемой среды через сенсор проявляется физическое явление, известное как эффект Кориолиса. Поступательное движение среды во вращательном движении сенсорной трубки приводит к возникновению кориолисова ускорения, которое, в свою очередь, приводит к появлению кориолисовой силы. Эта сила направлена против движения трубки, приданного ей задающей катушкой, т. е. когда трубка движется вверх во время половины ее собственного цикла, то для жидкости, поступающей внутрь, сила Кориолиса направлена вниз. Как только жидкость проходит изгиб трубки, направление силы меняется на противоположное. Таким образом, во входной половине трубки сила, действующая со стороны жидкости, препятствует смещению трубки, а в выходной способствует. Это приводит к изгибу трубки.
Сила Кориолиса и, следовательно, величина изгиба сенсорной трубки прямо пропорциональны массовому расходу жидкости. Детекторы измеряют фазовый сдвиг при движении противоположных сторон сенсорной трубки.
Как результат изгиба сенсорных трубок генерируемые детекторами сигналы не совпадают по фазе, так как сигнал от входной стороны запаздывает по отношению к сигналу с выходной стороны. Разница во времени между сигналами (ΔT) измеряется в микросекундах и прямо пропорциональна массовому расходу. Чем больше массовый расход, тем больше ΔТ.
3 ГИРОСКОПИЧЕСКИЕ РАСХОДОМЕРЫ Гироскопические расходомеры - это силовые расходомеры, в которых образуется и считывается гироскопический момент. В гироскопическом расходомере преобразователь выполняется из участка трубы петлевидной или кольцевой формы, вращающейся вокруг своей оси с постоянной угловой скоростью.
В расходомере движение жидкости по петле вокруг оси с угловой скоростью соответствует вращению диска гироскопа вокруг той же оси. При вращении петли с угловой скоростью вокруг оси создаются силы, образующие момент, стремящийся повернуть петлю вокруг оси. Момент инерции жидкости в кольцевой петле зависит от радиуса кольцевой петли и площади поперечного сечения жидкости в петле.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ Для измерения расхода однофазных жидкостей и газов чаще всего используют турбосиловые расходомеры (особенно при измерении больших расходов). Для измерения малых расходов в трубах диаметром меньше50 мм используют гироскопические расходомеры. В промежуточном положении находятся кориолисовы расходомеры.
У турбосиловых и кориолисовых расходомеров преобразователи без электропривода в работе надежнее, проще и, компактнее, но измерительная схема более сложная и в конструкции применяют измерительные пружины. Точность измерения расхода определяется качеством упругих свойств пружин, зависимостью свойств пружины от изменения температуры.
Если вязкость измеряемого вещества может существенно изменяться, надо использовать кориолисовы или двухроторные турбосиловые расходомеры с компенсацией вязкости. При этом роторы и зазоры у них должны быть совершенно одинаковы, равно как и характеристики электродвигателей, вращающих роторы.
Для измерения расхода двухфазных сред (например, нефтегазовых потоков) предпочтительно использовать силовые расходомеры. Но при этом существует возможность расслоения фаз при вращении подвижного элемента преобразователя расхода, особенно в турбосиловых расходомерах. В кориолисовых расходомерах расслоение менее возможно и расходомеры такого типа широко применяются для измерения расхода нефтегазовых потоков, но не с вращающимся ротором, а с колеблющейся (вибрирующей) трубой при небольшой частоте ее вибрации.
