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.
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.
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%.
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.
