Общие сведения и определения Расход – количество вещества протекающее через сечение канала в единицу времени. Объемный расход – Q0. Единица измерения СИ - м3/с Массовый расход – Qm. Единица измерения СИ – кг/с. При измерении объемного расхода необходимо указывать рабочие параметры – давление и температуру, так как они оказывают сильное влияние на плотность. Поэтому для газов и паров вводится понятие объемного расхода, приведенного к стандартным условиям Расходомер – прибор, служащий для измерения расхода Счетчик количества предназначенный для (счетчик) измерения – измерительный суммарного количества прибор, вещества, протекающего через сечение канала за определенный промежуток времени. Преобразователь расхода – измерительный преобразователь, непосредственно воспринимающий воздействие потока измеряемой среды и преобразующий расход в величину, удобную для измерения. Помимо деления всех устройств для измерения вещества на два больших класса объемных и массовых измерителей, представленных счетчиками и расходомерами, существует классификация их методов измерения по тем физическим законам, которые лежат в основе принципа действия этих устройств. Общая классификация методов и средств измерения расхода и количества: 1) расходомеры переменного перепада давления, первичным преобразователем информации у которых является сужающее устройство, гидравлическое сопротивление, напорное устройство, центробежный и струйный преобразователь. 2) расходомеры переменного уровня 3) расходомеры обтекания, основанные на зависимости положения чувствительного элемента, воспринимающего динамическое давление потока, от расхода; 4) тахометрические расходомеры, реализующие зависимость скорости движения чувствительного элемента расходомера, установленного в потоке, от расхода 5) электромагнитные расходомеры, реализующие зависимость взаимодействия электропроводной среды с магнитным полем от расхода; 6) ультразвуковые расходомеры, основанные на зависимости частоты колебаний от расхода; 7) тепловые расходомеры, преобразующие с помощью теплового преобразователя скорость потока в температуру и использующие зависимость этой температуры от расхода 8) оптические расходомеры с лазерным преобразователем, принцип действия которых реализует зависимость скорости прохождения светового пучка от расхода среды 9) ионизационные расходомеры используют искусственную ионизацию потоке среды и измеряют ионизационный ток, величина которого зависит от расхода среды 10) меточные расходомеры реализуют зависимость времени прохода искусственно созданной внутри потока метки участка трубопровода от расхода Основные термины, понятия и определения в области измерения расхода и количества устанавливаются ГОСТ 15528-70. Расходомеры переменного перепада давления. Расходомером переменного перепада давления называется из- мерительный комплекс, основанный на зависимости от расхода перепада давления, создаваемого преобразователем расхода, установленным в трубопроводе, или элементом последнего (например, коленом). В состав измерительного комплекса входят: первичный преобразователь расхода; первичная линия связи — соединительные трубки и вспомогательные устройства на них; первичный измерительный прибор — дифманометр. В случае необходимости передачи показаний на значительное расстояние к этим элементам добавляются: вторичный преобразователь перемещения подвижного элемента дифманометра в электрический или пневматический сигнал; вторичная линия связи — электрические провода или соединительные трубки; вторичный измерительный прибор. Расходомеры переменного перепада давления имеют следующие разновидности, в зависимости от вида преобразователя расхода: 1. с сужающими устройствами; 2. с гидравлическим сопротивлением; 3. центробежные; 4. с напорными устройствами; 5. с напорными усилителями; 6. ударно-струйные. 1) Расходомеры с сужающими устройствами – важнейшие среди расходомеров переменного перепада давления. Они основаны на зависимости от расхода перепада давления, создаваемого сужающим устройством, в результате которого происходит преобразование части потенциальной энергии потока в кинетическую. Имеется много разновидностей сужающих устройств. а и б – стандартные диафрагмы, в – стандартное сопло, г,д,е – диафрагмы для измерения загрязненных веществ – сегментная, эксцентричная и кольцевая. ж,з,и – двойная, с входным конусом, с двойным конусом. к,л,м,н – сопла – полукруга, четверть круга, комбинированное и цилиндрическое. Движение потока жидкости или газа через отверстие диафрагмы Диафрагма установлена строго концентрично оси трубопровода, имеющего диаметр D. По инерции наибольшего сужения поток достигает в сечении В—В, отстоящем от диафрагмы на расстоянии (0,3-0,8)D, в зависимости от отношения β = d/D. Затем поток начинает расширяться и вновь достигает стенок трубопровода в сечении С—С. Для жидкости, плотность которой ρ = const и не зависит от давления, скорости обратно пропорциональны площадям потока, при этом максимальная скорость Vb достигается в сечении В—В, а скорость vc = va. Статическое давление ра до сечения А—А у стенки трубы и в потоке одно и то же. По мере сужения потока между сечениями А—А и В—В давление в потоке падает (штриховая кривая), так как без этого невозможно возрастание скорости потока. Давление же у стенки возрастает (сплошная кривая) После диафрагмы давление в углах у стенки р2у. Разность Δр = р1у – р2у образует перепад давления, измеряемый при угловом методе отбора. На участке от В—В до С—С давление в потоке и у стенки постепенно возрастает до значения рс, которое много меньше, чем начальное давление ра вследствие потерь энергии на вихреобра- зование и удары о диафрагму, причем основная часть потерь происходит в мертвой зоне после диафрагмы. Поток, протекающий с очень большой скоростью в сечении В—В, увлекает за собой прилегающие частицы из мертвой зоны, создавая в ней некоторое падение давления. Это вызывает частичное движение жидкости вдоль стенок от сечения С—С к сечению В—В. В результате в мертвой зоне возникает сильное вихреобразование и происходит значительная потеря давления. Уравнение, выражающее закон сохранения энергии: Уравнение неразрывности потока: где qm и qQ — массовый и объемный расходы, a F — площадь поперечного сечения потока Решая совместно (1) и (2) можно получить зависимость между qm или q0 и перепадами давления (Р1 и Р2) или (Pа и Рb). Считая трубопровод горизонтальным и р = const, предыдущие уравнения принимают вид: где ka и kb — поправочные множители на неравномерность распре- деления скорости в сечениях А—А и В—В соответственно; ξ, — коэффициент сопротивления на участке от А—А до В—В, отнесенный к скорости Vb Fa и Fb — площади потока в сечениях А—А и В—В соответственно. Площадь горловины потока Fb: Где μ - отношение площади горловины потока Fb к площади отверстия диафрагмы F0 -коэффициент сужения потока Из уравнения (4): Где m = β2 = (d/D)2 — относительная площадь сужающего устройства. Подставляя это значение va в уравнение (3) и решая его относительно vb, получим Коэффициент отбора Ψ = (Pа - Pb)/(P1 – Р2) в этом уравнении учитывает, что в общем случае точки отбора давлений Р\ и Р2 могут не совпадать с сечениями А—А и В—В. Если отбор производят в сечениях А—А и В—В, то коэффициент Ψ = 1. Подставляя значения Fb и vb из уравнений (5) и (6) в уравнение (2), получим: Где называется коэффициентом расхода диафрагмы, где m = β2. Формулы (7) и (8) справедливы для жидкостей. Для газа и пара их надо умножить на коэффициент расширения ε, учитывающий увеличение удельного объема (уменьшение плотности р) газа и пара. С учетом ε получаем универсальные формулы для qm (кг/с) и q0 (м3/с): Из полученных формул расхода следует, что между ним и измеряемым перепадом давления Δр = Р1 - Р2 существует квадратичная зависимость. В простейшем виде эти формулы можно выразить так: При градуировке расходомерных шкал дифманометров принимают k' = const и k" = const. А это требует постоянства всех величин: α, ε, F0 и ρ, определяющих значения k' и k". К сожалению, это требование не выполняется. При больших числах Рейнольдса (Re > 105 - 106 ) коэффициенты С и α сохраняют очень хорошее постоянство, особенно у таких СУ, как диафрагма, сопло, сопло Вентури и труба Вентури.Для малых же чисел Re, вплоть до Re = 40, разработаны другие типы СУ. Значение коэффициента расширения ε непрерывно уменьшается от начала шкалы к qmax. Это надо учитывать как дополнительную погрешность, или же следует вносить поправку на изменение в с помощью вычислительного устройства в зависимости от отношения Δр / р. Притупление входных кромок диафрагмы неизбежно, и при малых d < 125 мм надо вводить поправку Кп к С и а. Гарантировать постоянство плотности ρ измеряемого вещества (особенно газа или пара) нельзя. Необходимо вводить поправочный множитель kM (при qm) и k0 (при qa): где ρг — плотность, принятая при градуировке; ρ — действительная плотность. Основные недостатки расходомеров с СУ следующие. 7. Вследствие влияния погрешностей многих величин ( α, ε, ρ, Δр), входящих в формулу расхода, общая предельная относительная погрешность измерения расхода обычно не менее 1-2 %, иногда и выше. 8. Квадратическая зависимость между расходом и перепадом давления обусловливает обычно малый диапазон изменения (qmах/qmin = 3÷4) и неравномерность шкалы прибора. Последний недостаток можно устранить, введя в передачу прибора лекало, имеющее параболический профиль, или другим способом — например с помощью вычислительного устройства. Достоинства расходомеров с СУ следующие 1. Пригодны для любых однофазных веществ и в очень широком диапазоне давлений, температур и расходов. 2. Не требуют образцовых расходомерных установок для гра- дуировки и поверки в случае применения нормализованных СУ. Другие типы расходомеров перменного перепада давления 1. Расходомеры с гидравлическим сопротивлением основаны на измерении перепада давления, создаваемого этим сопротивлением. Режим потока в нем стремятся создать ламинарным, с тем чтобы перепад давления был пропорциональным расходу. Применяются редко, преимущественно для измерения малых расходов. В качестве преобразователя могут служить капиллярная трубка (реометр) или пакет таких трубок, показанный на рис. 1, у. Другой тип преобразователя для больших расходов с шариковой набивкой (рис. 1, ф). 2. Центробежные расходомеры основаны на зависимости расхода от перепада давления, образующегося в закругленном элементе трубки под действием центробежных сил в потоке. Преобразователем расхода чаще всего служат колено (рис. 1, х) или реже кольцевой участок трубы (рис. 1. ц). 3. Расходомеры с напорным устройством основаны на возникающем в нем перепаде давления в зависимости от расхода в результате перехода кинетической энергии части потока в потенциальную. Классический преобразователь этого расходомера — трубка Пито для отбора полного напора в сочетании с трубкой для отбора статического давления. На рис. 1, ч показаны эти трубки в раздельном исполнении, а на рис. 1, ш — в комбинированном — дифференциальная трубка Пито. Эти преобразователи создают перепад давления в зависимости от местной скорости. Наряду с ними предложены преобразователи с осредняющими напорными трубками по диаметру (рис. 1, щ) или по радиусу, а при сильно деформированных потоках — по двум диаметрам. Кроме того, предложены кольцевая вставка (рис. 1, э) для усреднения давления по кольцевой площади и напорное поворотное крыло (рис. 1, ю) с двумя отверстиями, ориентированными различным образом к потоку. Возможность изменения угла установки крыла (обычно в пределах 45-90°) позволяет применять его при разных скоростях потока. За исключением двух последних примеров напорные устройства находят широкое применение. 4. Расходомеры с напорным усилителем имеют преобразователь расхода, в котором сочетаются напорное и сужающее устройства. Перепад давления создается в результате как местного перехода кинетической энергии потока, так и частичного перехода потенциальной энергии в кинетическую. На рис. 1, я показана комбинация диафрагмы с трубкой Пито. На рис. 1, α — сочетание трубки Пито с трубкой Вентури, а на рис. 1,β — сдвоенная трубка Вентури. Напорные усилители применяют при небольших скоростях газовых потоков, когда перепад давления, создаваемый одной дифференциальной трубкой Пито, очень мал. 5. Расходомеры ударно-струйные основаны на зависимости расхода от перепада давления, возникающего при ударе струи. Струя, вытекающая из суженных отверстий трубки, создает давление p1 во внутренней полости сильфона, снаружи которого имеется меньшее давление р2, равное давлению уходящей жидкости. Эти приборы применяют лишь для изменения малых расходов жидкости и газа. (Подробно об этом см. в главе «Измерение малых расходов».) Кроме того, имеется предложение измерять расход жидкости, обладающей парамагнитными свойствами, создавая с помощью магнитного поля (кольцевой магнит снаружи трубы или соленоид, питаемый током) и пондеромоторной силы неподвижный местный кольцевой слой жидкости, прилегающей к трубе, который выполняет роль сужающего устройства, и измерять перепад давления на последнем. Опыты на трубе, имевшей наружный диаметр 13 мм, с ферромагнитной жидкостью на основе керосина (намагниченность насыщения 20 кА/м; магнитная проницаемость 1,4 при индукции поля 0,043 Тл) подтвердили принципиальную возможность измерения. При расходе 30 см3/с перепад давления был 1200 Па. В отличие от обычных СУ чувствительность метода возрастает по мере приближения к началу шкалы. Авторы метода полагают, что он может быть применен для измерения расхода жидкого кислорода. СИЛОВЫЕ РАСХОДОМЕРЫ Силовыми называются расходомеры, в которых с помощью силового воздействия, зависящего от массового расхода, потоку сообщается ускорение того или другого рода, и измеряется какой-либо параметр, характеризующий степень этого воздействия или его эффекта. Ускорение потока возникает в процессе изменения его первоначального движения. В зависимости от характера этого изменения и сообщаемого при этом ускорения силовые расходомеры разделяются на: 1) кориолисовые; 2) турбосиловые; 3) гироскопические. Силовое воздействие может быть внешним и внутренним. Внешнее воздействие сообщается обычно от электродвигателя, который вращает (или колеблет) расхода, один например из прямолопастную элементов крыльчатку, преобразователя закручивающую проходящий через нее поток. Внутреннее воздействие осуществляется за счет снижения потенциальной энергии потока, например, при его закручивании неподвижными винтовыми лопатками. Дополнительное ускорение, сообщаемое потоку в силовых расходомерах, пропорционально массовому расходу. Соответственно пропорционален массовому расходу и измеряемый параметр, характеризующий степень силовою воздействия, например мощность, затрачиваемая на закручивание потока, угол закрутки противодействующей пружины и т. п. Поэтому силовые расходомеры как типичные представители приборов, измеряющих массовый расход, нередко назывались ранее массовыми расходомерами. Измерение массового расхода — основное и весьма существенное их достоинство. Кроме того, они пригодны для измерения среднего значения пульсирующих расходов, а их показания сравнительно мало зависят от профиля скорости, благодаря чему не требуется значительных прямых участков после большинства местных сопротивлений, за исключением двойного колена, создающего винтовое движение потока. Недостаток силовых расходомеров — сложность конструкции их преобразователей расхода и большое число вращающихся элементов внутри трубопровода. Первые сведения о силовых расходомерах были опубликованы за рубежом в 1953-1954 гг. Затем было разработано много различных конструкций этих приборов, различающихся видом ускорения, сообщаемого потоку, источником силового воздействия. родом измеряемого параметра и т. п. Особенно большой вклад в разработку турбосиловых и кориолисовых расходомеров сделан у нас сотрудниками Института автоматики и телемеханики (ИАТ). У турбосиловых расходомеров один из элементов (ротор, крыльчатка) должен непрерывно вращаться. У кориолисовых же и гироскопических в некоторых случаях ограничиваются лишь непрерывными колебаниями подвижного элемента вокруг оси. Подобные расходомеры получили название вибрационных. Приведенная погрешность силовых расходомеров ±0,5-3,0 %. Большинство из них предназначено для измерения расхода жидких видов топлива, имеются конструкции и для измерения расхода газа. На практике применяются редко. Особую группу силовых расходомеров образуют перепадно-силовые расходомеры, в которых в результате внешнего силового воздействия создается разность давлений в отдельных местах потока, пропорциональная массовому расходу. КОРИОЛИСОВЫЕ РАСХОДОМЕРЫ Кориолисовыми называются расходомеры, в преобразователях которых под влиянием силового воздействия возникает кориолисово ускорение, зависящее от расхода. Принцип действия кориолисовых расходомеров основан на возникновении кориолисового ускорения и кориолисовой силы при сложном движении тела. Появление кориолисового ускорения объясняется взаимным влиянием относительного и переносного движения, когда переносное движение является непоступательным. В кориолисовом расходомере измеряемая среда течет по измерительной трубке (относительное движение). Измерительная трубка приводится в вынужденное колебательное движение (переносное движение). Характер деформации трубки при колебательном движении зависит от массового расхода. Применяются расходомеры с изогнутыми (Uобразной, S-образной и др.) и прямолинейными измерительными трубками. На рисунке 1 иллюстрируется принцип действия кориолисового расходомера с U-образной трубкой. Рисунок 1 – Принцип действия кориолисового расходомера Измерительная трубка с помощью электромагнитной катушки приводится в вынужденное колебательное движение относительно оси Х с частотой собственных колебаний (амплитуда менее 1 мм, частота – десятки герц). При отсутствии расхода на трубку воздействует только привод. Деформация обоих колен трубки при колебаниях одинакова. При наличии расхода измеряемая среда сопротивляется движению трубки. При движении трубки вверх (рисунок 1б) измеряемая среда, втекающая в трубку, давит на трубку вниз. На выходе из трубки измеряемая среда дополнительно способствует движению вверх. Возникают кориолисовы силы, которые создают момент относительно оси Y. Это приводит к закручиванию трубки относительно оси Y (рисунок 1в). Во время второго периода колебаний (при движении трубки вниз) трубка закручивается в обратную сторону. Угол закручивания α пропорционален действующему моменту и массовому расходу. Принцип действия расходомера с прямой трубкой показан на рисунке 2: Рисунок 2 – Принцип действия кориолисового расходомера с прямой трубкой Измерительная трубка приводится в установившийся режим колебаний. При отсутствии потока кориолисова сила равна нулю. Деформация трубки при отсутствии расхода вызывается только приводом (рисунок 2а). При наличии потока частицы жидкости между точками А и С ускоряются, а между точками С и В замедляются. Кориолисова сила, возникающая за счет инерции частиц жидкости, вызывает деформацию измерительной трубки, которая накладывается на основную деформацию (рисунок 2б). Разница фаз колебаний, воспринимаемых датчиками 2, пропорциональна массовому расходу. Принципиальная схема кориолисового расходомера, предложенного в 1953 г., изображена на рисунке 3. Рисунок 3 – Схема действия сил в кориолисовом расходомере 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 показанной на схеме) и лежат в шарикоподшипниках. преобразователя расхода Они вращаются вместе с с частотой остальной 1800 частью 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 противоположно вращающему моменту. В трубках 3, связанных эластичными соединениями 4 с трубками 5, кориолисово ускорение имеет направление, обратное кориолисову ускорению в трубках 3. Поэтому к стенкам трубок 3 приложен момент сил Мк, направленный в сторону вращающего момента. Момент Мк закручивает тонкую торсионную трубку 2, соединенную с выходным штуцером 1. Угол закрутки измеряется с помощью тензорезисторных преобразователей. Момент Мк определяется уравнением: где r — текущий радиус трубки: r1 — радиус (средний), на котором прекращается движение жидкости в радиальном направлении; r2 — радиус наружного конца трубки; a — кориолисово ускорение в трубках; ρ — плотность измеряемого вещества; F — площадь поперечного сечения трубки. Кориолисово ускорение а = 2ʋω, где ʋ -— скорость жидкости в трубке 3; ω — угловая скорость вращения трубки. После подстановки значения а в предыдущее уравнение и его интегрирования найдем, что а угол φ закручивания торсионной трубки 2, имеющей жесткость с, будет Здесь мы пренебрегли сопротивлением эластичных соединений 4. Особенность расходомера, приведенного на рисунке 1 — независимость мощности, расходуемой электродвигателем, от расхода QM, потому что энергия, затрачиваемая при вращении трубок 5, возвращается при проходе жидкости через трубки 3. Мощность электродвигателя расходуется только на преодоление трения в опорах и уплотнениях или в гибких соединениях преобразователя с трубопроводом. Более распространен расходомер К-3. Его преобразователь показан на рисунке 4: Рисунок 4 – Кориолисовый расходомер К-3 Здесь ротор 2 электродвигателя отделен от обмотки 1 статора диамагнитной перегородкой 3 из стали 1X13 толщиной 0,6 мм. Вместе с ротором 2 непрерывно вращается находящийся в нем патрубок 4 с радиальными каналами на выходе. При проходе жидкости через эти каналы возникают кориолисовы силы, создающие момент сопротивления Мк, определяемый уравнением . Электродвигателю надо помимо этого момента преодолевать еще момент Мв сопротивления сил вязкого трения жидкости и момент Мм сил трения в опорах. Ротор снабжен шарикоподшипниками, вынесенными за пределы активной зоны потока. Поэтому момент Мм незначителен и постоянен, а следовательно, и не влияет на точность измерения. Предел измерения от 0,1 до 0,7 кг/с. Для увеличения предела при данной мощности электродвигателя надо согласно уравнению уменьшать наружный радиус r2. Расходомер К-3 конструктивно прост, но пригоден лишь для измерения веществ с мало изменяющейся вязкостью. Измеряемая величина в нем – мощность, потребляемая электродвигателем. В другом однороторном кориолисовом расходомере момент, закручивающий роторную крыльчатку, измеряется с помощью связанного с ней электро- или пневмосилового преобразователя. Для веществ, вязкость которых сильно изменяется, разработан двухроторный кориолисовый расходомер К-4. Его преобразователь состоит из двух роторов, близких по конструкции (рисунок 2), направленных навстречу друг другу. Зазор между их радиальными каналами очень небольшой. Каждый ротор приводится во вращение своим электродвигателем в одну сторону с одинаковой угловой скоростью ω. Поток в радиальных каналах первого ротора направлен от центра к краям и создает кориолисовы силы, противодействующие вращающему моменту первого электродвигателя. В каналах второго ротора поток движется от краев к центру и образует кориолисовы силы, создающие момент, разгружающий второй электродвигатель. Включая обмотки статоров электродвигателей в мостовую схему, измеряют разность токов, потребляемых электродвигателями, которая будет пропорциональна расходу Qм при условии, что моменты сопротивления Мс и Мм у обоих роторов одинаковые. Предложены также несколько конструкций кориолисовых расходомеров, у которых расход Qм определяется по времени Δt=Δφ/ω прохода углового сдвига Δφ двух роторов. Кориолисовый расходомер Micro Motion, выпускаемый компанией Метран, состоит из датчика расхода (сенсора) и преобразователя. Сенсор напрямую измеряет расход, плотность и температуру. Преобразователь конвертирует полученную от сенсора информацию в стандартные выходные сигналы. Измеряемая среда, поступающая в сенсор, разделяется на равные половины, протекающие через каждую из сенсорных трубок. Движение задающей катушки (рисунок 5) приводит к тому, что трубки колеблются вверх-вниз в противоположном направлении друг к другу. Рисунок 5 – Общий вид сенсора Сборки магнитов и катушек-соленоидов, называемые детекторами, установлены на сенсорных трубках. Катушки смонтированы на одной трубке, магниты на другой. Каждая катушка движется внутри однородного магнитного поля постоянного магнита. Сгенерированное напряжение от каждой катушки детектора имеет форму синусоидальной волны. Эти сигналы представляют собой движение одной трубки относительно другой. Когда сигнал отсутствует, синусоидальные сигналы, поступающие с детекторов, находятся в одной фазе (рисунок 6): Рисунок 6 – Сигналы при отсутствии расхода 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. Когда во второй фазе вибрационного цикла трубка движется вниз, направление изгиба меняется на противоположное. Сила Кориолиса и, следовательно, величина изгиба сенсорной трубки прямо пропорциональны массовому расходу жидкости. Детекторы измеряют фазовый сдвиг при движении противоположных сторон сенсорной трубки (рисунок 7). Рисунок 7 – Сигналы при наличии расхода 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 (ΔТ) измеряется в микросекундах и прямо пропорциональна массовому расходу. Чем больше массовый расход, тем больше ΔТ. ТУРБОСИЛОВЫЕ РАСХОДОМЕРЫ Принцип действия и общая характеристика. Турбосиловыми называют силовые расходомеры, в преобразователе которых в результате силового воздействия, пропорционального массовому расходу, поток закручивается. На рисунке 8 показана принципиальная схема такого расходомера при внешнем силовом воздействии. Рисунок 8 – Принципиальная схема турбосилового расходомера 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 ω 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 lХ относительно оси вращения роторов определяется выражением где Jx — момент инерции закручиваемой жидкости относительно оси вращения; ω — угловая скорость вращения жидкости. Обозначим через m массу вращающейся жидкости, а через rс — средний радиус каналов ротора 3. Очевидно, Jx=rc2m. Тогда Из закона моментов следует, что dlx/dt = М, где М — главный момент всех внешних сил, действующих на жидкость со стороны ротора 3. Отсюда так как Qm = dm/dt. Момент М не учитывает сопротивления от момента Мв, создаваемого силами вязкостного трения на поверхностях ротора, и от момента МM, создаваемого силами трения в подшипниках. Крутящий ротор 3 момент Мк должен преодолевать все эти моменты. Следовательно, Чтобы исключить появление дополнительной погрешности измерения массового расхода, моменты Мв и Мм должны сохранять постоянное значение или же быть компенсированы. С увеличением наружного радиуса r1, каналов роторов или лопастей крыльчаток чувствительность расходомера увеличивается. Для жидкостей радиус r1 обычно принимают равным радиусу трубопровода или несколько больше. Для газа же рекомендуется значительно увеличивать r1. Внутренний радиус r2 чаще всего равен радиусу ступицы. Длину l лопастей выбирают так, чтобы обеспечить закрутку всех частиц потока, проходящих через ротор при наибольшем измеряемом расходе. Обозначая через ʋ соответствующую среднюю скорость потока в осевом направлении, получим l≥tʋ, где t — время поворота крыльчатки между смежными лопастями. Так как t = 2π/zω. где z — число лопастей, то, следовательно, имеем lz≥2πʋ/ω. Таким образом, длина лопастей l должна быть тем больше, чем меньше их число z. Брать большое число z не рекомендуется из-за загромождения проходного сечения, в также увеличения трения жидкости о лопасти и соответственно потери давления. Угловая скорость вращения жидкости ω при внешнем воздействии в большинстве случаев соответствует 1500 об/мин,но имеются расходомеры с большей угловой скоростью. Если электродвигатель отсутствует и закручивание потока происходит за счет его потенциальной энергии с помощью роторов, имеющих наклонные лопатки, то скорость ω возрастает с увеличением расхода. ГИРОСКОПИЧЕСКИЕ РАСХОДОМЕРЫ Гироскопическими называются силовые расходомеры, в которых возникает и измеряется гироскопический момент. Преобразователь гироскопического расходомера состоит из участка трубы в виде петли кольцевой или другой формы, которая вращается с постоянной угловой скоростью вокруг оси х (рисунок 9). Рисунок 9 – Гироскопический кольцевой расходомер Для пояснения действия гироскопического расходомера рассмотрим его механическую аналогию (рисунок 10). Рисунок 10 – Механическая аналогия гироскопического расходомера Если диск гироскопа, имеющий две степени свободы, вращается с угловой скоростью Ω вокруг оси z, а его рамы — с угловой скоростью ω вокруг оси x, то возникают силы, создающие гироскопический момент Мy, стремящийся повернуть всю систему вокруг оси у. Момент где Jz — момент инерции диска гироскопа относительно оси z. В расходомере движение жидкости по петле вокруг оси с угловой скоростью соответствует вращению диска гироскопа вокруг той же оси. Поэтому при вращении этой петли вокруг оси х с угловой скоростью ω образуются силы, создающие момент Мy, стремящийся повернуть петлю вокруг оси у. Этот момент воспринимается опорами, в которых возникает реакция R. Момент инерции жидкости, находящейся в кольцевой петле, относительно оси z определяется зависимостью Jz = 2πrFρr2, где r — средний радиус кольцевой петли; F — площадь поперечного сечения жидкости в петле. Угловая скорость Ω=ʋ/r, где ʋ — средняя скорость жидкости в петле. Подставляя значения Jz и Ω в предыдущее уравнение, получим где k = 2nr2ω = const. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ РАСХОДОМЕРЫ Принцип действия и общая характеристика В основе электромагнитных движущейся расходомеров электропроводной жидкости лежит с взаимодействие магнитным полем, подчиняющееся закону электромагнитной индукции. Основное применение получили такие электромагнитные расходомеры, у которых измеряется ЭДС, индуцируемая в жидкости при пересечении ею магнитного поля (рисунок 1). Рисунок 1 – Принципиальная схема преобразователя Для этого в участок 2 трубопровода, изготовленный из немагнитного материала, покрытого внутри неэлектропроводной изоляцией и помещенного между полюсами вводятся два как к электрода направлению и 1 3 4 и движения 5 магнита в или направлении, жидкости, так электромагнита, перпендикулярном и к направлению силовых линий магнитного поля. Разность потенциалов Е на электродах 3 и 5 определяется уравнением где В — магнитная индукция; D — расстояние между концами электродов, равное внутреннему диаметру трубопровода; средняя скорость и объемный расход жидкости. Ʋ И Q0 — Таким образом, измеряемая разность потенциалов Е прямо пропорциональна объемному расходу Q0. Для учета краевых эффектов, вызываемых неоднородностью магнитного поля и шунтирующим действием трубы, уравнение умножается на поправочные коэффициенты kМ и kИ, обычно весьма близкие к единице. При измерении расхода постоянное магнитное жидкостей с электродов поле. ионной расплавленных металлов При же измерении проводимостью применяют переменное во расхода избежание магнитное применяется поле, обычных поляризации создаваемое электромагнитами. В случае питания их током промышленной частоты f поле имеет синусоидальную форму и его индукция В=Вmaхsin2πft. В этом случае ЭДС, пропорциональная расходу, изменяется по уравнению Но в последние годы все шире применяется переменное поле низкой частоты и особой формы. Достоинства электромагнитных расходомеров: независимость показаний от вязкости и плотности измеряемого вещества, возможность применения в трубах любого диаметра, отсутствие потери давления, линейность шкалы, необходимость в меньших длинах прямых участков труб, чем у других расходомеров, высокое быстродействие, возможность измерения агрессивных, абразивных и вязких жидкостей. Но электромагнитные расходомеры неприменимы для измерения расхода газа и пара, а также жидкостей диэлектриков, таких, как спирты и нефтепродукты. Они пригодны для измерения расхода жидкости, у которых удельная электрическая проводимость не менее 10-3 См/м. Можно измерить водопроводную воду, щелочи, кислоты жидкости, применяемые сиропы разнообразные и различные водные в и химической жидкости растворы в в промышленности, пищевой алюминиевой промышленности, сточные жидкости и другие и соки, промышленности, других отраслях т. п. С помощью особых электрических измерительных схем предел применения рассматриваемых расходомеров повышен до 10-5 См/м. Помимо измерения расхода различных жидкостей и пульп с ионной проводимостью, а также расхода расплавленных металлов электромагнитный крови в метод медицинской и применяется физиологической для измерения практике, а расхода также для измерения скорости морских течений и воды в открытых руслах. Влияние эпюры скоростей При осесимметричном потоке показания электромагнитного расходомера при одном и том же расходе будут приблизительно одинаковы как при турбулентном, так и при ламинарном движении. Это большое преимущество данных расходомеров по сравнению со многими другими. Оно результат действия циркуляционных токов (рисунок 2) между центральной зоной больших скоростей и периферией, которые снижают ЭДС на электродах настолько, насколько она могла бы возрасти от увеличения скоростей в центральной зоне. Рисунок 2 – Эквипотенциальные линии и линии циркуляционных токов На рисунке 2 кроме циркуляционных токов изображены линии равных потенциалов — сплошные для ламинарного и штриховые для турбулентного движения. При нарушении осевой симметрии потока появляется влияние деформации поля скоростей на показания электромагнитных расходомеров, хотя и в меньшей мере, чем у расходомеров с сужающими устройствами. Это влияние обусловлено тем, что вклад отдельной точки жидкости в создание разности потенциалов на электродах тем больше, чем ближе расположена эта точка к тому или другому электроду. Это видно из рисунка 3, а, б, на котором изображены изолинии весовой функции IV, объединяющие точки равного веса или вклада в разность потенциалов на электродах. Рисунок 3 – Изолинии весовой функции: а – теоретические, б – экспериментальные. На рисунке 3а построены изолинии функции W по уравнению которое дает зависимость W от декартовых (х, у) или полярных (r, θ) координат уравнение любой получено точки только при поперечного решении сечения трубы. Это двумерной задачи для плоскости электродов. На рисунке 3б даны экспериментально полученные линии W. Проведенные опыты по определению влияния местных сопротивлений показали, что даже при очень сильных возмущениях потока, создаваемых дроссельным клапаном, прикрытым на 75 %, или перегородкой с небольшим отверстием у края, достаточно прямого участка трубы длиной l>(20÷22)D для устранения влияния возмущениях же, деформации вызываемых потока коленом, на показания. необходимая При длина l не превосходит (5÷10)D, причем расстояние l следует считать не от присоединительного плоскости, в фланца которой преобразователя расположены расходомера, электроды. И а лишь от когда с помощью перегородки с отверстием у края, устанавливаемой на расстоянии (2÷3)D от электродов, весь поток направляется к одному из электродов, показания возрастали в два раза, а при повороте перегородки на 90° уменьшался тоже в два раза по сравнению с недеформированным потоком. Для возможности уменьшения указанных значений длин прямых участков l предложено индукцию В магнитного поля в плоскости электродов располагать по закону BW = const. Если канал преобразователя расхода сделать не круглым, а прямоугольным, и иметь электроды в виде прямоугольных пластин, равных по ширине боковым стенкам канала, параллельных магнитному полю, то никакая деформация потока не будет отражаться на показаниях расходомера вследствие усредняющего действия пластинчатых электродов. Кроме того, изменением соотношения сторон прямоугольного канала при одной и той же площади проходного сечения и той же магнитодвижущей силе электромагнита можно увеличить индукцию поля за счет уменьшения междужелезного зазора магнитной системы. Расходомеры с прямоугольным каналом целесообразны для контрольных и образцовых приборов, от которых требуется повышенная точность измерения. При небольших диаметрах труб (менее 10*20 мм) их иногда применяют в лабораторной практике и в оросительных системах. Влияние изменения площади проходного сечения трубы и концевых эффектов В процессе эксплуатации возможно уменьшение проходного сечения трубопровода осадками, выпадающими из жидкости. При этом иногда происходит смолообразование и карамелизация стенок трубы. Если осадки расположены равномерно по всей стенке трубы в виде концентрического слоя и проводимость последнего будет равна проводимости жидкости, то показания прибора изменяться не будут вследствие независимости показаний электромагнитного расходомера от числа Рейнольдса и характера эпюры скоростей при осесимметричном потоке. Но обычно осадок уплотняется и тогда его проводимость γо будет меньше проводимости жидкости γ. Это вызовет увеличение напряжения на электродах вследствие уменьшения шунтирующего действия слоя осадков. Значение поправочного коэффициента при концентрически расположенном слое осадков определяется уравнением где rт и ro — внутренние радиусы трубопровода и концентрического слоя осадков. Подбором входного сопротивления измерительной цепи можно в значительной мере ослабить влияние осадков на показания прибора. Целесообразно также преобразователь расхода устанавливать на вертикальном участке трубопровода. Это будет препятствовать неравномерному выпадению осадка. Концевые эффекты — результат ограниченности размеров магнитного поля и изолирующей футеровки в преобразователе расхода. Как показано схематически на рисунке 4а, под влиянием градиента магнитного поля на концах последнего возникают циркуляционные токи, лежащие в плоскостях, перпендикулярных к магнитному нолю. Они ослабляют поле в сечении I и усиливают его в сечении II. Одновременно они ослабляют измеряемую ЭДС тем больше, чем меньше длина lм магнитного поля. Зависимость коэффициента ослабления kм от отношения lM /D, полученная теоретическим путем, показана на рисунке 4б. Коэффициент практически равен единице при lM /D > 3. Рисунок 4 – Влияние конечной длины магнитного поля Как показано на рисунке 5а, трубопровод за пределами изолирующей футеровки создает путь для концевых токов, шунтирующих область между электродами. Вызываемое ими уменьшение измеряемой ЭДС оценивается коэффициентом ослабления kи, зависимость которого от относительной длины lИ /D футеровки показана на рисунке 5б (кривая 1 — теоретическая, кривая 2 — экспериментальная). При длине lИ/D > 4 коэффициент kи практически равен единице. Концевые эффекты могут быть учтены при градуировке. Рисунок 5 – Влияние конечной длины футеровки Магнитные системы расходомеров При измерении электронную расхода проводимость, жидких магнитную металлов, систему имеющих расходомеров образуют постоянные магниты, создающие постоянное магнитное поле. При измерении расхода жидкостей с ионной проводимостью для создания переменного магнитного поля применяют электромагниты, питаемые переменным током. Устройство последних зависит от желаемой формы переменного магнитного поля. Серийно изготовляются индукция расходомеры которого с равномерным удовлетворяет уравнению полем BW и = const, полем, т. е. распределена обратно пропорционально весовой функции W. Равномерное получить в магнитное поле. электромагнитных равномерное магнитное расходомеры, такое Его поле. И (турбулентного потоке, отсутствие теперь особенно достоинства: течения или как правило, расходомерах поле. изготовляемые Ранее, как еще независимость паразитной ЭДС ЭДС более серийно калибров, при от можно некоторые небольших ламинарного) стремились от имеют режима осесимметричном вихревых токов Фуко, уменьшение влияния концевых эффектов. Недостаток равномерного поля: большая протяженность трубопровода габаритные (l/D = размеры, З÷4), а магнитной l вследствие также чего стоимость системы вдоль возрастают масса, преобразователя расхода и зависимость ЭДС от степени деформации потока при недостаточной длине прямого участка трубы. На рисунке 6, а-д показаны магнитные системы, предназначенные для создания равномерного магнитного поля. Их форма зависит от диаметра D трубопровода. Так, для D < 25 мм удобен магнитопровод из шихтованной стали с плоскими полюсами, между которыми помещается труба (рисунок 6, а). Но с увеличением D такая система становится значительного расхода все более трансформаторной громоздкой стали. В и требует этих случаях целесообразно электромагнитную систему делать в виде нескольких слоев ленты из магнитомягкого материала, охватывающего трубу, а обмотку возбуждения размещать между лентой и трубой (рисунке 246, б-г). Недостаток простейшей разновидности такой системы, показанной на рисунке 246, б — большой воздушный зазор, а следовательно, и излишний расход мощности. Для устранения этого недостатка ленточному магнитопроводу придают форму эллипса (рис. 246, в) или овала (рисунок 246, г). При этом магнитопровод приближается к трубе в плоскости, перпендикулярной к плоскости расположения электродов, и воздушный зазор сокращается. Но здесь длина магнитных линий в воздушном зазоре и жидкости уменьшается от центра трубы к ее краю. Чтобы сохранить равномерность магнитного поля, надо обмотку возбуждения располагать так, чтобы магнитодвижущая сила возрастала от краев трубы к центру. Это наряду с требованием полного заполнения обмоткой пространства между трубой и магнитопроводом определяет геометрию последнего. Рисунок 6 – Магнитные системы, создающие равномерное магнитное поле: а – магнитопровод из Ш-образного железа; б – магнитопровод ленточный с плоскими поверхностями; в-д – магнитопровод ленточный, плотно охватывающий обмотку возбуждения. С увеличением диаметра трубы D происходит уменьшение разницы осей овала, и магнитопровод приближается по форме к кругу. Поэтому для труб, имеющих D > 300 мм, целесообразно применять круглый магнитопровод (рисунок 6, д). Если исходить из одной и той же чувствительности расходомера k, определяемой зависимостью k = E/ʋ = BD = const, то с увеличением D уменьшается индукция В, необходимая для достижения одной и той же чувствительности. Это упрощает изготовление магнитных систем для труб, имеющих большие диаметры. Магнитное поле, у которого BW = const. Данное магнитное поле имеет два существенных достоинства. Одно из них — отсутствие необходимости в магнитных системах большой длины. Учитывая, что весовой вклад в создание ЭДС точек, удаленных более чем на ±0,5D от плоскости электродов очень мал, можно в 2—4 раза сократить длину магнитной системы по сравнению с той, которая требуется для создания равномерного магнитного поля. Это приводит к резкому уменьшению массы и габаритных размеров преобразователя, а также расхода меди на обмотку возбуждения. Другое достоинство — возможность более точного измерения расхода деформированных потоков, а значит, возможность сокращения необходимых длин прямых участков до и после преобразователя расхода (теоретически до нуля). Действительно, при любом распределении как магнитного поля, так и местных скоростей, ЭДС, индуктируемая в жидкости, определяется уравнением где В — компонента магнитной индукции в точке, где находится элементарный объем перпендикулярная dV, к оси электродов и оси трубы; W — вес или значение весовой функции для этой точки, характеризующей ее вклад в создание ЭДС; ʋ — компонента скорости в этой точке в осевом направлении. Если индукция магнитного поля удовлетворяет условию BW = const = k, то из предыдущего уравнения следует откуда вытекает, что ЭДС E прямо пропорциональна объемному расходу Q0 независимо от распределения скоростей по сечению трубы. Получить BW = const магнитное с поле, расположением строго удовлетворяющее изолиний весовой условию функции по рисунку 3, невозможно. Поэтому ограничиваются созданием полей, в которых условие BW = const достигается лишь с некоторым приближением. Тенденции развития магнитных систем. Применение операционных усилителей высокой чувствительности и микропроцессорной техники позволило существенно упростить устройство электромагнитных систем. Можно в несколько раз снизить значение выходного сигнала, а значит, применять более слабые магнитные поля. В результате снижена потребляемая мощность, а также масса и габаритные размеры магнитных систем. Их длина вдоль оси трубы снижается вплоть до (0,2÷0,3) D. Путем применения дополнительных электродов и обработки сигналов с учетом их веса можно упростить устройство магнитной системы, отказавшись от поля BW = const. Кроме того, применение поля низкой частоты (1-3 Гц) также способствует упрощению устройства электромагнитов. Магнитные системы и необходимые длины прямых участков труб. С первых лет промышленного применения электромагнитных расходомеров была установлена сравнительно малая зависимость их показаний от близлежащих местных сопротивлений и даже появились утверждения о возможности установки непосредственно рядом с ними преобразователей расхода. Такие выводы отчасти объясняются тем, что в расходомерах с равномерным магнитным полем относительные расстояния l/D от входного и выходного фланцев преобразователя расходомера до плоскости электродов значительны, особенно при малых D. Так, у расходомеров типа ИР-1 расстояние l/D = 3,06 при D = 100 мм и l/D = 13,5 при D = 10 мм. При испытании расходомера ИР-1 D = 80мм не было замечено изменения показаний при перемещении перед преобразователем расхода и даже внутри него круглой заслонки, срезанной наполовину или имевшей семь отверстий d = 12 мм. Но опыты с расходомером расплавленного металла, преобразователь которого устанавливался на различных расстояниях от дроссельного крана, показали зависимость погрешности измерения ЭДС от степени открытия крана, степени близости его к преобразователю расхода и скорости жидкости. Если кран установлен до преобразователя расхода, то при степени его открытия, равной 25 %, и скорости 0,8 м/с, а также при степени открытия, равной 100 %, и скорости 1,1 м/с искажение сигнала наступает при l/D < 22. Если кран установлен после преобразователя расхода, то при тех же условиях искажение сигнала наступает при l/D < 11. В зарубежных опытах при установке преобразователя на расстоянии 2,5l) после колена погрешность составила 2,79%. При расстоянии 5D она снизилась до 1,92%. Если же вместо точечных применить электроды с большой поверхностью, то даже при расстоянии 2,5D погрешность будет лишь 0,79 %. Расходомеры с магнитным полем, изменяющимся по закону BW = const, должны быть менее чувствительны к деформации эпюры скоростей. Но проведенные опыты дали противоречивые результаты. В некоторых опытах не было замечено особого преимущества этого поля перед равномерным в отношении возможности сокращения длины прямого участка трубы. Если преобразователь стоит рядом с коленом, то в зависимости от расположения электродов изменялась +0,55 от до к -0,7 плоскости %. При колена установке погрешность преобразователя сразу после диффузора погрешность равна -0,5%, а после конфузора только +0,1 %. Если преобразователь стоит после завихрителя потока на расстоянии 1,7l), то погрешность равна 0,8 %. Хотя все выполненные опыты не дают исчерпывающего ответа относительно необходимой длины прямого участка, очевидно, что в большинстве случаев достаточно иметь длину прямого участка в пределах (5÷10) D и только при очень сильной деформации потока эту длину следует увеличить вплоть до (20÷25) D. Преобразователи электромагнитных расходомеров Основные элементы преобразователя электромагнитного расходомера — это отрезок трубы из диамагнитного материала, имеющий внутреннее изоляционное покрытие; электромагнитная система, расположенная снаружи, и два электрода для съема разности потенциалов, образующейся при пересечении жидкостью магнитного поля. В большинстве случаев применяют преобразователи, внутренний диаметр которых DB ранен диаметру D трубопровода. Соединение — фланцевое, а при малых D — резьбовое. Но при малых скоростях в трубах целесообразно иметь DB < D. Это повышает ЭДС, в значит, и и стоимость точность измерения преобразователя и, расхода, кроме того, снижает благодаря массу повышен- ной скорости жидкости способствует очистке поверхности электродов. При Dв < D преобразователь соединяется с трубопроводом с помощью конических переходов. Труба преобразователя обычно изготовляется из коррозионно-стойкой стали. В особых случаях, при небольших давлениях и малых диаметрах, трубу преобразователя делают из стекла или пластмассы. При весьма больших диаметрах встречаются преобразователи с трубами из бетона. Очень хорошим материалом для изготовления трубы, в том числе и большого диаметра, является многослойный стеклопластик. Он выдерживает большое давление и обладает изоляционными свойствами. В качестве изоляционного покрытия внутренней поверхности стальной трубы и фланцев преобразователя применяют полиуретан, резину, эмаль, фторопласт и другие материалы в зависимости от свойств измеряемой жидкости. Так, резина хорошо сопротивляется абразивному износу, поэтому ее рекомендуют для измерения расхода рудных пульп. Температурный предел ее применения 70 °С. Но в щелочных средах резина разрушается. Кислотостойкая эмаль пригодна для всех кислот, кроме плавиковой. Ее успешно применяют, в частности, при измерении расхода суспензии латекса и в поливинилхлорида процессе изготовления в синтетических диметилформамиде волокон. Коэффициенты расширения эмали и материала трубы (коррозионно-стойкой стали) должны быть близки друг к другу. Предел применения эмали 180 °С. Для щелочных сред эмаль не подходит. Фторопласт помимо широко универсальной коррозионной стойкости хорошо сопротивляется также и изнашиванию. Так, фторопласт-4 пригоден для всех агрессивных сред, кроме плавиковой кислоты, 98 % -ной азотной кислоты, царской водки, ацетона и серного эфира, а фторопласт-40 — для всех жидкостей, кроме содержащих трехфтористый хлор и элементарный фтор. Футеровка фторопластом производится сваркой внутри преобразователя набора втулок и узла электрода, а соединение с металлом осуществляется с помощью ласточкина хвоста. Температурный предел фторопласта около 150 °С. Но для высоких давлений фторопласт плохо пригоден из-за текучести, возрастающей с повышением температуры. Если резину и полиуретановый каучук в преобразователях типа ИР применяют до давлений 2.5 МПа (для D от 10 до 300 мм), эмаль тоже до давлений 2,5 МПа (для О от 10 до 100 мм), то фторопласт лишь до давлений 1 МПа (для D от 10 до 100 мм). Но при более совершенной технологии температуре 150 сборки °С узлов электродов и повторной и фланцев при затяжке после охлаждения преобразователи оказались работоспособными при давлении до 1,6 МПа при при температуре температуре 180°С 150 преобразователях ‘С. В и давлении до 3,5 МПа расходомеров 4-РИ и 5-РИ для изоляционного покрытия применялись полуэбонит и эпоксидный компаунд Большой ЭД-5 (смесь износоустойчивостью смолы обладают Д-5 с полиуретан отвердителем). и покрытия из стекла. Последние к тому же термостойки и антикоррозийны. Труба из состава, между коррозионно-стойкой коэффициент аналогичными стали теплового покрывается расширения коэффициентами стали слоем особого которого и стекла. средний На этот слой расплавленное стекло наносится центробежным методом. Электроды твердого изготовляют материала, чаще из всего антикоррозийного из и достаточно коррозионно-стойкой стали, но иногда из титана или платино-иридиевого сплава. Необходимо обеспечить помимо хорошего контакта электрода с текущей жидкостью его изоляцию от металлической стенки трубы и плотность всего соединения. Наружный конец электрода снабжается нарезкой и одной или двумя гайками для затягивания электрода при его уплотнении. На рисунке 7, а показан узел электрода, применяемый во многих отечественных устройству и электромагнитных расходомерах. Он прост по надежно работает при резиновых и полиуретановых покрытиях. Плотность достигается конической головкой при затягивании электрода с помощью гайки. В зависимости от размера трубы диаметр электрода 5-8 мм, а его головки 6-30 мм. На рисунке 7, б изображена несколько другая зарубежная конструкция узла электрода. Рисунок 7 – Электродный узел 1,9 — футеровка; 2 — стальная труба; 3 — изоляционная прокладке (стеклотекстолит); 4 — шайба; 5, 16 — гайки; 6, 13 — электрод; 7, 12, 18 — клеммы; 8 — сферическая головка; 10 — стойка трубы; 11, 20 — тарельчатые пружины; 14 — металлическая втулка; 15 — втулка; 17 — экранирующий колпачок; 19 —изоляционная втулка; 21 — покрытие из фторопласта 40 Он имеет сферическую головку 8 с одним или несколькими коническими зубцами на тыльной части, обеспечивающими внутреннее уплотнение при контакте с футеровкой 9. Тарельчатые пружины 11, опирающиеся через промежуточные шайбы и стенку 10 трубы, обеспечивают при затягивании электрода необходимую плотность соединения. Клемма 12 служит для присоединения провода. На рисунке 7, в показан узел электрода при фторопластовой изоляции и небольшом диаметре трубы. С помощью кольцевой площадки у электрода под воздействием тарельчатых пружин электрод прижимается к фторопластовой изоляции. Правильное измерение ЭДС нарушается, если поверхность электрода загрязняется или на ней образуются осадки. Предложены различные методы очистки. Для механической очистки в трубчатый электрод вводят стальную щетку. Если загрязнение и осадки мягкие и не имеют сильного сцепления с поверхностью электрода, то можно рассчитывать на самоочистку их текущей жидкостью, особенно если последняя содержит твердые частицы (например, при измерении сточных вод). В этом случае целесообразно углубить конец электрода на 10-12 мм внутрь трубопровода. Более эффективен ультразвуковой метод очистки. К стержню электрода присоединяется пьезоэлемент, на который подастся напряжение с частотой 45-65 кГц. При возникающих механических колебаниях электрода осадки отделяются от него и уносятся жидкостью. Наряду с рассмотренными электродами, имеющими контакт с измеряемой жидкостью, были предложены бесконтактные электроды с емкостным съемом сигнала, имеющие ряд существенных достоинств: возможность применения для жидкостей с очень малой электрической проводимостью, электродов необходимости и отсутствие их чистки. изнашивания Такие поверхности электроды весьма перспективны для измерения расхода как абразивных жидкостей, так и жидкостей загрязненных и образующих осадки. В последние годы возрос интерес к их применению и появились разработки соответствующих расходомеров. Схема преобразователя расхода с емкостными электродами показана на рисунке 8. Металлические электроды отделены от жидкости изоляционным слоем 2 из тефлона, фторопласта или другого материала. Каждый электрод вместе с изоляционным слоем (диэлектриком) и проводящей жидкостью (заземленной) образует конденсатор. Для защиты электродов от шунтирующего действия окружающей среды (от емкостной связи с ней) служат двойные экраны 3 и 4. Внешний экран 4 заземлен, а внутренние эквипотенциальные экраны 3 находятся под тем же напряжением, что и электроды 1. Рисунок 8 – Схема преобразователя с емкостными электродами Между электродами и экранами не должно быть никакой разности потенциалов. Каждый измерительный электрод с помощью кабеля соединен со своим предварительным усилителем, имеющим очень большое входное сопротивление и коэффициент усиления, равный единице. Так, при диаметре трубы 40 мм, диаметре электродов 25 мм и толщине тефлоновой изоляции 2,5 мм, имеющей диэлектрическую постоянную около 2, емкость между жидкостью и электродом составляет 2 пФ. Тогда при частоте 50 Гц импеданс источника равен 1,5·103 Ом. При этих условиях входной импеданс предварительного усилителя должен быть около 1012 Ом. Угол раствора электродов β доходит до 90°, а угол раствора защитных электродов еще больше. Длина измерительных электродов по оси трубы связана с осевой длиной магнитного поля и меньше последней примерно в два раза, в то время как длина защитных измерительных. электродов в два раза больше, чем длина В большинстве серийно изготовляемых электромагнитных расходомеров электромагнитная магнитопровода, закрывается система, состоящая располагается из снаружи металлическим обмотки трубы возбуждения и преобразователя и кожухом. Но при очень высоком давлении во избежание появления больших вихревых токов в толстостенных стальных трубах электромагнитную систему размещают внутри трубы преобразователя в электроизоляционном компаунде, который отделен от жидкости футеровкой. При измерении расхода жидкостей, которые кристаллизуются или полимеризуются при низких температурах, применяют обогрев (например, путем пропуска пара или горячей воды через наружную рубашку). Расходомеры электромагнитные Метран-370 Расходомеры измерений электромагнитные объемного расхода Метран-370 электропроводных предназначены жидкостей, эмульсий и т.п: Рисунок 9 – Электромагнитный расходомер Метран-370 для пульп, Используются в системах автоматического контроля и управления технологическими процессами в энергетике, химической, пищевой, бумажной и других отраслях промышленности, а также в системах коммерческого учета жидкостей. Основные преимущества: - возможность применения для измерения расхода агрессивных сред; - широкий размерный ряд; - высокая точность измерений; - отсутствие движущихся частей; - малые потери давления; - прямолинейный участок трубопровода до расходомера - 5D, после расходомера - 2D. Основные характеристики: • Измеряемые среды: жидкости с минимальной электропроводностью 510'4 См/м • Диаметр условного прохода 15...200 мм • Пределы основной относительной погрешности ±0,5% в диапазоне скоростей измеряемой среды от 0,3 до 10 м/с • Давление измеряемой среды: 0,05...4,00 МПа; 0,05...2,5 МПа (для D 150, 200 мм) • Выходные сигналы: 4-20 мА, HART, частотно-импульсный • Интегральный или удаленный (до 300 м) монтаж преобразователя • Наличие взрывозащищенного исполнения • Соответствие требованиям ГОСТ Р51649 и ГОСТ Р51522 по электромагнитной совместимости • Внесен в Госреестр средств измерений под №32246-08, сертификат №30873 • ТУ 4213-053-12580824-2006 • Сертификат соответствия №POCC RU.rB05.В03338 • Экспертное заключение СанПин 77.01.03.П.000588.01.11 ВИХРЕВЫЕ РАСХОДОМЕРЫ Вихревыми называются расходомеры, основанные на зависимости от расхода частоты колебаний давления, возникающих в потоке в процессе вихреобразования или колебания струи. Они разделяются на три группы, существенно отличные друг от друга. 1. Расходомеры, имеющие в первичном преобразователе неподвижное тело, при обтекании которого с обеих его сторон попеременно возникают срывающиеся вихри, создающие пульсации давления. 2. Расходомеры, в первичном преобразователе которых поток закручивается и, попадая затем в расширенную часть трубы, прецессирует, создавая при этом пульсации давления. 3. Расходомеры, в первичном преобразователе которых струя, вытекающая из отверстия, совершает автоколебания, создавая при этом пульсации давления. Для исследования характеристик вихревых расходомеров наряду с числом Рейнольдса Re служит число или критерий Струхаля Sh, характеризующий периодические процессы, связанные с движением жидкости или газа. Этот критерий, возникающий при изучении обтекания потоком воздуха цилиндра (струны), имеет вид где f — частота пульсаций давления газа (или жидкости) в результате периодического срыва вихрей; d — диаметр цилиндра (характерный размер); v — скорость потока. Так как при постоянстве числа Sh частота f пропорциональна v, то, измеряя эту частоту, можно судить о скорости v, а значит, и об объемном расходе потока. Для получения линейной шкалы вихревого расходомера надо, чтобы число Sh оставалось постоянным в возможно большем диапазоне чисел Re. Иногда кроме числа Sh применяют еще и число Росби Ro — отношение осевой и тангенциальной составляющих скорости где ω — угловая скорость. Числа Sh и Ro связаны зависимостью из которой следует, что Sh остается постоянным, если постоянны число Ro и отношение f/ω. Преобразователи расхода у этих расходомеров многоступенчатые. В первой ступени в процессе вихреобразования или осцилляции струи создаются пульсации давления и скорости, частота которых пропорциональна объемному расходу. Во второй ступени эти пульсации преобразуются в выходной сигнал, обычно электрический. Для этого служат преобразователи давления (пьезоэлементы), температуры (термоанемометры), напряжения (тензорезисторы), ультразвуковые преобразователи скорости и т. п. Работу вихревых расходомеров могут нарушать акустические и вибрационные помехи, создаваемые различными источниками: насосами и компрессорами, местными сопротивлениями, завихрителями, вибрирующими трубами и т. д. Если частота вредных пульсаций отличается от частоты измерительного сигнала, то ее влияние можно устранить с помощью электрических фильтров. Сложнее их устранить, если эти частоты совпадают. Иногда применяют струевыпрямитель на выходном патрубке преобразователя расхода. Для борьбы с помехами целесообразно иметь два преобразователя (например, два пьезоэлемента), включенных встречно и установленных в точках, где пульсации полезного сигнала находятся в противофазе, а пульсационные помехи в фазе. При этом полезные сигналы усиливаются, а помехи Термопреобразователи менее в значительной чувствительны мере к устраняются. помехам, чем преобразователи давления. Вибрации не отражаются на их показаниях, но механически они менее прочны. У вихревых расходомеров много достоинств: отсутствие подвижных частей, простота и надежность преобразователя расхода, независимость показаний от давления и температуры, большой диапазон измерения, доходящий в некоторых случаях до 15—20, линейность шкалы, хорошая точность (погрешность ±0,5—1,5 %), частотный измерительный сигнал, стабильность показаний, сравнительная несложность измерительной схемы, возможность вихревых получения расходомеров универсальной относятся градуировки. значительная К потеря недостаткам давления, достигающая 30—50 кПа, и некоторые ограничения возможности их применения: они непригодны при малых скоростях из-за трудности измерения сигнала, имеющего малую частоту, и изготовляются лишь для труб, имеющих диаметры от 25 до 150—300 мм. Применение их для больших труб затруднительно, а при очень малых диаметрах нет устойчивого вихреобразования. Они не применяются также при Re < 103-104. Многие конструкции загрязненных вихревых и расходомеров агрессивных непригодны веществ, и могущих для измерения нарушить работу преобразователей выходного сигнала. Но на процессе вихреобразования загрязнение, коррозия и эрозия тела обтекания или закручивающего аппарата практически сказываются очень мало (в отличие, например, от сужающих устройств). Поэтому при выборе преобразователя выходного сигнала (например, ультразвукового) вихревые расходомеры могут служить и для измерения загрязненных, агрессивных и абразивных веществ. Вихревые расходомеры появились сравнительно недавно и поэтому еще не получили широкого распространения. Но благодаря своим достоинствам и более низкой по сравнению с турбинными электромагнитными расходомерами стоимости они весьма перспективны. Вихревые расходомеры с обтекаемым телом. и Тело, находящееся на пути потока, изменяет направление движения обтекающих его струй и увеличивает их скорость за счет соответствующего уменьшения давления. За миделевым сечением тела начинается обратный процесс уменьшения скорости и увеличения давления. Одновременно с этим на передней стороне тела создается повышенное, а на задней стороне — пониженное давление. Пограничный слой, обтекающий тело, пройдя его миделево сечение, отрывается от тела и под влиянием пониженного давления за телом изменяет направление движения, образуя вихрь. Это происходит как в верхних, так и в нижних точках обтекаемого тела. Но так как развитие вихря с одной стороны препятствует такому же развитию с другой стороны, то образование вихрей с той и другой стороны происходит поочередно рисунок 1. При этом за обтекаемым телом образуется вихревая дорожка Кармана шириной а, имеющая постоянное отношение b/а, которое для обтекаемого цилиндра равно 0,281. Рисунок 1 – Схема образования вихрей. Частота срыва вихрей согласно критерию Струхаля f = v×Sh/d, т. е. пропорциональна отношению v/d, а следовательно при постоянном характерном размере d тела пропорциональна, скорости v, а значит, и объемному расходу Q0. Зависимость между Q0 и f дается уравнением 1. где s — площадь наименьшего поперечного сечения потока вокруг обтекаемого тела. Чтобы обеспечить пропорциональность между Q0 и f, число Струхаля Sh должно оставаться неизменным в возможно большей области значений числа Re. Для обтекаемого цилиндра число Sh остается постоянным в области 103—104 < Ro < 2*105. Поэтому расходомер с цилиндрическим обтекаемым телом может иметь диапазон измерения Qmax/Qmin — 20. Но такой диапазон может иметь место в том случае, если при Qmin скорость v в трубе будет достаточна и обеспечит устойчивое вихреобразование (в частности, для воды v > 0,2 м/с). Исследование расходомера с цилиндрическим обтекаемым телом диаметром d показало, что наиболее предпочтительным является отношение d/D — 0,15-0,25. Преимущественное применение в вихревых расходомерах нашли призматические тела прямоугольной, треугольной или трапецеидальной (дельтообразной) форм. У последних основание обращено навстречу потоку. Такие тела образуют сильные и регулярные вихревые колебания, хотя и создают несколько большую потерю давления. Кроме того, они удобны для организации второй ступени преобразования частоты в выходной сигнал. Рекомендуемая длина основания треугольного тела В = D/3, а высота равнобедренного треугольника h — 1,3В. При необходимости усиления выходного сигнала иногда применяют два тела обтекания, расположенные на некотором расстоянии друг от друга. У приборов фирмы Fisher and Porter как первое, так и второе тело обтекания — прямоугольные призмы. На боковых гранях второй по потоку призмы размещены пьезоэлементы, защищенные плоскими гибкими мембранами. Дифференциальное включение пьезоэлементов исключает влияние шумовых помех. Акустические расходомеры Акустическими называются расходомеры, основанные на измерении зависящего от расхода того или другого эффекта, возникающего при проходе акустических колебаний через поток жидкости или газа. Почти все применяемые на практике акустические расходомеры работают в ультразвуковом диапазоне частот и поэтому называются ультразвуковыми. Они разделяются на расходомеры: - основанные на перемещении акустических колебаний движущейся средой; - основанные на эффекте Допплера; - основанные на измерении разности времен прохождения акустических колебаний по потоку и против него. Значительно реже встречаются приборы, в которых акустические колебания направляются перпендикулярно к потоку и измеряется степень отклонения этих колебаний от первоначального направления. Приборы, основанные на явлении Допплера, предназначены в основном для измерения местной скорости, но они находят также применение и для измерения расхода. Измерительные схемы у них более простые. Ультразвуковые расходомеры обычно служат для измерения объемного расхода, потому что эффекты, возникающие при прохождении акустических колебаний через поток жидкости или газа, связаны со скоростью последнего. Но путем добавления акустического преобразователя, реагирующего на плотность измеряемого вещества, можно осуществить и измерение массового расхода. Приведенная погрешность ультразвуковых расходомеров лежит в широких пределах от 0,1 до 2,5 %, но в среднем может быть оценена цифрами 0,5—1 %. Значительно чаще рассматриваемые расходомеры применяют для измерения расхода жидкости, а не газа, вследствие малого акустического сопротивления последнего и трудности получения в нем интенсивных звуковых колебаний. Ультразвуковые расходомеры пригодны для труб любого диаметра, начиная от 10 мм и более. Существующие расходомеры очень разнообразны как по устройству первичных преобразователей, так и по применяемым измерительным схемам. При измерении расхода чистых жидкостей обычно применяют высокие частоты (0,1—10 МГц) акустических колебаний. При измерении же загрязненных веществ частоты колебаний приходится существенно снижать вплоть до нескольких десятков килогерц во избежание рассеяния и поглощения акустических колебаний. Необходимо, чтобы длина волны была на порядок больше диаметра твердых частиц или воздушных пузырей. Низкие частоты применяют также при измерении расхода газов. Принцип действия расходомеров с колебаниями, направленными по потоку и против него. В большинстве случаев плоскости излучающих и приемных пьезоэлементов расположены под некоторым углом θ к оси трубы. Тогда акустические колебания под углом α — 90° — θ к оси трубы проходят в измеряемом веществе путь длиною L. Обозначим через v L скорость потока, усредненную по длине L. Ее проекция на направление L будет v L cos α. Если звуковой луч направлен в сторону движения потока, то время τ1 прохождения им расстояния L определится из уравнения τ1 = L/(c + v L cos α), где с — скорость распространения акустических колебаний в неподвижном измеряемом веществе. При обратном направлении звукового луча время τ2 прохождения им того же расстояния L будет больше, как это следует из уравнения τ2 = L/(c - v L cos α). Придав этим уравнениям вид τ1 = (L/c)*(1 + (v L cos α)/с) -1 и τ2 = (L/c)*(1 - (v L cos α)/с)-1 и вычитая одно из другого, получим Учитывая, что v L cos α /с < 10-3, найдем Если акустические колебания направлены вдоль оси трубы, то cos α = 1 и , где v c — осевая скорость потока. Таким образом, разность времен Δτ прямо пропорциональна скорости v c или v L . 𝛥𝜏~𝑣𝑐 или 𝑣𝐿 Имеется несколько способов измерения очень малого значения Δτ: фазовый, при котором измеряется разность фазовых сдвигов акустических колебаний, направляемых по потоку и против него (фазовые расходомеры); времяимпульсный метод, основанный на непосредственном измерении разности времени прохождения коротких импульсов по потоку и против него (времяимпульсные расходомеры); частотный метод, при котором измеряется разность частот повторения коротких импульсов или пакетов акустических колебаний, направляемых по потоку и против него (частотные расходомеры). Наибольшее распространение получил последний метод и его разновидности. По числу акустических каналов ультразвуковые расходомеры подразделяются на однолучевые или одноканальные, двухлучевые или двухканальные и многолучевые или многоканальные. У первых имеются только два пьезоэлемента, каждый из которых по очереди выполняет функции излучения и приема. Их существенное достоинство — отсутствие пространственной асимметрии акустических каналов, зависящих от различия их геометрических размеров, а также различия температур и концентрации потока в них. Вторые имеют два излучателя и два приемника, образующих два независимых акустических канала, которые располагаются параллельно или перекрещиваются друг с другом. Многоканальные применяются при необходимости измерения расхода деформированных потоков или же для достижения повышенной точности, в частности, в случае применения ультразвукового расходомера в качестве образцового. Рассмотрим особую разновидность ультразвукового расходомера с колебаниями, направляемыми по потоку и против него, у которого с одной стороны трубы устанавливается лишь один пьезопреобразователь, а с противоположной — два. Первый преобразователь создает два акустических луча, движущихся по потоку и имеющих различные углы наклона к оси трубы, но расположенных близко друг к другу. Длина пути в измеряемом веществе у одного луча l, а у другого l+Δl. Лучи воспринимаются преобразователями, установленными на противоположной стороне. Затем последние преобразователи становятся излучающими и производится обратное зондирование против потока. При такой схеме повышается быстродействие расходомера и появляется возможность измерять быстропеременные расходы. Допплеровские расходомеры. Рассматриваемые расходомеры основаны на измерении, зависящем от расхода допплеровской разности частот f1 — f2 возникающей при отражении акустических колебаний неоднородностями потока. Разность f1 — f2 зависит от скорости v частицы, отражающей акустические колебания и скорости с распространения этих колебаний в соответствии с уравнением где f1 и f2 — исходная и отраженная частоты акустических колебаний соответственно; α' — угол между вектором частицы отражателя и направлением исходного луча; скорости v α" — угол между тем же вектором v и направлением луча отраженного. При симметричном расположении излучающего и приемного пьезоэлементов относительно скорости v или, что то же, оси трубы углы α' и α" равны друг другу. Тогда из предыдущего уравнения получим Схема допплеровского преобразователя расхода: 1, 2 – излучающий и приемный пьезоэлементы. Схема допплеровского расходомера в трубе малого диаметра. 1, 2 – излучающий и приемный пьезоэлементы; 3 – генератор колебаний частотой 5 МГц, 4 – фильтр-выпрямитель, 5 – усилитель; 6 – измеритель доплеровского сдвига частот Таким образом, измеряемая разность частот может служить для измерения скорости частицы отражателя, т. е. для измерения местной скорости потока. Это сближает допплеровские ультразвуковые расходомеры с другими расходомерами, основанными на измерении местной скорости. Для их применения нужно знать соотношение между скоростью и частицы отражателя и средней скоростью потока vc. Последняя для турбулентных потоков находится на расстоянии 0,242r, где r — радиус трубы. При небольших диаметрах труб (менее 50—100 мм) встречаются допплеровские расходомеры, у которых длины излучающего и приемного пьезоэлементов равны внутреннему диаметру трубы. Они реагируют не на одну, а на несколько местных скоростей частиц, находящихся в диаметральной плоскости сечения трубы. Пример такого прибора показан на рисунке выше. Пьезоэлементы из титаната бария, длиною l = D — 20 мм и шириною 5 мм, частота излучения 5 МГц, допплеровский сдвиг частот порядка 15 кГц. Измеряемое вещество — однопроцентная суспензия бетонита, имеющая диаметры частиц не более 0,1 мм. Градуировочная характеристика расходомера, охватывающая как ламинарную, так и турбулентную область, показана на рисунке ниже. Градуировочная характеристика допплеровского расходомера Так как отношение средних скоростей по сечению vc и по диаметру vD для ламинарного режима меньше (vc/vD = 0,75), чем для турбулентного (vc/vD = 0,92-0,95), то наклон характеристики для последнего режима меньше, чем для первого. При уменьшении расхода ламинарный режим начинается с числа Re = 2320, а при увеличении расхода он из-за недостаточно длинного прямого участка сохраняется и при больших числах Re. Для исключения неопределенности показаний в переходной зоне пьезоэлементы в средней части длиною l = 0,36D были экранированы. Благодаря этому отношение vc/vD в ламинарной зоне резко возросло и практически стало таким же, как и у турбулентной зоны, и наклон градуировочной прямой стал одинаковым в обеих зонах. Для предотвращения образования вихрей в сравнительно больших карманах, где установлены пьезоэлементы, свободное пространство в них заполнено фольгой из полистирола, имеющего одинаковое с водой акустическое сопротивление. Без фольги градуировочная зависимость в турбулентной зоне отклоняется от прямой 1 и принимает вид кривой 2. Теперь в большинстве случаев пьезоэлементы у допплеровских расходомеров помещают снаружи трубы. Это особенно необходимо в случае измерения загрязненных и абразивных веществ, но при этом надо считаться с дополнительными погрешностями, обусловленными в частности ультразвуковыми расходомерами преломлением луча в стенке трубы. По сравнению с другими допплеровские имеют наименьшую точность ввиду того, что выходной сигнал представляет целый спектр частот, возникающих вследствие сдвига исходной частоты не одной частицей — отражателем, а рядом частиц, относительная имеющих погрешность различные измерения расхода скорости. обычно Поэтому не менее 2-3%. Акустические длинноволновые расходомеры (низкой частоты). В отличие от всех ранее рассмотренных ультразвуковых расходомеров длинноволновые акустические расходомеры работают на низкой (звуковой) частоте. Схема преобразователя расхода опытного образца такого расходомера показана на рисунке ниже. Источник акустических колебаний – громкоговоритель 1, установленный на входном участке латунной трубы диаметром 50 мм. Этот участок с помощью муфты 2, предотвращающей передачу вибраций и других помех, соединен с трубой 3, на которой на расстоянии L — 305 мм друг от друга размещены два микрофона 4. Их крепление снабжено прокладками 5 из пористой резины. Приемные диафрагмы микрофонов расположены заподлицо с внутренними стенками трубы. Акустические колебания, создаваемые источником 1, имеют длину волны λ, в несколько раз превосходящую диаметр трубопровода, что благоприятно для устранения высокочастотных помех. Эта волна отражается от обоих концов трубы, в результате чего в последней навстречу друг другу движутся две волны: одна со скоростью c – v, а другая со скоростью с + v (где с и v — скорости ультразвука и измеряемого вещества соответственно). Эти две волны образуют стоячую волну в трубопроводе. Амплитуда последней в узлах не равна нулю, так как амплитуды воли, движущихся навстречу, не равны друг другу. Так, если источник звука 1 установлен до микрофонов, то волна, движущаяся по потоку, образуется из сложения волны, образованной источником 1, и волны, отраженной от переднего конца трубы, в то время как обратная волна — только отраженная от выходного конца и местных сопротивлений между ним и микрофонами. Следует избегать установки микрофонов вблизи узлов стоячей волны. При скорости потока v = 0 фазы синусоидальных сигналов обоих микрофонов совпадают. С появлением скорости v возникает сдвиг фаз, возрастающий с увеличением v. Расстояние L между микрофонами выбирают так, чтобы оно равнялось длине волны λ или ее половине λ/2, т.е., чтобы выполнялось уравнение λ = 2L/n, где n = 1 или n = 2. При этом частота f акустических колебаний определяется зависимостью f = nc/2L. Тогда при числах Маха М, не превосходящих 0,1, имеем следующую зависимость Δf от v: Низкочастотный акустический расходомер При n = 1 для М = 0,1 находим Δφ = 0,1π = 18°. Длину волны λ при L = 0,305 м и n = 1 находим из уравнения λ = 2L/n = 0,61 м. При скорости звука с — 346,3 м/с (при 25 °С) находим частоту f = с/λ = 567,7 Гц. Сдвиг частоты Δφ при v = 1 м/с равен 0,520 град (м/с). Испытания опытного образца показали хорошую линейную независимость между расходом газа и сдвигом фазы Δφ до чисел Маха, не превышающих 0,1. Из всех разновидностей акустических расходомеров наибольшее применение получили приборы с ультразвуковыми колебаниями, направляемыми по потоку и против него. Ультразвуковые расходомеры со сносом применяются очень редко. Они значительно менее чувствительны, чем первые. Допплеровские приборы служат преимущественно для измерения местных скоростей потока. Длинноволновые акустические расходомеры появились недавно, и нет еще достаточного опыта их применения. Из трех ультразвуковых методов измерения колебаний по разности потоку и времен против прохождения него наибольшее распространение получил частотно-импульсный метод с одноканальным преобразователем расхода. Он может обеспечить наибольшую точность измерения, а приведенная погрешность измерения может быть снижена до (0,5-1) %. Созданы приборы с еще меньшей погрешностью, вплоть до 1(0.1-0.2) %, что позволяет применять такие приборы в качестве образцовых. Измерительные схемы двухканальных расходомеров проще, но точность их ниже. Фазовые расходомеры имеют преимущество перед частотными при необходимости измерения малых скоростей вплоть до 0,02 %, а также при измерении загрязненных сред. При деформированном поле скоростей вследствие недостаточной длины прямого дополнительная участка трубопровода погрешность. Для может устранения возникнуть большая погрешности надо применять сопло или конфузор, выравнивающие профиль, или же преобразователь расхода, в котором акустические колебания направляются не в диаметральной плоскости, а по несколькими хордам. Основная область применения ультразвуковых расходомеров — измерение расхода различных жидкостей. Особенно целесообразны они для измерения расхода неэлектропроводных и агрессивных жидкостей, а также нефтепродуктов. Современные вихревые и вихреакустические расходомеры, выпускаемые ЗАО ПГ «Метран». Вихревой счетчик газа Метран-331: состоит из многопараметрического датчика Метран-335 и микровычислительного устройства Метран-333. Рассмотрим датчик расхода Метран-331. Назначение: - измерение объемного расхода и объема рабочей среды (газа или пара) при рабочих условиях (РУ); - вычисление объема газа при РУ; - измерение температуры рабочей среды; - измерение избыточного давления рабочей среды среды; - передача измеренных значений параметров на вычислительное устройство. Устройство и принцип действия Суть вихревого принципа измерения расхода состоит в измерении скорости потока путем определения частоты образования вихрей за телом обтекания, установленным в проточной части преобразователя расхода. Измерение частоты вихреобразования производится при помощи двух пьезодатчиков, фиксирующих пульсации давления в зоне вихреобразования ("съем сигнала по пульсациям давления"). Измерение температуры и давления производится встроенными в корпус датчика термометром сопротивления из платины и тензоэлектрическим преобразователем давления. Конструктивно датчик представляет собой моноблок, состоящий из корпуса проточной части и электронного блока. В корпусе проточной части датчика размещены первичные преобразователи объемного расхода, избыточного давления и температуры (рис.1). Электронный блок представляет собой плату цифровой обработки сигналов первичных преобразователей, заключенную в корпус. Измерение расхода рабочей среды реализовано на вихревом принципе действия. На входе в проточную часть датчика установлено тело обтекания 1. За телом обтекания, по направлению потока рабочей среды, симметрично расположены два пьезоэлектрических преобразователя пульсаций давления 2. При протекании потока рабочей среды через проточную часть датчика за телом обтекания образуется вихревая дорожка, частота следования вихрей в которой с высокой точностью пропорциональна скорости потока, а, следовательно, и расходу. В свою очередь, вихреобразование приводит к появлению за телом обтекания пульсаций давления среды. Частота пульсаций давления идентична частоте вихреобразования и, в данном случае, служит мерой расхода. Пульсации давления воспринимаются пьезоэлектрическими преобразователями, сигналы с которых в форме электрических колебаний поступают на плату цифровой обработки, где происходит вычисление объемного расхода и объема рабочей среды при РУ и формирование выходных сигналов по данным параметрам в виде цифрового кода. Преобразователь избыточного давления 3 тензорезистивного принципа действия размещен перед телом обтекания вблизи места его крепления. Он осуществляет преобразование значения давления потока в трубопроводе в электрический сигнал, который с выхода мостовой схемы преобразователя поступает на плату цифровой обработки. Термопреобразователь сопротивления платиновый 4 размещен внутри тела обтекания. Для обеспечения непосредственного контакта ТСП со средой в теле обтекания выполнены отверстия 5. Электрический сигнал термопреобразователя также подвергается цифровой обработке. Плата цифровой обработки 6, содержащая два микропроцессора, производит обработку сигналов преобразователей пульсаций давления, давления и температуры, в ходе которой обеспечивается фильтрация паразитных составляющих, обусловленных влиянием вибрации, флуктуаций давления и температуры потока, и происходит формирование выходных сигналов многопараметрического датчика по расходу, объему при РУ, давлению и температуре в виде цифрового кода. Выходные сигналы передаются на вычислитель 7. Проточная часть датчика и тело обтекания выполнены из стали 12Х18Н10Т. Принцип работы Датчик и микроэвм Серия вихреакустических преобразователей расхода предназначена для измерения объемного расхода и объема водопроводной, теплофикационной, технической воды, водных растворов, пластовых вод с вязкостью не более 2 сСт. Сферы применения: - системы коммерческого учета тепловой энергии, ГВС, ХВС на объектах коммунального хозяйства и промышленности; - системы технологического контроля, АСУТП, АСКУЭ в различных отраслях промышленности. Суть вихреакустического принципа измерения расхода состоит в измерении скорости потока путем определения частоты образования вихрей за телом обтекания, установленным в проточной части преобразователя расхода. Определение частоты вихреобразования производится при помощи ультразвука, имеющего частоту 1МГц ("ультразвуковое детектирование вихрей"). Принцип действия вихреакустического расходомера Преобразователь представляет собой моноблочную конструкцию, состоящую из проточной части и электронного блока. В корпусе проточной части расположены: тело обтекания - призма трапецеидального сечения (1), пьезоизлучатели ПИ (2), пьезоприемники ПП (3) и термодатчик (7). Электронный блок включает в себя генератор (4), фазовый детектор (5), микропроцессорный адаптивный фильтр с блоком формирования выходных сигналов (6), смонтированные на печатной плате. Тело обтекания (ТО) установлено на входе жидкости в проточную часть. При обтекании ТО потоком жидкости за ним образуется вихревая дорожка, частота следования вихрей в которой с высокой точностью пропорциональна скорости потока, а, следовательно, и расходу. За ТО в корпусе проточной части диаметрально противоположно друг другу установлены стаканчики, в которых собраны ультразвуковой пьезоизлучатель (ПИ) и пьезоприемник (ПП). В зависимости от типа преобразователи имеют 2 конструктивных исполнения: - однолучевые преобразователи - одна пара ПИ-ПП (Dу 251200 мм); - двухлучевые преобразователи - две пары ПИ-ПП (Dу 250, 300 мм). Рисунок 7 – Типы вихреакустических преобразователей расхода От генератора на ПИ подается переменное напряжение, которое преобразуется в ультразвуковые колебания. При прохождении через поток, в результате взаимодействия с вихрями, ультразвуковые колебания модулируются по фазе. На ПП модулированные ультразвуковые колебания вновь преобразуются в напряжение, которое подается на фазовый детектор. На фазовом детекторе определяется разность фаз между: - сигналами с ПП и опорного генератора – для однолучевых преобразователей; - сигналами с ПП первой и второй пары пьезоэлементов - для двухлучевых преобразователей. Напряжение на выходе фазового детектора по частоте и амплитуде соответствует частоте и интенсивности следования вихрей, которая, в силу пропорциональности скорости потока, является мерой расхода. Для фильтрации случайных составляющих сигнал с фазового детектора подается на микропроцессорный адаптивный фильтр и, затем, в блок формирования выходных сигналов. Для повышения достоверности показаний при обработке сигнала вычисляется дисперсия периода колебаний вихрей. Для расширения динамического диапазона в область малых расходов, где характеристика преобразователя нелинейна и зависит от температуры теплоносителя, применяется температурная коррекция. Для этого в корпусе проточной части установлен термодатчик, сигнал от которого вводится в программу вычисления расхода. Проточная часть преобразователя изготовлена из нержавеющей стали и обработана по высокому классу чистоты поверхности, что минимизирует образование отложений и тем самым стабилизирует метрологические характеристики. Для проведения периодической поверки по беспроливной (имитационной) методике ТО выполнено съемным. Преобразователь расхода вихреакустический Метран-300ПР ОСТАЛЬНЫЕ ВИДЫ РАСХОДОМЕРОВ 1. Расходомеры обтекания – приборы, чувствительный элемент которых воспринимает динамическое давление потока и перемещается под его воздействием, причем величина перемещения зависит от расхода. У большинства расходомеров обтекаемое тело (поплавок, диск, поршень) перемещается прямолинейно, обычно вдоль своей вертикальной оси. Но имеется группа приборов, у которых обтекаемое тело (лопасть, диск) поворачивается вокруг оси подвеса. Расходомеры обтекания состоят из следующих трех групп. 1) Расходомеры постоянного перепада давления, у которых обтекаемое тело перемещается вертикально, а противодействующая сила создается весом тела. 2) Расходомеры с изменяющимся перепадом давления, в которых в большинстве случаев имеется противодействующая пружина и помимо вертикальной может быть и другая траектория перемещения обтекаемого тела. 3) Расходомеры с поворотной лопастью. Противодействующая сила в них создается не только весом тела, но во многих случаях еще и пружиной. Кроме того, имеются компенсационные расходомеры с поворотной лопастью, в которых противодействующая сила создается посторонним источником энергии. 2. Тахометрические расходомеры – имеют подвижной, обычно вращающийся элемент, скорость движения которого пропорциональна объемному расходу. Они подразделяются на турбинные, шариковые, роторно-шаровые и камерные. Для скорость в сигнал, создания движения элемента пропорциональный тахометрического надо расходу предварительно и удобный расходомера преобразовать для измерения. В этом случае необходим двухступенчатый преобразователь расхода. Его первая ступень — турбинка, шарик или другой элемент, скорость движения которого пропорциональна объемному расходу, а вторая ступень — тахометрический преобразователь, вырабатывающий измерительный сигнал, обычно частоту электрических импульсов, пропорциональную скорости движения тела. Так, если погрешность турбинных счетчиков воды (ось которых через редуктор связана со счетным механизмом) равна ±2 %, то у измерителей количества, имеющих тахометрический преобразователь, эта погрешность снижается до ±0,5 %. Причина в том, что этот преобразователь почти не нагружает ось турбинки в отличие от редуктора и счетного механизма. Погрешность же турбинного расходомера от 0,5 до 1,5 % в зависимости от точности примененного частотомера. Крыльчатые счетчики от 4 и количества до 750 мм, турбинные могут для тахометрические изготовляться давлений до для 250 расходомеры труб МПа и и диаметром температур от -240 до +700 °С. У нас турбинные приборы применяют преимущественно для измерения расхода и количества воды, различных нефтепродуктов и других жидкостей. На ряде российских заводов начато их производство и для измерения расхода газа. Основной недостаток турбинных расходомеров — изнашивание опор, и поэтому они непригодны для веществ, содержащих механические примеси. Кроме того, с увеличением вязкости вещества диапазон линейной характеристики уменьшается, что исключает их применение для очень вязких веществ. Но смазывающая способность измеряемого вещества желательна для турбинных расходомеров. Это делает их более пригодными для жидкостей, чем для газов. Иногда для измерения расхода в трубах большого диаметре применяют маленькие крыльчатки и турбинки, занимающие небольшую часть площади сечения трубы. С помощью жесткой штанги они вводятся в центр или в другую точку сечения потока. Погрешность измерения расхода ориентировочно ±5 %. Шариковые расходомеры появились позднее турбинных. Они служат для измерения расхода жидкостей, главным образом воды, в трубах диаметром до 150-200 мм. Их важное достоинство — возможность работы на загрязненных средах. Роторно-шаровые расходомеры появились сравнительно недавно и пока не получили широкого применения. Камерные приборы как счетчики жидкости и газа наряду с турбинными применяют очень давно. Ранее их называли объемными приборами. Они отличаются большим разнообразием подвижных элементов, дающих наименование разновидностям этих приборов: роторные, поршневые, дисковые, с овальными шестернями, лопастные, винтовые и т. д. По сравнению с турбинными и шариковыми счетчиками количества они могут обеспечить большую точность и больший диапазон измерения. Так, несмотря на связь вала подвижного элемента с редуктором и счетным механизмом, погрешность у некоторых из них составляет всего ±(0,2+ +0,5) %. Кроме того, камерные счетчики пригодны для измерения количества жидкости любой вязкости, в том числе и очень большой. Но они чувствительны к загрязнениям и механическим примесям. При необходимости иметь результаты измерения турбинными, шариковыми и камерными приборами в единицах массы их дополняют устройствами, корректирующими показания в зависимости от плотности измеряемого вещества или только от температуры — для жидкостей. Камерными называются тахометрические расходомеры, подвижные элементы которых приходят в движение (непрерывное или периодическое) под давление измеряемой жидкости или газа и при этом отмеряют определенные объемы или массы измеряемого вещества. 3. Тепловые расходомеры – основаны на измерении зависящего от расхода эффекта теплового воздействия на поток или тело, контактирующее с потоком. Они служат для измерения расхода газа и реже для измерения расхода жидкости. Существует много разновидностей тепловых расходомеров, различающихся способом нагрева, расположением нагревателя (снаружи или внутри трубопровода) и характером функциональной зависимости между расходом и измеряемым сигналом. По характеру теплового взаимодействия с потоком тепловые расходомеры подразделяются на калориметрические, термоконвективные и термоанемометрические. При электрическом омическом нагреве у калориметрических нагреватель расположен внутри, а у термоконвективных – снаружи трубы. 4. Оптические расходомеры – основаны на зависимости от расхода вещества того или другого оптического эффекта в потоке. Имеется несколько разновидностей этих приборов. 1) Допплеровские расходомеры, основанные на измерении разности частот, возникающей при отражении светового луча движущимися частицами потока; 2) Расходомеры, основанные на эффекте Физо-Френеля, в которых измеряется какой-либо параметр (сдвиг интерференционных полос или сдвиг частоты световых колебаний), связанный с зависимостью скорости света в движущемся прозрачном веществе от скорости последнего; 3) Расходомеры, основанные на особых оптических эффектах, например, зависимости оптических свойств фибрового световода от скорости обтекающего его потока; 4) Расходомеры, основанные на измерении времени перемещения на определенном участке пути оптической метки, введенной в поток; 5) Корреляционные оптические расходомеры 5. Ионизационные расходомеры – приборы, основанные на измерении того или другого зависящего от расхода эффекта, возникающего в результате непрерывной или периодической ионизации потока газа, или жидкости. Ионизационные расходомеры разделяются на две существенно отличные друг от друга группы: 1) Расходомеры, в которых измеряется зависящий от расхода ионизационный ток между электродами, возникающий в результате обычно непрерывной искусственной ионизации потока газа (или жидкости) радиоактивным излучением или электрическим полем; 2) Расходомеры, в которых измеряется зависящее от расхода время перемещения на определенном участке пути ионизационных меток, возникающих в результате периодической ионизации потока газа ионизирующим излучением или электрическим разрядом; эти расходомеры называются меточными ионизационными. 6. Парциальные расходомеры – основаны на измерении лишь небольшой доли расхода, обычно ответвляемой от основного потока измеряемого вещества. 7. Концентрационные расходомеры – основаны на зависимости от расхода кратности разбавления вещества индикатора, вводимого в поток. Их называют иногда расходомерами, основанными на методе прививки, на солевом методе, на методе смешения и т. д. 8. Меточные расходомеры – основаны на измерении времени перемещения какой-либо характерной части потока на контрольном участке пути. Метку в потоке создают, как правило, искусственным путем. Метки могут быть самые разнообразные; ионизационные, радиоактивные, физикохимические, тепловые, оптические, ядерно-магнитные и др. Радиоактивные, физико-химические и некоторые оптические метки создают путем ввода в поток постороннего вещества-индикатора. В большинстве остальных случаев метка образуется в самом потоке без ввода постороннего вещества. Меточные расходомеры — приборы не непрерывного, а дискретного действия, но при высокой частоте образования меток можно практически говорить о непрерывном измерении расхода. Значительно чаще меточные расходомеры применяют не в качестве эксплуатационных приборов для непрерывного измерения, а для различных лабораторных и исследовательских работ, и в частности при градуировке и поверке других расходомеров. Погрешность измерения расхода у меточных расходомеров колеблется от ±(0,1+0,2) до (2-3) % в зависимости от рода метки, измерительной аппаратуры, способа детектирования и соответствия скорости перемещения метки средней скорости потока. Наибольшая точность достигается при отсутствии необходимости в отборе проб в контрольных сечениях. Длина контрольного участка, в зависимости от рода метки, может быть от нескольких миллиметров до нескольких километров. ИЗМЕРЕНИЕ УРОВНЯ Уровнемер — прибор, предназначенный для определения уровня содержимого в открытых и закрытых сосудах, резервуарах, хранилищах и других ёмкостях. Под содержимым подразумеваются разнообразные виды жидкостей, в том числе и газообразующие, а также сыпучие и другие материалы. Задача уровнеметрии распространенной, очень - измерения важной для уровня - является управления широко различными технологическими процессами в самых разных отраслях промышленности. К применяемым для измерения уровня приборам предъявляются, в основном, два требования: в одном случае требуется производить непрерывное измерение уровня, в другом - только сигнализировать о том, что достигнуто определённое значение уровня. Приборы для непрерывного слежения за уровнем принято называть уровнемерами, приборы для сигнализации о предельных значениях уровня сигнализаторами уровня. Все приборы для измерения уровня (уровнемеры и сигнализаторы) можно классифицировать по принципу действия, в основу которого берутся различные физические методы: Визуальные приборы измерения уровня (указатели уровня) действие которых основано на принципе сообщающихся сосудов. Поплавковые приборы измерения уровня - в которых для измерения уровня используется поплавок или другое тело, находящееся на поверхности контролируемой среды. Буйковые приборы измерения уровня - в которых для измерения уровня используется массивное тело (буёк), частично погружаемое в контролируемую среду. Гидростатические приборы измерения уровня - действие которых основано на измерении гидростатического давления столба жидкости. Электрические приборы измерения уровня Ультразвуковые приборы измерения уровня - действие которых основано на принципе отражения звуковых волн от поверхности контролируемой среды. Радиоизотопные приборы измерения уровня - основанные на использовании интенсивности потока ядерных излучений, зависящих от уровня контролируемой среды. Использование всего многообразия методов измерения позволяет контролировать уровень самых разных сред: жидких (чистых, загрязнённых), пульп, вязких, твёрдых сыпучих различной дисперсности. Визуальный приборы измерения уровня (указатели уровня). Данный тип приборов является простейшим. К нему относятся так называемые указательные стекла. В основе работы указательных стекол лежит принцип сообщающихся сосудов. Трубка указательного стекла соединяется с контролируемой емкостью либо одним нижним концом (с открытыми сосудами), либо обоими концами (с сосудами под разрежением или давлением). Об изменении уровня в сосуде можно судить по положению уровня жидкости в стеклянной трубке. Указательные стёкла могут быть оснащены кранами или вентилями для их отключения от сосуда и для продувки системы. В арматуре указательных стекол, работающих под давлением, как правило, имеются предохранительные устройства, перекрывающие каналы при аварийном разрушении стекла. автоматически 1 – технологический аппарат, 2 – запорный вентили, 3 – указательное стекло Аппарат и трубка представляют собой сообщающиеся сосуды, поэтому уровень H жидкости в трубке всегда равен ее уровню в аппарате и отсчитывается по шкале. Поплавковые уровнемеры Чувствительный элемент - поплавок, находящийся на поверхности жидкости. Поплавок 1 уравновешивается грузом 3, который связан с поплавком гибким тросом 2. Уровень жидкости определяется положением груза относительно шкалы 4. Пределы измерений устанавливают в соответствии с принятыми значениями верхних (ВУ) и нижних (НУ) уровней. Буйковые уровнемеры Принцип действия буйковых уровнемеров основан на широко известном физическом явлении, описанном в законе Архимеда: на тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, которая пропорциональна весу вытесненной телом жидкости. Цилиндрический буёк, который изготовлен из материала, плотность которого больше плотности жидкости, является чувствительным элементом буйковых уровнемеров. Примером материала буйка может служить нержавеющая сталь. Буек располагается в вертикальном положении и должен быть частично погружен в жидкость. Длина буйка подбирается таким образом, чтобы она была приближена к максимальному измеряемому уровню. По закону Архимеда вес буйка в жидкости должен изменяется пропорционально изменению уровня этой жидкости. Действует уровнемер следующим образом. Когда уровень жидкости в емкости меньше или равен начальному уровню h0 (зона нечувствительности уровнемера), измерительная штанга (2), на которую подвешен буек (1), находится в равновесии. Так как момент М1, создаваемый весом буйка G1, уравновешивается моментом М2, создаваемым противовесом (4). Если уровень контролируемой среды становится выше h0 (например, h), то часть буйка длиной (h - h0) погружается в жидкость, поэтому вес буйка уменьшается на некоторую величину, определяемую как F =ρgS(h − h0). Следовательно, уменьшается и момент М1, создаваемый буйком на штанге (2). Так как момент М2 становится больше момента М1, штанга поворачивается вокруг точки (О)по часовой стрелке и перемещает рычаг (3) измерительного преобразователя (5). Электрический или пневматический измерительный преобразователь формирует выходной сигнал. Движение измерительной системы происходит до тех пор, пока сумма моментов всех сил, действующих на рычаг (2), не станет равной нулю. Уплотнительная мембрана (6) служит для герметизации технологической емкости при установке в ней чувствительного элемента. Как вариант, буек может быть установлен в специальной выносной камере вне технологической емкости. Диапазон измерения буйковых уровнемеров находится в пределах от 0,025 м до 16 м. Стандартный ряд значений верхнего предела измерения: 250; 400; 600; 1000; 1600; 2500; 4000; 6000; 8000; 10000 мм. Гидростатические уровнемеры Основным принципом действия данных уровнемеров является измерение гидростатического давления, оказываемого жидкостью. Величина гидростатического давления Рг зависит от высоты столба жидкости h над измерительным прибором и от плотности этой жидкости ρ. Измерение гидростатического давления может осуществляться различными способами, например: - манометром или датчиком давления, которые подключаются к резервуару на высоте, равной нижнему предельному значению уровня; - дифференциальным манометром, который подключается к резервуару на высоте, равной нижнему предельному значению уровня, и к газовому пространству над жидкостью; - измерением давления воздуха, прокачиваемого по трубке, опущенной в жидкость на фиксированное расстояние, и другими. Измерение уровня в резервуаре при помощи датчика избыточного давления. Для этих целей может применяться датчик любого типа с соответствующими пределами измерений. При измерении уровня гидростатическим способом погрешности измерения определяются классом точности измерительного прибора, изменениями плотности жидкости и колебаниями атмосферного давления. Если резервуар находится под избыточным давлением, то к гидростатическому давлению жидкости добавляется избыточное давление над ее поверхностью, которое данной измерительной схемой не учитывается. Поэтому такая схема измерения для таких случаев не подходит. В связи с этим, более универсальными являются схемы измерения уровня с использованием дифференциальных датчиков давления (дифманометров). С помощью дифференциальных датчиков давления можно также измерять уровень жидкости в открытых резервуарах, контролировать границу раздела жидкостей. Схема измерения уровня жидкости находящемся под атмосферным давлением: в открытом резервуаре, Измерение уровня в открытом резервуаре при помощи датчика дифференциального давления Плюсовая камера дифманометра ДД через импульсную трубку соединена с резервуаром в его нижней точке, минусовая камера сообщается с атмосферой. В такой схеме устраняется погрешность, связанная с колебаниями атмосферного давления, т.к. результирующий перепад давления на дифманометре равен: ΔР = (Рг + Ратм) – Ратм = Рг. Такая измерительная схема может использоваться тогда, когда дифманометр расположен на одном уровне с нижней плоскостью резервуара. Если это условие соблюсти невозможно и дифманометр располагается ниже на высоту h1, то используют уравнительные сосуды (УС). Схемы измерения уровня с уравнительными сосудами для резервуаров под атмосферным давлением представлены ниже: . Измерение уровня в открытом резервуаре при помощи датчика дифференциального давления с ис¬пользованием уравнительного сосуда: а – с нижним расположением уравнительного сосуда; б – с верхним расположением уравнительного сосуда Уравнительный сосуд используется для компенсации статического давления, создаваемого столбом жидкости h1 в импульсной трубке. Для измерения уровня в резервуарах, находящихся под избыточным давлением Ризб, применяют измерительную схему, изображенную на рис. 4. Измерение уровня в закрытом резервуаре при помощи датчика дифференциального давления с использованием уравнительного сосуда Избыточное давление Ризб поступает в обе импульсные трубки дифманометра, поэтому измеряемый перепад давления ΔР можно представить в виде: ΔР= ρgHmax – ρgh, где: ρ-плотность жидкости, g = 9,81 м/с2 – ускорение свободного падения. При h = 0, ΔР = ΔРmax, а при h = Hmax , ΔР = 0. То есть из уравнения следует, что шкала измерительного прибора уровнемера будет обращенной. Более современным аналогом дифманометров являются датчики гидростатического давления. Как и у дифманометров, у них имеются две измерительные камеры. Одна из камер выполнена в виде открытой мембраны, а вторая - в виде штуцера. Такие датчики всегда можно установить непосредственно у дна резервуара, поэтому отсутствует необходимость в импульсных трубках, а значит, и в необходимости компенсации высоты импульсной трубки. Наиболее распространенные измерительные схемы с использованием гидростатического датчика давления представлены на рис.5. Рис. 5. Измерение уровня в резервуарах при помощи датчика гидростатического давления: а – для открытых резервуаров; б – для закрытых резервуаров без уравнительного сосуда; в – для закрытых резервуаров с уравнительным сосудом Схема в) используется для процессов, в которых неизбежно образование обильного конденсате и его накопление в трубе, соединяющей датчик с объемом над жидкостью. Электрические уровнемеры К электрическим уровнемерам относятся те приборы измерения уровня, в которых уровень контролируемой среды преобразуется в какойлибо электрический емкостные сигнал. уровнемеры Наибольшее и распространение кондуктометрические получили (омические) уровнемеры. Принцип действия емкостных уровнемеров основан на различии диэлектрической проницаемости контролируемой среды (водных растворов солей, кислот, щелочей) и диэлектрической проницаемости воздуха либо водяных паров. Измерительная схема емкостного уровнемера приведена на рис. 1. Рис. 1. Ёмкостной уровнемер: 1, 2 - электроды; 3 - электронный блок В сосуд с контролируемой жидкостью опущен преобразователь, который представляет собой электрический конденсатор. Емкость такого конденсатора зависит от уровня электропроводящей жидкости. Преобразователи бывают пластинчатыми, цилиндрическими или в виде стержня. Цилиндрические преобразователи выполняются из нескольких труб, расположенных концентрическим образом, пространство между которыми на высоту h заполняет контролируемая жидкость. Емкость преобразователя равна сумме емкостей двух его участков - погруженного в жидкость с одной диэлектрической проницаемостью (εж) и находящегося в воздухе с другой диэлектрической проницаемостью (εср, для воздуха εср = 1). При измерении уровня агрессивных, но неэлектропроводных жидкостей обкладки преобразователя выполняют из химически стойких сплавов или покрывают тонкой антикоррозионной пленкой, диэлектрические свойства которой учитывают при расчете. Покрытие обкладок тонкими пленками применяют также при измерении уровня электропроводных жидкостей. Кондуктометрические (омические) уровнемеры используют главным образом для сигнализации и поддержания в заданных пределах уровня электропроводных жидкостей. Принцип их действия основан на замыкании электрической цепи источника питания через контролируемую среду, представляющую собой участок электрической цепи с определенным омическим сопротивлением. Прибор представляет собой электромагнитное реле, включаемое в цепь между электродом и контролируемым материалом. Схемы включения релейного сигнализатора уровня могут быть различны в зависимости от типа объекта и числа контролируемых уровней. На рис. 2, а показана схема включения прибора в токопроводящий объект. В этом случае для контроля одного уровня h можно использовать один электрод, одно реле и один провод. При контроле двух уровней h1 и h2 (рис. 2, б) их требуется уже по два. Рис. 2. Омические сигнализаторы уровня: а – одного уровня; б – двух уровней; 1 – электрод; 2 – электромагнитное реле; 3 – источник питания В качестве электродов применяют металлические стержни или трубы и угольныеэлектроды (агрессивные жидкости). Основной недостаток всех электродных приборов – невозможность их применения в средах вязких, кристаллизующихся, образующих твердые осадки и налипающих наэлектроды преобразователей. Радиоизотопные уровнемеры Такие уровнемеры применяют для измерения уровня жидкостей и сыпучих материалов в закрытых емкостях. Их действие основано на поглощении γ-лучей при прохождении через слой вещества. В радиоизотопном уровнемере источник и приемник излучения подвешены на стальных лентах, на которых они могут перемещаться в трубах по всей высоте бака. Ленты намотаны на барабан, приводимый в движение реверсивным электродвигателем. Если измерительная система (источник и приемник γ-лучей) расположена выше уровня измеряемой среды, поглощение излучения слабое и от приемника по кабелю на блок управления будет приходить сильный сигнал. По этому сигналу электродвигатель получит команду на спуск измерительной системы. При снижении ее ниже уровня среды поглощение γлучей резко увеличится, сигнал па выходе приемника уменьшится, и электродвигатель начнет поднимать измерительную систему. Таким образом, положение измерительной системы будет отслеживать уровень в емкости (точнее, она будет находиться в непрерывном колебании около измеряемого уровня). Это положение в виде угла поворота ролика преобразуется измерительным устройством в унифицированный сигнал — напряжение постоянного тока U. Измерение уровня сыпучих материалов Уровнемеры для сыпучих тел имеют свои особенности. Характерным отличием сыпучих материалов от жидкостей является непропорциональность передачи давления на дно и стенки емкости в зависимости от уровня в ней контролируемого вещества. Простейшие уровнемеры для сыпучих материалов выполняются соприкасающимися с с поверхностью чувствительными вещества. элементами, Изменение уровня дистанционно передается на вторичный измерительный прибор. Наиболее распространены лотовые уровнемеры (Рисунок 1). В них зонд (лот) 5 и груз 7 подвешены на блоке храпового колеса 4. Зонд периодически приподнимается с помощью управляемого пневматическим генератором импульсов пневматического мембранного привода 2 (воздействующего на колесо через собачку 3) и опускается на поверхность сыпучего материала 6 под действием силы тяжести. Если уровень не изменяется, зонд поднимается и опускается на одно и то же расстояние. При понижении уровня материала зонд опускается на большее расстояние, чем поднимается, и наоборот. Уровнемеры должен работать так, чтобы при изменении уровня в заданных пределах давление сжатого воздуха на выходе прибора изменялось от 20 до 100 кПа. С выхода пневмопреобразователя 8 воздух подается на вторичный прибор. Лотовые уровнемеры позволяют измерять уровень до 20 м. В меньшей степени для определения уровня сыпучих материалов применяют также поплавковые, электрические (емкостные) и радиоизотопные уровнемеры массовые, Рисунок 1 - Лотовый уровнемер: 1-пневматический генератор импульсов; 2мембранный привод; 3-собачка; 4-храповое колесо; 5-зонд (лот); 6-сыпучий материал; 7-груз; 8-пневмопреобразователь; 9-манометр
