146411 (Счетчик воды вихревой ультразвуковой)

I.Введение

Назначение приборов для расхода и количе­ства жидкости, газа и пара.

Значение счетчиков и, особенно рас­ходомеров жидкости, газа и пара очень велико. Раньше основное применение имели счетчики воды и газа преимущественно в ком­мунальном хозяйстве городов. Но с развитием промышленности все большее значение приобрели расходомеры жидкости, газа и пара.

Расходомеры необходимы прежде всего для управления производством. Без них нельзя обеспечить оптимальный режим техно­логических процессов в энергетике, металлургии, в химической, нефтяной, целлюлозно-бумажной и многих других отраслях про­мышленности. Эти приборы требуются также для автоматизации производства и достижения при этом максимальной его эффектив­ности.

Счетчики жидкости и газа необходимы для учета массы или
объема нефти, газа и других веществ, транспортируемых по тру­бам и потребляемых различными объектами. Без этих измерений
очень трудно контролировать утечки и исключать потери ценных
продуктов. Снижение погрешности измерений хотя бы на 1 %
может обеспечить многомиллионный экономический эффект.

Исходная терминология и единицы измерения.

Расход — это количество вещества, протекающее через данное сечение в единицу времени.

Прибор, измеряющий расход вещества, называется расходоме­ром, а массу или объем вещества — счетчиком количества или про­сто счетчиком (ГОСТ 15528—86). Прибор, который одновременно измеряет расход и количество вещества, называется расходомером со счетчиком. Устройство, непосредственно воспринимающее измеряемый рас­ход (например, диафрагма, сопло, напорная трубка) и преобра­зующее его в другую величину (например, в перепад давления), которая удобна для измерения, называется преобразователем расхода.

Количество вещества измеряется или в единицах массы (кило­граммах, тоннах, граммах), или в единицах объема (кубических метрах и кубических сантиметрах). Соответственно расход изме­ряют в единицах массы, деленных на единицу времени (килограм­мах в секунду, килограммах в час и т. д.) или в единицах объема, также деленных на единицу времени (кубических метрах в се­кунду, кубических метрах в час и т. д.).

С помощью единиц объема можно правильно определять коли­чество вещества (особенно газа), если известны его давление и тем­пература. В связи с этим результаты измерения объемного расхода газа обычно приводят к стандартным (или как их принято называть нормальным) условиям, т. е. к температуре 293 К и давлению 101 325 Па.

Современные требования к приборам для измерения расхода и количества.

В настоящее время к расходомерам и счетчикам предъявляется много требований, удовлетворить которые сов­местно достаточно сложно и не всегда возможно.

Имеются две группы требований. К первой группе относятся индивидуальные требования, предъявляемые к приборам для из­мерения расхода и количества: высокая точность, надежность, независимость результатов измерения от изменения плотности вещества, быстродействие и значительный диапазон измерения. Ко второй группе относятся требования, которые характеризуют всю группу расходомеров и счетчиков: необходимость измерения расхода и количества очень разнообразной номенклатуры вещества о отличающимися свойствами, различных значений расхода от очень малых до чрезвычайно больших и при различных давлениях и температурах.

Классификация счетчиков и расходомеров.

Существующие расходомеры и счетчики количества можно условно разделить на приведенные ниже группы.

А. Приборы, основанные на гидродинамических методах:

1) переменного перепада давления,

2) переменного уровня,

3) обтекания,

4) вихревые,

5) парциальные.

Б. Приборы с непрерывно движущимся телом:

6) тахометрические,

7) силовые (и в том числе вибрационные),

8) с автоколеблющимся телом.

В. Приборы, основанные на различных физических явлениях:

Г. Приборы, основанные на особых методах:

15) меточные,

16) корреляционные,

17) концентрационные.

Из числа приборов первой группы следует отметить широко распространенные расходомеры переменного перепада давления с сужающими устройствами и сравнительно новые, но весьма пер­спективные вихревые расходомеры.

Во вторую группу входят многочисленные турбинные, шари­ковые и камерные (роторные, с овальными шестернями и другие) счетчики количества и частично расходомеры. Приборы силовые и с автоколеблющимся телом пока еще имеют ограниченное при­менение.

Из приборов третьей группы наибольшее распространение получили электромагнитные. Реже встречаются тепловые и аку­стические приборы.

Расходомеры оптические, ядерно-магнитные и ионизационные применяются сравнительно редко.

Меточные и концентрационные расходомеры, относящиеся к четвертой группе, служат для разовых измерений, например при проверке промышленных расходомеров на месте их установки. Корреляционные приборы перспективны для измерения расхода двухфазных веществ.

В промышленности применяются главным образом, расходо­меры с сужающими устройствами. Для их градуировки и поверки не требуются образцовые расходомерные установки, которые не­обходимы почти для всех остальных

Вихревые расходомеры.

Общая характеристика.

Вихревыми называются расходомеры, основанные на зависимости от расхода частоты колебаний давления, возникающих в потоке

в процессе вихреобразования или колебания струи. Они разделяются на три основные группы:

1. Расходомеры, имеющие в первичном преобразователе неподвижное тело, при обтекании которого с обеих его сторон возникают срывающиеся вихри, создающие пульсации давления.

2. Расходомеры, в первичном преобразователе которых поток закручивается и, попадая затем в расширенную часть тубы, прецессирует, создавая при этом пульсации давления.

3. Расходомеры, в первичном преобразователе которых струя, вытекающая из отверстия, совершает автоколебания, создавая при этом пульсации давления.

Преобразователи расхода у этих расходомеров многоступенчатые. В первой ступени в процессе вихреобразования или осцилляции струи создаются пульсации давления или 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.

Увихревых расходомеров много достоинств: отсутстве 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 получения универсальной градуировки. К недостаткам вихревых расходомеров относятся значительная потеря 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 туб затруднено, а при очень малых диаметрах нет устойчивого вихреобразования. Многие конструкции вихревых расходомеров непригодны и для измерения загрязненных и агрессивных веществ, могущих нарушить работу преобразователей выходного сигнала. Но на процесс вихреобразования загрязнение, коррозия и эрозия тела обтекания или закручивающего аппарата практически сказываются очень мало. Поэтому при выборе преобразователя выходного сигнала (например, ультразвукового) вихревые расходомеры могут служить и для измерения загрязненных, агрессивных и абразивных веществ.

Вихревые расходомеры с обтекаемым телом.

Тело, находящееся на пути потока, изменяет направление движения 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 давления 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. При этом за обтекаемым телом образуется вихревая дорожка Кармана шириной а, имеющая постоянное отношение b/а, которое для обтекаемого цилиндра равно 0,281.

Частота срыва вихрей согласно критерию Струхаля f = v Sh/d, т. е. пропорциональна отношению v/d, a следовательно, при постоянном характерном размере d тела пропорциональна скорости о, а значит, и объемному расходу Q₀ Зависимость между Q₀ и f дается уравнением

Qo = (sd/Sh} f,

где s — площадь наименьшего поперечного сечения потока вокруг обтекаемого тела.

Чтобы обеспечить пропорциональность между Qo и f, число Струхаля Sh должно оставаться неизменным в возможно большей области значений числа Re. Для обтекаемого цилиндра число Sh остается постоянным в области lO³—lO⁴ < Ro <2-10⁵. Поэтому расходомер с цилиндрическим обтекаемым телом может иметь диапазон измерения Q_max/Q_min = 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.

Технические данные расходомера-счетчика СВУ.

Измеряемая среда для счетчика – вода пресная (речная, озерная), подтоварная (поступающая с установок подготовки нефти), пластовая (минерализованная), их смеси, другие невзрывоопасные жидкости, неагрессивные по отношению к сталям марок 12Х18Н10Т, 30Х13.

Параметры измеряемой среды:

1. Концентрация нефтепродуктов не менее 1 г/л,

2. Концентрация солей не более 20 г/л,

3. Концентрация твердых частиц не более 1 г/л,

4. Максимальный размер твердых частиц не более 3 г/л,

5. Рабочее давление от 0,6 до20 МПа,

6. Рабочая температура от 4 до 80⁰С,

7. Диаметр присоединяемого трубопровода:

• ДРС-25, ДРС-50, ДРС-200 100 мм,

• ДРС-25А 50 мм.

Основные параметры датчика ДРС.

Основная относительная погрешность датчиков ДРС не превышает нижеприведенных значений

| A|%