Вариант 14 - Счетчики расхода жидкости и газа

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНЖЕНЕРНОЙ ЭКОЛОГИИ

Кафедра «Мониторинг и автоматические системы контроля»

Курсовая работа по экологическому мониторингу

на тему:

«Счетчики расхода жидкости и газа»

вариант-14

Выполнил: ?????

Группа: ?????

Преподаватели: Куприн Е.Г.

Москва, 2004

Счетчики для измерения количества жидкости по принципу действия делятся на объемные, весовые и скоростные. Преимущественно применяют объемные и скоростные счетчики. Для измерения количества газа используют объемный метод.

ОБЪЕМНЫЕ СЧЕТЧИКИ ДЛЯ ЖИДКОСТЕЙ

Принцип действия объемных счетчиков основан на измерении объема жидкости, вытесняемой из измерительной камеры под действием разности давлений, и суммировании результатов этих измерений. Объемные счетчики в основном предназначены для измерения количества чистых жидкостей без механических при­месей (бензина, масел, конденсата и т. п.). Основное преимущество объемных счетчиков — малая погрешность и сравнительно ши­рокий диапазон измерений.

В основном применяют счетчики с овальными зубчатыми ко­лесами (рис. 1). Проходя через счетчик, поток жидкости теряет часть своей энергии на вращение овальных колес. В зависимости от расположения колес относительно входа потока жидкости каж­дое из них является поочередно то ведущим, то ведомым. При вращении овальных колес периодически отсекается определенный объем жидкости, ограниченный овалом колеса и стенкой измери­тельной камеры. За один оборот колес отсекается четыре опре­деленных объема жидкости, которые в сумме равны свободному объему измерительной камеры счетчика.

Количество жидкости, прошедшей через счетчик, определяют по числу оборотов овальных колес. В положении I жидкость вра­щает правое колесо по часовой стрелке, а правое колесо вращает левое против часовой стрелки. В этом положении правое колесо отсекает определенный объем жидкости 1. В положении II левое колесо заканчивает отсекание нового объема жидкости 2, а пра­вое выталкивает ранее отсеченный его объем жидкости 1 в выход­ной патрубок счетчика. В этом положении крутящий момент пере­дается на оба колеса. В положении III ведущим является левое колесо, которое к этому времени уже отсекло объем 2. Оно вращает правое колесо по часовой стрелке. Дальнейшее вращение колес происходит аналогично (положения IV и V).

Для измерения объемов очень вязких жидкостей (мазут и др.) в счетчиках предусматривают паровую рубашку. Счетчики с оваль­ными колесами выпускаются отечественной промышленностью для различных диаметров трубопроводов при рабочем давлении до 1,57 МПа. Потеря напора от установки счетчика составляет при­мерно 0,02 МПа. Погрешность показаний этих приборов ±0,5 %.

СКОРОСТНЫЕ СЧЕТЧИКИ ДЛЯ ЖИДКОСТЕЙ

Скоростные счетчики для измерения количества жидкостей работают по принципу измерения средней скорости движущегося потока. Объемный расход Q жидкости связан со средней скоростью движущегося потока соотношением

Q = v_ср·s (1)

где v_ср — средняя скорость движения вещества, м/с; s — площадь поперечного сечения потока, м².

Количество жидкости, прошедшей через прибор, пропорцио­нально частоте вращения лопастной турбинки, расположенной на пути потока. Считают, что частота вращения турбинки пропор­циональна средней скорости потока: п = c· v_ср. Учитывая уравне­ние (1), получим

n = c·Q/s

где п — частота вращения турбинки; с — коэффициент пропор­циональности, характеризующий механические и гидравличе­ские свойства прибора.

Отсюда следует, что частота вращения турбинки также про­порциональна расходу жидкости. Однако при малых расходах эта зависимость не соблюдается из-за утечки жидкости через зазоры между лопастями турбинки и корпусом счетчика, а также из-за трения в опорах подвижной системы. Для уменьшения силы трения турбинку и ее ось изготовляют из легких материалов. Частота вращения турбинки счетчика заметно зависит от харак­тера протекающего потока. Для успокоения потока перед турбинкой со стороны входа жидкости устанавливают струевыпрямитель; участки трубопровода до счетчика и после него делают прямыми.

По форме турбинки скоростные счетчики разделяются на две группы: с винтовой и крыльчатой турбинкой.

Винтовые турбинки располагают параллельно измеряемому потоку, крыльчатые — перпендикулярно ему.

Частота вращения винтовой турбинки пропорциональна сред­ней скорости потока жидкости и обратно пропорцональна шагу лопастей п = kv_cp/l или п = kQ/(ls), где k —постоянная при­бора; l — шаг лопастей турбинки, м.

На рис. 2 показан скоростной счетчик с винтовой турбинкой, закрепленной на горизонтальной оси. В корпусе 1 с флан­цами для присоединения к трубопроводу установлена турбинка 2 с лопастями, изогнутыми по винтовой линии. Турбинку изготов­ляют из пластмассы (при температуре измеряемой жидкости до 30 °С) или из латуни (при более высоких температурах жидкости). Ось и тело турбинки выполняют полыми для уменьшения силы тяжести и давления на цапфы. На оси турбинки перед задним подшипником 3, закрепленным на крестовине 4, насажена чер­вячная пара, передающая вращение редуктору 5. От механизма движение передается осью, проходящей через сальник 6, счетному механизму 7. Счетный механизм герметически изолирован от корпуса прибора.

П еред турбинкой со стороны входа жидкости установлен струевыпрямитель, состоящий из нескольких радиально закреп ленных прямых пластин. Конец одной из пластин струевыпрямителя поворачивается вокруг вертикальной оси, образуя лопасть 5, служащую для регулирования счетчика через рычажный привод.

Для каждого счетчика существует определенный минимальный расход, ниже которого точность измерения становится весьма низкой. Точная работа счетчика возможна в том случае, когда распределение скоростей по сечению потока соответствует градуировочному распределению. Наличие местных сопротивлений (вен­тилей, колен, задвижек) вблизи прибора вызывает появление дополнительных погрешностей; поэтому при установке при­бора необходимо предусматривать перед ним прямой участок трубопровода длиной (8—10) D, а после него — длиной не менее 5D (где D — внутренний диаметр трубопровода).

В зависимости от способа подвода жидкости к турбинке счет­чики с крыльчатой турбинкой подразделяются на одноструйные (рис. 3, а) и многоструйные (рис. 3, б). В обоих случаях жидкость подводится тангенциально к лопастям турбинки.

Счетчики с крыльчатой турбинкой устанавливают на горизон­тальных участках трубопроводов. Из-за недостаточно развитой поверхности струевыирямителя перед счетчиком и за ним должны быть прямые участки трубы длиной соответственно 30D и 15D. Калибр счетчика может быть меньше диаметра трубопровода. В этом случае счетчики устанавливают с коническим переходом. Скоростные счетчики рассчитаны на рабочее давление жидкости до 0,98 МПа и температуру до 40 °С. Погрешность счетчиков в за­висимости от расхода ±2—5 %.

СЧЕТЧИКИ КОЛИЧЕСТВА ГАЗОВ

Из счетчиков для газов наиболее распространены ротацион­ные счетчики (рис. 4). Они предназначены для измерения больших количеств газа. Счетчик состоит из кожуха 2, внутри которого вращаются на параллельных горизонтальных валах ро­торы 1. Валы роторов связаны зуб­чатыми колесами, находящимися вне кожуха. От одного из валов враще­ние передается счетному механизму. Шарико- или роликоподшипники ва­лов; а также зубчатые колеса находят­ся в масляных ваннах и заключены в картеры. Тонкий валик, соединяющий вал ротора со счетным механизмом, проходит через сальник в стенке кар­тера. Зазор между роторами и кожу­хом очень мал (порядка 0,12 мм).

В положении, изображенном на схеме, правый ротор не вращается под действием газа (давление на обе стороны ротора одинаково). На верхнюю часть левого ротора действует газ с более высоким давлением, чем на нижнюю; левый ротор поворачивается, увлекая за собой правый. Когда правый ротор стоит вертикально (а левый - горизонтально), то он поворачивает левый. За один оборот обоих роторов газа, прошедшего через прибор, равен объему измерительной камеры счетчика.

Перепад давлений газа в счетчике контролируется дифференциальным манометром.

Ротационные счетчики применяют для измерения расхода газа от 40 до 10000 м³/ч. Погрешность измерений составляет ±2÷3%. Счетчик допускает кратковременную перегрузку до 30%.

Рис. 4 Принципиальная схема ротационного счетчика.

Некоторые особенности наиболее распространенных методов измерений.

Перепад давления ΔР, образующийся в комбинированной напорной трубке, равен динамическому напору. Скорость, соответствующая этому перепаду определяется:

k_T - коэффициент трубки

В настоящее время наиболее распространенным методом в промышленности является измерение расхода с помощью сужающих устройств.

Взаимосвязь между объемным Q_o и массовым Q_м расходом и перепадом давления ΔР на сужающем устройстве определяется:

где F_o - площадь отверстия сужающего устройства, м³; ρ - плотность, кг/м³; α - коэффициент расхода; ε - поправочный множитель на расширение измеряемой среды

Коэффициент расхода α зависит от относительной площади (модуля) сужающего устройства m и числа Re. При Re>Re_гр слабо зависит от Re и в основном определяется значением m. Действительный коэффициент расхода α определяется через исходный α_н по формуле (для промышленных расходомеров):

где k_ш - поправочный множитель на шероховатость трубопровода; k_П - поправочный множитель на притупление входной кромки диафрагмы (для сопл k_П =0)

При использовании этого метода измерения часто имеют место погрешности, вызванные несоответствием расчетных и действительных значений параметров в уравнениях расхода. Например, при отклонении температуры среды t от расчетной t_p, изменяется плотность сухого газа, новое значение плотности ρ определяется через плотность ρ_н при н.у. по формуле:

где p, T - действительные давление и температура среды; p_н, T_н - параметры среды при н.у.; k - коэффициент сжимаемой среды

Для жидкости плотность ρ при температуре t может вычисляться по формуле:

где ρ_p - плотность жидкости при расчетной температуре t_p; β - средний коэффициент объемного теплового расширения жидкости в интервале температур от t_p до t;