Лекция 10

60.Принцип работы расходомеров переменного перепада давления

Принцип действия расходомеров основан на том, что если в трубопроводе, по которому протекает вещество, устанавливают устройство, создающее местное сужение потока, то вследствие перехода части потенциальной энергии давление в кинетическую среднюю скорость потока в суженном сечении повышается, в результате чего статическое давление в этом сечении становится меньше статического давления перед сужающим устройством.

Разность давлений (перепад давления) тем больше чем больше расход вещества. Следовательно, перепад давления может служить мерой расхода вещества.

В измерительной техники в качестве служащих устройств используют диафрагмы и сопла. Наиболее широкое применение нашла стандартная диафрагма, представляющая собой тонкий диск с отверстием круглого сечения (рис.2).

При протекании жидкости по трубопроводу сужение потока начинается по диафрагме, а на некотором расстоянии после нее действием сил инерции сечение потока становится минимальным. Далее поток постепенно расширяется до полного сечения трубопровода. Перед диафрагмой и после нее образуются зоны завихрения, на которые затрачивается часть энергии, вследствие чего наблюдается потеря давления.

Рассмотрим поток жидкости, проходящий через диафрагму. Выделим два сечения (рис.3): сечение 1-1, в котором отсутствует влияние сужающего устройства на характер потока и сечение II-II, в котором наблюдается сжатие струи.

Зависимость между расходом жидкости и перепадом давления можно установить, пользуясь уравнением Бернулли и уравнением неразрывности струи. Для двух сечений потока Iи II горизонтального трубопровода при условии, что трение отсутствует, уравнение имеющее следующий вид:

P₁¹/P₁ + V₁²/2 = P₂¹/P₂ + V₂²/₂; P₁V₁S₁ = P₂V₂S₂

Плотность жидкости, проходящей через сужающее устройство, практически можно считать неизменным (Р₁ = Р₂ = Р), следовательно,

Рекомендуемые материалы

P₁¹-P₂=P/2(V₂²-V₁²) и V₁S₁ = V₂S₂

Наибольшее распространение в отрасли получила стандартная диафрагма.

Стандартная диафрагма может применятся для измерения расхода в трубопроводах диаметром более 50 мм при условии, что относительная площадь сужающего устройства лежит в интервале 0,05<=m<=0,7.

Сужающие устройства применяют в комплекте с дифференциальными манометрами. Их соединяют с помощью двух трубок, внутренние диаметры которых составляет не менее 8мм. Внутренний диаметр трубок, соединяющих кольцевые камеры или отдельные отверстия сужающего устройства с уравнительными или разделительными сосудами; должен быть не менее 12 мм.

61.Типы и принцип работы тахометрических расходомеров.

К тахометрическим относятся расходомеры и счетчики , в которых имеется вращающийся элемент со скоростью, пропорциональной объемному расходу. Это турбинные, крыльчатые, шариковые, роторно-шаровые и камерные (к последним относятся барабанные, с измерительными мехами, или иначе мембранами, диафрагмами, а также поршневые, ротационные и др.).

Обычно расходомерами называют приборы, выходной сигнал (или показания) которых пропорциональны скорости вращения преобразователя, а счетчиками – приборы, в которых общее число оборотов или ходов преобразователя пропорционально количеству газа (объему или массе).

В турбинных расходомерах и счетчиках винтообразная или с лопатками ось располагается вдоль потока, а в крыльчатых перпендикулярно к потоку. У роторно-шаровых расходомеров шар или другое тело вращается вокруг своей оси под воздействием потока. Эти приборы также называют левитирующими, или расходомерами с гидродинамической подвеской ротора.

62.Скоростные счетчики количества жидкости        

Скоростные, как и объемные, счетчики применяют для определения объемного количества измеряемой среды. Однако в отличие от объемных скоростные счетчики не имеют измерительных камер и производят косвенное измерение количества веществ в объемных единицах.

Чувствительным элементом скоростных счетчиков является аксиальная или тангенциальная турбинка, приводимая во вращение потоком жидкости, протекающим через счетчик.

Принцип действия скоростных счетчиков основан   на  том, что число оборотов турбинки в единицу времени n, пропорционально скорости потока, омывающего турбинку:

n=kW,

(8.7)

где k — коэффициент пропорциональности; W — скорость потока в некотором сечении счетчика F.

Объемный расход через счетчик равен:

Q=WF.          

(8.8)

Решая совместно (8.8)     и (8.7), получим

n = k/F *Q     

(8.9)

Отсюда следует, что шкала тахометра,  измеряющего  мгновенное число оборотов турбинки n, может быть проградуирована в единицах объемного расхода измеряемого потока жидкости. Выражение (8.9) с учетом (8.3) примет вид:

nd?  = k/F*dV           

(8.10)

Интегрируя (7.10) в интервале времени ?2  — ?1, получим:

V= F/k *(N2 — N1) 

(8.11)

где N2 — N1 = — разность показаний счетного механизма в интервале времени ?2  — ?1 или число оборотов турбинки в этом интервале.

Таким образом, измеряя суммарное число оборотов турбинки с помощью счетного механизма оборотов, можно получать информацию об объемном количестве вещества. Если же скоростной счетчик снабжен тахометром, то он может измерять объемный расход потока.

При использовании скоростного счетчика в качестве измерителя объемного расхода вещества обычно применяют электрический тахогенератор. Ротор этого генератора получает вращение от оси турбинки скоростного счетчика, а индуцированная в статоре ЭДС измеряется вторичным прибором — вольтметром.

Схема скоростного счетчика с аксиальной турбинкой показана на рис. 8.3. Внутри корпуса размещена горизонтально вдоль направления измеряемого потока жидкости турбинка 6, выполненная в виде многозаходного винта. Перед турбинкой установлен струевыпрямитель 1, предназначенный для сглаживания возмущений потока на входе и исключения завихрения. Вращение турбинки через червячную пару 5 и передаточный механизм 2, расположенный в камере 4, передается через сальник счетному устройству 3.

Рисунок 8.3 — Схема скоростного счетчика с аксиальной турбинкой

Для регулирования скорости вращения турбинки в процессе тарировки счетчика предусмотрено регулировочное устройство 7, которое позволяет поворачивать одну из радиальных перегородок струевыпрямителя относительно направления потока.

Счетчики с аксиальной турбинкой изготавливают с диаметрами условного прохода 50—300 мм для измерения количества вещества при расходах 3—1300 м3/ч, классы точности 1; 1,5; 2.

Для измерения количества жидкости при малых расходах используются скоростные счетчики с тангенциальными турбинками. В этих счетчиках турбинка с прямолинейными или криволинейными лопастями установлена на вертикальной оси. Поток жидкости тангенциально подводится к турбинке и приводит ее во вращение. В зависимости от способа подвода жидкости к лопастям турбинки различают однострунные и многоструйные счетчики. Жидкость в одноструйных счетчиках (рис. 8.4, а) подводится к прямому гладкому каналу на лопасти турбинки 1 одной струей через фильтр 2.

Рисунок 8.4 — Схема скоростных счетчиков с тангенциальной турбинкой

В многоструйных счетчиках (рис. 8.4, б) корпус выполнен так, что в нем имеется два ряда равномерно распределенных по окружности сопл. Расположение сопл в корпусе счетчика показано на рис. 8.4, в. Через нижний ряд сопл 2 жидкость подается на турбинку 1, а через верхний ряд сопл 3 отводится из камеры вращения турбинки. Однострунные счетчики более просты по конструкции и в них меньше потеря давления, но они имеют меньшую надежность из-за одностороннего износа опоры турбинки.

Счетчики с тангенциальной турбинкой имеют диаметр условного прохода 15—40 мм, верхний предел измерений по расходу 3— 20 м3/ч и классы точности 2—3.

Существенным недостатком скоростных счетчиков является зависимость показаний от вязкости измеряемой жидкости

63.Классификация средств измерения уровня.

В настоящее время существует обширный ряд технических средств, приборов решающих задачу измерения и контроля уровня в промышленном производстве. Приборы для измерения уровня реализуют разнообразные методы, основанные на различных физических принципах. Наиболее распространенные методы измерения уровня, позволяющие преобразовывать значение уровня в электрические величины и производить автоматизацию производственных процессов это:

I . Контактные методы

Поплавковый  (механический)

При поплавковом методе индикатором уровня служит поплавок. Для передачи информации от чувствительного элемента используются различные виды связи. Как правило, поплавок снабжен магнитом и заключен в измерительную трубу либо скользит по направляющему стержню. Магнит может влечь за собой ползунок реостата. Изменение сопротивления преобразуется в электрический выходной сигнал, что дает помимо визуального контроля возможность дистанционной передачи показаний и включения в систему автоматизации.

Ряд поплавковых уровнемеров используют магнитострикционный эффект. При этом направляющий поплавок стержень содержит волновод, заключенный в катушку, по которой подаются импульсы тока. Под действием магнитных полей тока и двигающегося магнита в волноводе возникают импульсы продольной деформации, распространяющиеся по волноводу и принимаемые пьезоэлементом вверху стержня. Прибор анализирует время распространения импульсов и преобразует его в выходные сигналы.

Важной характерной особенностью поплавковых уровнемеров, является высокая точность измерений (+/- 1…5 мм.) . Достаточно широка область применения этого метода. Метод явно неприменим только в средах, образующих налипание, отложение осадка на поплавок, а также коррозию поплавка и конструкции чувствительного элемента (ЧЭ). Температура рабочей среды: - 40…120 ºС, избыточное давление: до 2 МПа, для преобразователей с гибким ЧЭ - до 0,16 МПа. Плотность среды: 0,5..1,5 г/см3. Диапазон измерений – до 25 м. Поплавковый метод может с успехом применяться в случае пенящихся жидкостей. Типичным применением поплавковых уровнемеров является измерение уровня топлива, масел, легких нефтепродуктов в относительно небольших емкостях и цистернах в процессе коммерческого учета.

Емкостной

Емкостной метод – более простой и дешевый. Он обеспечивает хорошую точность порядка 1,5 %, имеет те же ограничения, что и поплавковый - среда не должна налипать и образовывать отложения на ЧЭ. Вместе с тем, в отличие от поплавкового, он применим как для жидких, так и для сыпучих сред (размер гранул – до 5 мм.). Характерным принципиальным ограничением для емкостного метода является – однородность среды, среда должна быть однородной, по крайней мере, в зоне расположения ЧЭ.

ЧЭ емкостного уровнемера представляет собой конденсатор, обкладки которого погружены в среду. Он может быть выполнен в виде двух концентрических труб, пространство между которыми заполняется средой, либо в виде стержня, при этом роль второй обкладки играет металлическая стенка емкости. В случае проводящей жидкости ЧЭ покрывается изолятором, обычно фторопластом. Изменение уровня жидкости приводит к изменению емкости ЧЭ, преобразуемой в выходной электрический сигнал.

Условия применения емкостных датчиков по характеристикам рабочей среды: температура -40…+200 ºС, давление – до 2,5 МПа, диапазон измерения – до 3м. (30 м. – для гибких и тросовых ЧЭ).

Гидростатический

Гидростатические уровнемеры измеряют давление столба жидкости и преобразуют его в значение уровня, поскольку гидростатическое давление зависит от величины уровня и плотности жидкости и не зависит от формы и объема резервуара. Они представляют собой дифференциальные датчики давления. На один из входов, подсоединяемый к емкости подается давление среды. Другой вход соединяется с атмосферой - в случае открытой емкости без избыточного давления или соединяется с областью избыточного давления в случае закрытой емкости под давлением.

Конструктивно гидростатические датчики бывают двух типов: мембранные и колокольные (погружные). В первом случае тензорезистивный или емкостной датчик непосредственно соединен с мембраной и весь прибор находится внизу емкости, как правило, сбоку на фланце, при этом расположение ЧЭ (мембраны) соответствует минимальному уровню. ( Сапфир-ДГ, Метран-100-ДГ, 3051 L ). В случае колокольного датчика чувствительный элемент погружен в рабочую среду и передает давление жидкости на тензорезистивный сенсор через столб воздуха запаянный в подводящей трубке ( УГЦ-1.1, УГЦ-1.2 ) .

Гидростатические уровнемеры применяются для однородных жидкостей в емкостях без существенного движения рабочей среды. Они позволяют производить измерения в диапазоне до 250 КПа, что соответствует (для воды) 25-и метрам, с точностью до 0,1% при избыточном давлении до 10 МПа и температуре рабочей среды: – 40..+120°С. Гидростатические уровнемеры могут использоваться для вязких жидкостей и паст. Важным достоинством гидростатических уровнемеров является высокая точность при относительной дешевизне и простоте конструкции.

Буйковый

Метод определения уровня по выталкивающей силе действующей на погруженный в рабочую жидкость буек используют буйковые уровнемеры . На тонущий буек действует в соответствии с законом Архимеда выталкивающая сила, пропорциональная степени погружения и, соответственно, уровню жидкости. Действие этой силы воспринимает тензопреобразователь , либо индуктивный преобразователь , либо заслонка, перекрывающая сопло .

Буйковые уровнемеры предназначены для измерения уровня в диапазоне – до 10 м. при температурах – 50..+120ºС (в диапазоне +60..120ºС при наличии теплоотводящего патрубка, при температурах 120..400°С приборы работают как индикаторы уровня) и давлении до 20 МПа, обеспечивая точность 0,25..1,5%. Плотность контролируемой жидкости: 0,4…2 г/см3.

Буйковые уровнемеры часто применяются для измерения уровня раздела фаз двух жидкостей. Возможно, также, их использование для определения плотности рабочей среды при неизменном уровне.

II . Бесконтактные методы

Зондирование ультразвуком

Метод определения уровня по выталкивающей силе действующей на погруженный в рабочую жидкость буек используют буйковые уровнемеры . На тонущий буек действует в соответствии с законом Архимеда выталкивающая сила, пропорциональная степени погружения и, соответственно, уровню жидкости. Действие этой силы воспринимает тензопреобразователь (уровнемеры типа Сапфир-ДУ ), либо индуктивный преобразователь ( УБ-ЭМ ), либо заслонка, перекрывающая сопло (пневматические уровнемеры типа ПИУП ).

Буйковые уровнемеры предназначены для измерения уровня в диапазоне – до 10 м. при температурах – 50..+120ºС (в диапазоне +60..120ºС при наличии теплоотводящего патрубка, при температурах 120..400°С приборы работают как индикаторы уровня) и давлении до 20 МПа, обеспечивая точность 0,25..1,5%. Плотность контролируемой жидкости: 0,4…2 г/см3.

Буйковые уровнемеры часто применяются для измерения уровня раздела фаз двух жидкостей. Возможно, также, их использование для определения плотности рабочей среды при неизменном уровне.

Зондирование электромагнитным излучением

Микроволновые радарные уровнемеры – наиболее сложные и высокотехнологичные средства измерения уровня. Для зондирования рабочей зоны и определения расстояния до объекта контроля здесь используется электромагнитное излучение СВЧ диапазона.

В настоящее время широко используются два типа микроволновых уровнемеров: импульсные и FMCW ( frequency modulated continuous wave ).

В уровнемерах FMCW происходит постоянное непрерывное излучение линейно частотно модулированного сигнала и, одновременно, прием отраженного сигнала с помощью одной и той же антенны. В результате на выходе получается смесь сигналов, которая анализируется с применением специального математического и программного обеспечения для выделения и максимально точного определения частоты полезного эхо-сигнала. Для каждого момента времени разность частот прямого и обратного сигналов прямопропорциональна расстоянию до контролируемого объекта.

Импульсные микроволновые уровнемеры излучают сигнал в импульсном режиме, при этом прием отраженного сигнала происходит в промежутках между импульсами исходного излучения. Прибор вычисляет время прохождения прямого и обратного сигналов и определяет значение расстояния до контролируемой поверхности.

Обычно, рабочая частота радарных уровнемеров независимо от типа варьирует от 5,8 до 26 ГГц. Чем более высока частота, тем более узок луч и тем выше энергия излучения, а, следовательно, сильнее отражение.

Поэтому высокочастотные уровнемеры позволяют производить измерения уровня сред с низкой диэлектрической проницаемостью и, следовательно, слабой отражательной способностью. Они, также, удобны в емкостях, где присутствует различное оборудование, сокращающее свободную зону для работы радара. Вместе с тем, высокочастотные уровнемеры более чувствительны к таким явлениям как запыленность, испарения, волнение поверхности рабочей среды, налипание частиц среды на поверхность антенны вследствие более интенсивного рассеивания сигнала. В подобных условиях лучше работают уровнемеры с частотой 5,8..10 ГГц.

Другой важной характеристикой влияющей на формирование сигнала является размер и тип антенны. Различают следующие типы антенн: рупорная (коническая), стержневая, трубчатая, параболическая, планарная. Чем больше размер антенны, тем более сильный и узконаправленный сигнал она излучает и, в тоже время, тем лучше прием отраженного сигнала.

Ещё посмотрите лекцию "4.3. Принципы и методы создания ИС" по этой теме.

Наиболее универсальный тип антенны – рупорная. Она применяется, как правило, в больших емкостях, позволяет работать с широким спектром сред по диэлектрической проницаемости, применима в сложных условиях и обеспечивает диапазон измерения до 35..40 м. (в условиях спокойной поверхности)

Стержневая антенна применяется в небольших емкостях с химически агрессивными средами или гигиеническими продуктами, а также в случае, когда доступ в емкость ограничен малыми размерами патрубка. Диапазон измерения – до 20 м. Поверхность стержневой антенны покрыта слоем защитной изоляции.

Трубчатая антенна представляет собой надстроенный удлиненный волновод. Она позволяет формировать наиболее сильный сигнал за счет снижения рассеивания и используется в особо сложных случаях при наличии сильного волнения поверхности среды или большого слоя густой пены либо для случая сред с низкой диэлектрической проницаемостью. Трубчатая антенна применима для небольшого диапазона измерения уровня.

Планарный и параболический типы антенн обеспечивают особо высокую точность (до +/- 1 мм.) и применяются в системах коммерческого учета.

Радарные уровнемеры - наиболее универсальные средства измерения уровня. Не имея непосредственного контакта с контролируемой средой, они могут применяться для агрессивных, вязких, неоднородных жидких и сыпучих материалов. От ультразвуковых бесконтактных уровнемеров их выгодно отличает гораздо меньшая чувствительность к температуре и давлению в рабочей емкости, к их изменениям, а также большая устойчивость к таким явлениям как запыленность, испарения с контролируемой поверхности, пенообразование. Радарные уровнемеры обеспечивают высокую точность (до +/- 1 мм.), что позволяет использовать их в системах коммерческого учета. Вместе с тем существенным лимитирующим фактором применения радарных уровнемеров остается высокая стоимость данных приборов.

Каждый метод имеет характерный набор технических реализаций, расширяющийся с развитием измерительной техники. Методы, используемые для сигнализации наличия (отсутствия) рабочей среды часто те же что и для измерения уровня.