Особенности выбора расходомера

Особенности выбора расходомера

Содержание

1. Общие сведения об измерении расхода и массы веществ

2. Основные виды расходомеров

2.1 Расходомеры переменного перепада давления

2.2 Расходомеры обтекания

2.2.1 Ротаметры

2.2.2 Поплавковые и поршневые расходомеры

2.3 Тахометрические расходомеры

2.3.1 Камерные расходомеры

2.3.2 Электромагнитные расходомеры

2.3.3 Расходомеры переменного уровня

2.4 Тепловые расходомеры

2.4.1 Вихревые расходомеры

2.5 Акустические расходомеры

2.6 Фазовые расходомеры

2.6.1 Частотно-пакетные расходомеры

2.7 Напорные устройства

2.7.1 Кориолисовые расходомеры

3. Выбор средства контроля

3.1 Обоснование выбора типа расходомера

3.2 Обоснование выбора марки ультразвукового расходомера

3.3 Конструкция ультразвукового расходомера UFM 3030

3.4 Принцип работы выбранного расходомера

3.5 Технические характеристики ультразвукового расходомера UFM 3030

3.5.1 Ультразвуковой электронный конвертор UFC 030

3.5.2 Ультразвуковой первичный преобразователь UFS 3000

3.5.3 Ультразвуковой расходомер UFS 3030

3.6 Электрические схемы подключения расходомера

3.7 Монтажные схемы подключения расходомера

Вывод

Заключение

Список литературы

1. Основные сведения об измерении расхода и массы веществ

Измерение расхода и массы веществ (жидких, газообразных, сыпучих, твердых, паров и т. п.) в химических производствах широко применяется как в товароучетных и отчетных операциях, так и при контроле, регулировании и управлении технологическими процессами.

Расход вещества - это масса или объем вещества, проходящего через данное сечение канала средства измерения расхода в единицу времени. В зависимости от того, в каких единицах измеряется расход, различают объемный расход или массовый расход. Объемный расход измеряется в м3/с (м3/ч и т. д.), а массовый - в кг/с (кг/ч, т/ч и т. д.).

Расход вещества измеряется с помощью расходомеров, представляющих собой средства измерений или измерительные приборы расхода. Многие расходомеры предназначены не только для измерения расхода, но и для измерения массы или объема вещества, проходящего через средство измерения в течение любого, произвольно взятого промежутка времени. В этом случае они называются расходомерами со счетчиками или просто счетчиками. Масса или объем вещества, прошедшего через счетчик, определяется по разности двух последовательных во времени показаний отсчетного устройства или интегратора. По принципу действия разделяются на следующие основные группы: переменного перепада давления; обтекания - постоянного перепада давления; тахометрические; электромагнитные; переменного уровня; тепловые; вихревые; акустические. Кроме того, известны расходомеры, основанные на других принципах действия: резонансные, оптические, ионизационные, меточные и др. Однако многие из них находятся в стадии разработки и широкого применения пока не получили.

2. Основные виды расходомеров

2.1 Расходомеры переменного перепада давления

Одним из наиболее распространенных средств измерений расхода жидкостей и газов (паров), протекающих по трубопроводам, являются расходомеры переменного перепада давления, состоящие из стандартного сужающего устройства, дифманометра, приборов для измерения параметров среды и соединительных линий. В комплект расходомерного устройства также входят прямые участки трубопроводов до и после сужающего устройства с местными сопротивлениями.

Сужающее устройство расходомера является первичным измерительным преобразователем расхода, в котором в результате сужения сечения потока измеряемой среды (жидкости, газа, пара) образуется перепад (разность) давления, зависящий от расхода. В качестве стандартных (нормализованных) сужающих устройств применяются измерительные диафрагмы, сопла, сопла Вентури и трубы Вентури. Диафрагма- тонкий диск с отверстием круглого сечения, центр которого лежит на оси трубопровода (используются в трубах от 50 мм до 2 м). Сопло- выполнено в виде насадки с круглым концентрическим отверстием, имеющим плавную сужающую часть на входе и развитую цилиндрическую часть на выходе. Сопло Вентури- состоит из цилиндрического входного участка, плавно сужающейся части, переходящей в короткий цилиндрический участок, и расширяющейся конической части (диффузора).

Достоинствами диафрагм являются: простота изготовления, дешевизна изготовления, простота проверки конструкции. Недостатками являются: малый срок службы, большая остаточная потеря давления ().

К достоинствам сопл относятся: маленькая потеря давления, способность при одном и том же перепаде давлений измерять больший расход. Недостатками являются: сложность в изготовлении и проверке.

В качестве измерительных приборов применяются различные дифференциальные манометры, снабженные показывающими, записывающими, интегрирующими, сигнализирующими и другими устройствами, обеспечивающими выдачу измерительной информации о расходе в соответствующей форме и виде.

Измерительная диафрагма представляет собой диск, установленный так, что центр его лежит на оси трубопровода (рис. VIII.1). При протекании потока жидкости или газа (пара) в трубопроводе с диафрагмой сужение его начинается до диафрагмы. На некотором расстоянии за ней под действием сил инерции поток сужается до минимального сечения, а далее постепенно расширяется до полного сечения трубопровода. Перед диафрагмой и после нее образуются зоны завихрения. Давление струи около стенки вначале возрастает из-за подпора перед диафрагмой. За диафрагмой оно снижается до минимума, затем снова повышается, но не достигает прежнего значения, так как вследствие трения и завихрений происходит потеря давления рпот.

Таким образом, часть потенциальной энергии давления потока переходит в кинетическую. В результате средняя скорость потока в суженном сечении повышается, а статическое давление в этом сечении становится меньше статического давления перед сужающим устройством. Разность этих давлений (перепад давления) служит мерой расхода протекающей через сужающее устройство жидкости, газа или пара.

Из рисунка VIII.1 видно, что давление по оси трубопровода, показанное штрихпунктирной линией, несколько отличается от давления вдоль стенки трубопровода только в средней части графика. Через отверстия 1 и 2 производится измерение статических давлений до и после сужающего устройства. При этом расход для несжимаемых жидкостей находится по формулам:

или

,

где плотность вещества (),площадь поперечного сечения отверстия диафрагмы (сужающее устройство), расход вещества,абсолютное давление до сужающего устройства, абсолютное давление после сужающего устройства,

коэффициент расхода учитывает неравномерное распределение скоростей по сечению потока, обусловленное вязкостью вещества и трением о стенки трубопровода. Этот коэффициент для разных сужающих устройств определяется опытным путём. Здесь

коэффициент сужения струи (площадь поперечного сечения наиболее суженного участка струи), поправочные коэффициенты на неравномерность распределения скоростей в сечениях I и II,

(средняя скорость вещества в сечении I , средняя скорость вещества в отверстии диафрагмы), местное сопротивление потоку.

При измерении расхода сжимаемых жидкостей и газов (паров) необходимо учитывать уменьшение плотности  вследствие понижения давления при прохождении вещества через сужающее устройство, в результате чего массовый и объёмный расходы уменьшаются. Поэтому для расчёта расхода используют следующие формулы:

или

,

где коэффициент расширение измеряемой среды,плотность среды перед входом потока в отверстие диафрагмы. Две последние формулы применимы только в том случае, если скорость потока в сужающем устройстве меньше скорости звука (критическая скорость) в измеряемой среде.

Дифманометры выбирают из ряда: 10, 16, 25, 40, 63, 100, 160, 250, 400, 630, 1000, 1600, 2500, 4000, 6300, 10000, 16000, 25000 Па и 0,04; 0,063; 0,1; 0,16; 0,25; 0,4; 0,63 МПа. За максимальный расход принимают наибольший из ряда: 1; 1,25; 1,6; 2; 2,5; 3,2; 4; 5; 6,3; 8; 10 и т.д.

2.2 Расходомеры обтекания

Принцип действия расходомеров обтекания основан на зависимости перемещения тела, находящегося в потоке и воспринимающего динамическое давление обтекающего его потока, от расхода вещества. Широко распространенными расходомерами обтекания являются расходомеры постоянного перепада давления — ротаметры, поплавковые и поршневые. Принцип действия расходомеров постоянного перепада давления основан на зависимости от расхода вещества вертикального перемещения тела — поплавка, находящегося в потоке и изменяющего при этом площадь проходного отверстия прибора таким образом, что перепад давления по обе стороны поплавка остается постоянным.

В некоторых расходомерах обтекания, называемых расходомерами обтекания компенсационного типа, перемещение тела обтекания измеряется по величине давления, создающего усилие, приложенное к телу и уравновешивающее динамическое давление потока на него.

2.2.1 Ротаметры

Расходомеры постоянного перепада давления – ротаметры - применяются для измерения расходов однородных потоков чистых и слабозагрязненных жидкостей и газов, протекающих по трубопроводам и не подверженных значительным колебаниям. Ротаметры имеют большой диапазон измерения

Ротаметр (рис. VIII.4) представляет собой длинную коническую трубку 1, располагаемую вертикально, вдоль которой под действием движущегося снизу вверх потока перемещается поплавок 2. Поплавок перемещается до тех пор, пока площадь кольцевого отверстия между поплавком и внутренней поверхностью конусной трубки не достигнет такого размера, при котором перепад давления по обе стороны поплавка не станет равным расчетному. При этом действующие на поплавок силы уравновешиваются, а поплавок устанавливается на высоте, соответствующей определенному значению расхода.

На поплавок сверху вниз действуют две силы: сила тяжести и сила от давления потока на верхнюю плоскость поплавка. Сила тяжести

,

где объём поплавка,плотность материала поплавка,ускорение свободного падения. Сила от давления потока на верхнюю плоскость поплавка равна , где среднее давление потока на единицу площади верхней поверхности поплавка, площадь наибольшего поперечного сечения поплавка.

Снизу вверх на поплавок действуют сила от давления потока на нижнюю плоскость поплавка  и сила трения потоков о поплавок , где коэффициент сопротивления, зависящий от числа Рейнольдса и степени шероховатости поверхности, средняя скорость потока в кольцевом канале, охватывающем боковую поверхность поплавка,площадь боковой поверхности поплавка, показатель, зависящий от скорости. При равновесии поплавка справедливо равенство:

+ = +.

Формула для расчёта расхода несжимаемой жидкости имеет вид:

где плотность измеряемой среды,

-коэффициент расхода, определяется опытным путём. При расчёте расхода газа вводят поправочный коэффициент .

Достоинства: относительная простота в конструкции, широкий диапазон измерения расходов (;).

Недостатки: невысокие рабочие давления измеряемых сред для ротаметров со стеклянной трубкой (не более 0,58 МПа), невозможность регистрации показаний для ротаметров с металлической конусной трубкой, невозможность передачи показаний на расстояние, недостаточная чёткость шкал, градуировка ротаметров производится по конкретным средам (вода и воздух), низкая точность

2.2.2 Поплавковые и поршневые расходомеры

Поплавковый расходомер постоянного перепада давления (рис. VIII.5) состоит из поплавка 1 и конического седла 2 расположенных в корпусе прибора. Коническое седло выполняет ту же роль, что и коническая трубка ротаметра. Различие заключается в том, что длина и диаметр седла примерно равны, а у ротаметров длина конической трубки значительно больше ее диаметра.

В поршневом расходомере (рис. VIII.6) чувствительным элементом является поршень, перемещающийся внутри втулки 2.

Втулка имеет входное отверстие 5 и выходное отверстие 4, которое является диафрагмой переменного сечения. Поршень с помощью штока соединен с сердечником передающего преобразователя 3. Протекающая через расходомер жидкость поступает под поршень и поднимает его. При этом открывается в большей или меньшей степени отверстие выходной диафрагмы. Жидкость, протекающая через диафрагму, одновременно заполняет также пространство над поршнем, что создает противодействующее усилие.

Достоинства: относительная простота в конструкции.

Недостатки: относительно невысокие рабочие давления (до 6,27 МПа), относительно высокая погрешность измерения ( от верхнего предела измерения).

2.3 Тахометрические расходомеры

Принцип их действия основан на использовании зависимостей скорости движения тел - чувствительных элементов, помещаемых в поток, от расхода веществ, протекающих через эти расходомеры. Известно большое число разновидностей тахометрических расходомеров, однако в практике для измерения расхода самых разнообразных жидкостей и газов широко распространены турбинные, шариковые и камерные расходомеры.

2.3.1 Камерные расходомеры

Камерные тахометрические расходомеры представляют собой один или несколько подвижных элементов, отмеривающих или отсекающих при своем движении определенные объемы жидкости или газа. Существует большое число конструкций, камерных расходомеров жидкостей и газов(поршневые счетчики, счетчики с овальными шестернями и дисковые счетчики).

Овально-шестеренчатый счетчик жидкостей (рис. VIII.11) состоит из двух одинаковых овальных шестерен, вращающихся под действием перепада давления жидкости, протекающей через его корпус. В положении 1 правая шестерня отсекает некоторый объем жидкости 1, так как на эту шестерню действует крутящий момент, она поворачивается по часовой стрелке, вращая при этом левую шестерню против часовой стрелки. В положении 2 левая шестерня заканчивает отсекание новой порции жидкости, а правая выталкивает ранее отсеченный объем в выходной патрубок счетчика. В это время вращающий момент действует на обе шестерни. В положении 3 ведущей является левая шестерня, отсекающая заданный объем. В положении 4 правая шестерня заканчивает отсекание объема, а левая выталкивает объем. В положении 5 полностью отсекается заданный объем; обе шестерни сделали по пол-оборота, и ведущей стала опять правая шестерня. Вторая половина оборота шестерен протекает аналогично. Таким образом, за один полный оборот шестерен отсекается четыре дозирующих объема. Учет жидкости основан на отсчете числа оборотов шестерен.

Достоинства: относительно высокая точность измерений (погрешность показаний ); возможность генерации импульсного выхода, который может быть передан в комнату управления (каждый импульс представляет дискретный объем жидкости); данные расходомеры хорошо подходят для автоматического дозирования и учета.

Недостатки: потеря напора от установки счётчика составляет примерно 0,02МПа; узкий диапазон измерений величины расхода (от 0,8 до 36 м3/ч при рабочем давлении 1,57 МПа); небольшие диаметры трубопроводов (диаметры условных проходов 15-50 мм); снижение точности связанное с просачиванием вещества через внутреннюю изолированную поверхность.

2.3.2 Электромагнитные расходомеры

Электромагнитные (индукционные) расходомеры предназначены для измерения расхода различных жидких сред, в том числе пульп с мелкодисперсными неферромагнитными частицами, с электрической проводимостью не ниже  См/м, протекающих в закрытых полностью заполненных трубопроводах.

Электромагнитные расходомеры выполняются в виде двух отдельных блоков: измерительного преобразователя расхода и измерительного блока — передающего преобразователя, в котором осуществляется приведение сигнала, полученного от измерительного преобразователя, к стандартизованному виду, удобному для дальнейшего использования.

Измерительный преобразователь расхода электромагнитного расходомера (рис. VIII.15) состоит из немагнитного участка трубопровода 3 с токосъемными электродами 4 и ярма электромагнита 2 с обмоткой возбуждения 1, охватывающего трубопровод.

При протекании электропроводных жидкостей по немагнитному трубопроводу 3 через однородное магнитное поле, создаваемое магнитом 2, в жидкости, которую можно представить как движущийся проводник, возникает электродвижущая сила, снимаемая электродами 4. Эта ЭДС Е прямо пропорциональна средней скорости потока:

E=Blvcp,

где В - электромагнитная индукция в зазоре между полюсами магнита,[Тл], l- расстояние между электродами,[м]; vcp -средняя скорость потока,[м/с].

Поскольку площадь сечения трубы постоянна, ЭДС, снимаемая с электродов, может быть выражена через объемный расход жидкости:

,

где  внутренний диаметр трубы, равный расстоянию между электродами l, [м]. Далее сигнал, пропорциональный расходу, подается на измерительный блок, где он приводится к стандартизованному виду, и затем передается к прибору или другому измерительному устройству. Электромагнитные расходомеры обеспечивают измерение расхода в диапазоне от 0,32 до 2500 м3/ч при трубопроводах с внутренним диаметром от 3 мм до 1 м и более, линейной скорости движения от 0,6 до 10 м/с. Погрешность электромагнитных расходомеров

Достоинства: линейность характеристики, возможность использования в трубопроводах любого диаметра, показания не зависят от примесей в среде, от её плотности и вязкости, нет потерь давления.

Недостатки: поляризация электродов (нестабильность работы прибора), работа только с электропроводной жидкостью, трудность усиления напряжения постоянного тока.

2.3.3 Расходомеры переменного уровня

Эти расходомеры применяются для измерения расхода загрязненных жидкостей. Принцип действия приборов основан на зависимости уровня жидкости в сосуде от расхода при свободном истечении ее через калиброванное отверстие (щель) в дне или боковой стенке. Профиль и диаметр отверстия рассчитываются таким образом, чтобы указанная зависимость была линейной. Уравнение расхода через отверстие в дне или стенке сосуда в общем виде выражается следующей зависимостью:

Используя уравнение (VIII.29), можно вывести зависимость между Q и Н для отверстия любой формы. Для получения равномерной шкалы прибора эта зависимость должна быть линейной:

Q = ,

где К- коэффициент пропорциональности

.

Щелевой расходомер с калиброванным незатопленным отверстием (щелью) в стенке корпуса (рис. VIII. 16) представляет собой емкость – корпус 1, разделенный перегородкой 4 с профилированной щелью. В левой части корпуса, куда подается измеряемая жидкость через подводящий патрубок, производится измерение её уровня с помощью пьезометрической уровнемерной трубки 2 и измерительного прибора - дифманометра 3.

Для измерения уровня жидкости могут применяться и другие типы уровнемеров.

Жидкость, поступающая в левый отсек корпуса, заполняет его, переливается через профилированную щель и через слив уходит в приемник и далее - по назначению.

Другой тип расходомера с отверстием в дне сосуда (рис. VIII.17) состоит из приемника - сосуда переменного уровня 1, корпуса 2, выходного отверстия с калиброванной диафрагмой или соплом 3. Высота столба жидкости над калиброванным отверстием 3 измеряется с помощью уровнемера - дифманометра 4.

Достоинства: щелевые расходомеры хорошо зарекомендовали себя при измерении сильно загрязненных и быстро кристаллизующихся жидкостей и растворов.

Недостатки: небольшой диапазон измерения 0,1—50 м3/ч; относительно высокая основная погрешность устройства: в комплекте со вторичным прибором ±3,5%.

2.4 Тепловые расходомеры

Тепловые расходомеры могут применяться при измерении небольших расходов практически любых сред при различных их параметрах. Кроме того, они весьма перспективны для измерения расхода очень вязких материалов. Принцип действия их основан на использовании зависимости эффекта теплового воздействия на поток вещества от массового расхода этого вещества.

Тепловые расходомеры могут выполняться по трем основным принципиальным схемам: калориметрические, основанные на нагреве или охлаждении потока посторонним источником энергии, создающим в потоке разность температур; теплового слоя, основанные на создании разности температур с двух сторон пограничного слоя; термоанемометрические, в которых используется зависимость между количеством теплоты, теряемой непрерывно нагреваемым телом, помещенным в поток, и массовым расходом вещества.

Выбор принципиальной схемы измерения зависит от измеряемой среды, необходимой точности, типа используемых термочувствительных элементов и режима нагрева. Для упруго-вязких пластичных веществ, предпочтительным является измерение по схеме термоанемометра с постоянной температурой подогрева потока.

Чувствительными элементами термоанемометрического являются резисторы R1 и R2, помещаемые (наматываемые) на стенке трубопровода на некотором расстоянии друг от друга. Манганиновые резисторы R3 и R4 служат для создания мостовой схемы, питаемой от источника напряжения . Сигнал разбаланса, пропорциональный изменению расхода, подается на электронный усилитель ЭУ, где усиливается и после этого управляет вращением реверсивного электродвигателя РД, который, производя перестановку движка компенсирующего переменного резистора Rp, изменяет напряжение питания до тех пор, пока разбаланс в измерительной диагонали моста не станет равным заданному. Мерой расхода могут служить показания амперметра, ваттметра или положение движка Rp.

Страницы: 1, 2