Автоматизация технологических процессов (стр. 2 из 3)

Для измерения расхода и количества жидкости, пара, газа в отрасли в основном используют общепромышленные приборы.

Счетчики. Это приборы, предназначенные для количественного отделения массы или объема вещества, прошедшего через счетчик. По принципу действия они делятся на объемные и скоростные. В молочно промышленности наибольшее распространение получили объемные счетчики, принцип действия которых на том, что измеряемое количество молока, заполняя некоторый объем (измерительную камеру), вытесняется вращающимся рабочим органом (шестернями), соединенным со счетным механизмом. В зависимости, характеризующую работу объемных счетчиков описывается уравнением V=nV.

В корпусе счетчика (рис.1) установлены две овальные шестерни, вращающиеся под давлением жидкости, поступающей во входную часть камеры. При повороте шестерни отмеренный в сердцеобразном пространстве объем молока вытесняется из камеры. За один полный оборот овальных шестерен через счетчик вытесняется четыре объема жидкости, равных объему серпообразного пространства. Одна из шестерен соединена со счетным механизмом, а так как частота вращения шестерен зависит от количества протекающей жидкости, то счетное устройство регистрирует измеренное количество.

Расходомеры. Приборы для определения расхода, т.е. измеряющие количество вещества, протекающего через данное сечение трубопровода за известный интервал времени, называющийся расходомерами. С их помощью измеряемый массовый (кг/с) или объемный расход (м3/с) жидкости или газа. По принципу действия различают расходомеры переменного перепада давления и постоянного перепада давления.

Расходомеры 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,

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.

Расходомеры постоянного перепада давления (ротаметры). Принцип действия ротаметров лежит вертикальное перемещение чувствительного элемента (поплавка) под действием потока среды (рис.4). В этих приборах в следствии изменения проходного сечения (расстояние между поплавком и внутренней стенкой конической трубки) разность давлений на поплавок (перепад давлений) в момент равновесия остается величиной постоянной. Таким образом, положение поплавка относительно шкалы ротаметра является мерой расхода. При вертикальном перемещении поплавка момент равновесия наступает тогда, когда силы, действующие на поплавок сверху вниз (сила тяжести Fm и сила от действия потока на верхнюю плоскость поплавка Fпв) и снизу вверх (сила действия потока на нижнюю часть поплавка Fпи и сила трения потока о поплавки Fтр), уравновешиваются, т.е. когда Fm + Fпв = Fпи +Fтр, положение у поплавка соответствует определенная величина расхода. После выражения сил, действующих на поплавок, через физические параметры поплавка и среды, а также геометрические размеры поплавка и площадь сечения струя уравнения объемного расхода жидкости при определенном положении поплавка имеет вид:

Qo = Sk √ 2gVn(Pn-P)

PSn

где Qо – объемный расход измеряемой среды, м3/с;

 – коэффициент расхода;

Sk – площадь сечения струи, образованного телом поплавка и внутренней стенкой конической трубки, м3;

g – ускорение свободного падения, м/с2;

Pn – плотность материала, из которого изготовлен поплавок, кг/м3;

Vn – объем поплавка, м3;

Р – плотность измеряемой среды, кг,м3;

Sn – площадь сечения верхней части поплавка, м2.

Коэффициент расхода  зависит от конусности трубки, неравномерности в распределении скоростей в кольцевом сечении, потерь на местные сопротивления внутри прибора, геометрической формы и размеров поплавка и прочее.

Ротаметры изготавливают со стеклянными и металлическими трубками, последние снабжаются измерительными преобразователями сигналов и работают в комплекте с измерительными приборами.

Наибольшее распространение получили ротаметры для местного измерения расхода жидкости. Это стеклянная коническая трубка, зажатая между патрубками с фланцами. Патрубки соединены посредством стоек арматуры (тягами), которые являются ребрами жесткости. Внутри трубки имеется поплавок, перемещающейся под действием жидкости или газа потока. Поплавок плавно перемещается за счет вращательного движения и устанавливается в середине потока. Внутри нижнего патрубка имеется седло, на которое опускается поплавок при отсутствии расхода. Верхний патрубок имеет ограниченность хода. Шкала ротаметра наносится непосредственно на стеклянную трубку. Указателем расхода у таких ротаметров служит верхнее горизонтальная плоскость поплавка.

В технологических схемах пищевых производств широко используются трубопроводы, по которым подаются жидкости, газы, проводы и сборники. Трубопроводы и сборники являются весьма распространенными объектами регулирования при автоматизации пищевых производств.

На (рис.5) приведена АСР расход газа, жидкости или пара. Объектом регулирования здесь является участок трубопровода между датчиком расхода 1а и регулирующим клапаном. Инерционность этого объекта очень мала, и его с точки зрения автоматизации можно считать усилительным звеном.

В целом динамическая характеристика будет определятся только динамическими свойствами датчика расхода и регулирующего органа. Возмущающим воздействием является интенсивность потока.