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 = vSh/d, т.е. пропорциональна отношениюv/d, aследовательно, при постоянном характерном размере d тела пропорциональна скорости о, а значит, и объемному расходуQ0 Зависимость между Q0 и f дается уравнением
Qo = (sd/Sh} f,
где s — площадь наименьшего поперечного сечения потока вокругобтекаемого тела.
Чтобы обеспечить пропорциональность между Qo иf,число СтрухаляShдолжно 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 Qmax/Qmin = 20. Но такой диапазон может иметь место в том случае, если приQminскорость vв трубе будет достаточна и обеспечит устойчивое вихреобразование (в частности, для воды v > 0,2м/с).Исследование расходомера с цилиндрическим обтекаемым телом диаметром dпоказало, что наиболеепредпочтительным 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.