Размещено на http://www.allbest.ru/

Средства измерения расхода и количества вещества

Введение

Рассматривая приборы, служащие для измерения расхода жидкости, и в частности, воды, представляется классифицировать их по различным признакам. Представляется целесообразной такая классификация, которая отражала бы основные принципы работы наиболее распространенных типов приборов, положенные в основу измерения и отражающие физику протекающих при этом явлений.

1. Тахометрические счетчики и расходомеры

Различают:

· крыльчатые;

· турбинные;

· винтовые.

Крыльчатые счетчики жидкости относятся к классу тахометрических преобразователей с тангенциальной турбинкой (крыльчаткой), т.е. ось вращения крыльчатки перпендикулярна направлению потока жидкости.

Отличием турбинных счетчиков от крыльчатых является то, что ось вращающейся турбинки расположена вдоль направления движения потока и то, что лопасти турбинки выполнены винтовыми.

Винтовые счетчики воды отличаются от турбинных только большей длиной турбинки.

2. Вихревые счетчики и расходомеры

Различают:

· с индуктивным преобразователем сигнала;

· с электромагнитным преобразователем сигнала;

· с ультразвуковым преобразователем сигнала.

Принцип действия вихревых расходомеров с телом обтекания заключается в фиксации вихрей, возникающих за телом, помещенным в поток. Частота срыва вихрей (так называемая «дорожка Кармана») пропорциональна объемному расходу. Фиксация вихрей может осуществляться разными методами.

Индуктивным, когда в теле обтекания располагаются две катушки индуктивности, а в специальной полости между катушками находится свободноразмещенная мембрана. Мембрана под действием вихрей перемещается от одной катушки к другой, и частота изменения индуктивности катушек пропорциональна объемному расходу.

В случае применения электромагнитного узла съема сигнала в теле обтекания делается отверстие, и вблизи него в теле по перпендикулярным диаметрам располагаются два постоянных магнита и два электрода, электрически изолированные от проточной части отверстия. По сути, датчик преобразования пульсаций представляет собой маленький электромагнитный расходомер с постоянными магнитами.

В случае использования ультразвуковых датчиков поток просвечивается за телом обтекания и фиксируются вихреобразования. Электроника у такого вихревого расходомера получается проще, чем у времяпролетного ультразвукового расходомера, поэтому приборы получаются более дешевые.

3. Расходомеры переменного перепада давления

Принцип действия расходомеров основан на измерении перепада давления на гидравлическом сопротивлении. Самый «древний» метод измерения расхода и до последнего времени самый распространенный. Для этого метода разработаны стандартные «сужающие устройства» (диафрагмы, сопла, сопла и трубы Вентури) характеристики которых можно определить расчетом. Измерения стандартизованы, имеются программы расчета на ЭВМ. Основной недостаток метода состоит в небольшом диапазоне измерения: 1:3.

4. Расходомеры постоянного перепада давления (ротаметры)

Принцип действия расходомеров постоянного перепада давления основан на перемещении внутри конической стеклянной трубки, расширяющейся к верху, поплавка. Изменением веса поплавка достигаются различные диапазоны измерения по жидкости и газу. Кроме стеклянных ротаметров, выпускаются пневматические и электрические ротаметры. У электрических ротаметров выходной сигнал - индуктивность от 1 до 10 мГн.

5. Ультразвуковые расходомеры

Основой акустического метода измерений является тот факт, что скорость распространения звуковой волны в движущейся среде определяется геометрической суммой скорости звука в данной неподвижной среде и собственно скорости движения самой среды.

Наиболее часто используют на практике два способа, различающиеся взаимным пространственным расположением направлений вектора скорости жидкости и вектора распространения звуковой волны.

Первый способ основан на определении сноса движущей средой ультразвукового луча, направленного под прямым углом к вектору движения потока, то есть измеряется уменьшение количества акустической энергии, попадающей на приемник, с ростом скорости потока.

Недостатком данного способа является низкая чувствительность, поэтому чаще применяется разновидность этого способа, заключающаяся в том, что луч направляют под небольшим углом относительно диаметра трубы и принимают после многократного отражения от стенок трубы. Таким образом, добиваются увеличения пути, проходимого лучом. Чувствительность такой конструкции выше, чем у основной разновидности способа, однако следует отметить, что показания существенно зависят от степени коррозии и загрязнений отражающих поверхностей трубы. Кроме того, скорость звука в среде зависит от температуры жидкости, от её кинематической вязкости и степени её загрязнения. Эта зависимость приводит к возрастанию погрешности при изменении физико-химических свойств измеряемой жидкости.

Для исключения влияния зависимости скорости звука от различных факторов расход (количество) жидкости определяют по разности скорости распространения звука в направлении движения потока и против него. Ультразвуковой луч при этом направляется под некоторым углом к направлению движения потока. В этом способе различают несколько разновидностей.

Время-импульсный метод. Измеряется время прохождения импульса по потоку и против него. В данном методе остается зависимость от скорости ультразвука в среде, но существуют возможности компенсации этой зависимости, например, установкой дополнительной пары резонаторов.

Частотно-импульсный метод. В этом методе каждый пришедший к приемнику импульс (пачка импульсов) возбуждает генерацию нового импульса. Измеряя частоту повторения импульсов по потоку и против него, вычисляют расход. Преимуществом метода является независимость характеристики от скорости звука.

Фазовый метод. В этом методе измеряется разность фаз сигнала по потоку и против него. Метод основан на том, что при изменении скорости потока сигнал приходит к приемнику с различно фазой. Зависимость от скорости звука в жидкости такая же, как и во время-импульсном методе.

Существует еще одна разновидность ультразвуковых расходомеров - доплеровские расходомеры. Доплеровский метод основан на возникновении сдвига частот при отражении звукового сигнала от движущейся частицы или неоднородности потока, например, газового пузырька. Недостаток метода - требование наличия таких неоднородностей.

6. Электромагнитные расходомеры

В настоящее время твердую позицию среди устройств измерения расхода жидких веществ (в частности, воды) занимают электромагнитные расходомеры с поперечным полем. Доля таких расходомеров среди общего числа применяемых устройств составляет более 43 % и с каждым годом продолжает быстро расти. Этот тип расходомеров наиболее полно удовлетворяет требованиям к расходомерам для жидких веществ. Он обладает достаточно высокой точностью измерения, имеет широкий линейный динамический диапазон. Кроме того, он не имеет механических частей, соприкасающихся с жидкостью, а значит, способен легко соответствовать санитарно-гигиеническим требованиям.

Работа электромагнитных измерителей расхода жидкости основана на законе Фарадея. В проводнике, пересекающем силовые линии поля, индуцируется ЭДС, пропорциональная скорости движения проводника. При этом направление тока, возникающего в проводнике, перпендикулярно к направлению движения проводника и направлению магнитного поля. Если заменить проводник потоком проводящей жидкости, текущей между полюсами магнита, и измерять ЭДС, наведённую в жидкости по закону Фарадея, можно получить принципиальную схему электромагнитного расходомера, предложенную ещё самим Фарадеем. Конструкция классического электромагнитного расходомера показана на рис.1.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 1 - Схема и принцип действия электромагнитного расходомера с поперечным магнитным полем: 1 - трубопровод; 2 - полюса магнита; 3 - электроды для съема ЭДС; 4 - электронный усилитель; 5 - отсчетная система; 6 - источник питания магнита

Индуцируемую разность потенциалов Е на электродах 3 определяют по уравнению электромагнитной индукции:

E = - KBDv_cp, (1)

где В - магнитная индукция в зазоре между полюсами магнита; v_cp - средняя скорость потока жидкости; D - внутренний диаметр трубопровода; К - коэффициент, зависящий от вида магнитного поля.

Для случая постоянного магнитного поля К = 1. Если же магнитное поле изменяется во времени t с частотой f, то K = sin2рft.

Магнитное поле создается источником питания 6 магнита. ЭДС, снимаемую с электродов, при помощи электронного усилителя 4 преобразуют в усиленный электрический сигнал, регистрируемый отсчетной системой 5.

Выражая в уравнении (1) среднюю скорость потока через объемный расход измеряемой среды, получим уравнение измерений электромагнитных расходомеров:

-для случая постоянного магнитного поля

E = - (4B / рD)*Q, (2)

-для случая переменного магнитного поля

E = - (4B*sinрft / рD)*Q. (3)

Таким образом, электромагнитные расходомеры могут быть выполнены как с постоянными, так и с электромагнитными, питаемыми переменным током частотой f. Эти электромагнитные расходомеры имеют свои достоинства и недостатки, определяющие области их применения.

Электромагнитные расходомеры непригодны для измерения расхода газов, а также жидкостей с малой электропроводностью, например легких нефтепродуктов, спиртов и т.п. Но применение специальных устройств позволит существенным образом снизить требования к электропроводности измеряемой среды и создать электромагнитные расходомеры для измерения расхода любых жидкостей, в том числе нефтепродуктов.

Существенным и основным недостатком индукционных электромагнитных расходомеров с постоянным электромагнитом, ограничивающим их применение для измерения расхода квазистационарных потоков, является поляризация измерительных электродов, сопровождающаяся изменением сопротивления датчика, что искажает показания прибора. Для уменьшения поляризации применяют электроды с платиновым или танталовым покрытием, а также угольные и каломелевые электроды. измерение расход жидкость счетчик

При использовании переменного магнитного поля в режиме измерения средней скорости влияние поляризации электродов значительно уменьшается, так как э.д.с. поляризации в течение каждого полупериода тока, ее вызывающего, принимает противоположные по знаку значения, не нарастает со временем и ее среднее значение за период изменения магнитного поля близко к нулю. Кроме того, индуцированная полезная э.д.с. оказывается знакопеременной во времени и точность ее измерения на фоне существующих помех значительно повышается.

Однако в расходомерах с переменным магнитным полем появляются другие эффекты, приводящие к искажению полезного сигнала.

Во-первых, это трансформаторный эффект, когда на витке, образуемом жидкостью, находящейся в трубопроводе, электродами, соединительными проводами и вторичными приборами, наводится трансформаторная ЭДС, источником которой является первичная обмотка системы возбуждения магнитного поля. Трансформаторные помехи могут достигать 20-30 % полезного сигнала. Для их компенсации в измерительную схему прибора вводят специальные дополнительные устройства.

Во-вторых, имеет место ёмкостный эффект, возникающий из-за большой разности потенциалов между системой возбуждения магнитного поля и электродами и паразитной емкости между ними (соединительные провода и т. п.). Средством борьбы с этим эффектом является тщательная экранировка.

В-третьих, может иметь место эффект влияния изменения частоты питающего систему возбуждения магнитного поля тока. Компенсируют этот эффект установкой специальных стабилизирующих устройств, что усложняет измерительные схемы и уменьшает надёжность приборов.

Тем не менее, электромагнитные расходомеры имеют ряд преимуществ, которые обуславливают широкое применение этого класса приборов.

Важное преимущество электромагнитных расходомеров состоит в том, что принцип их работы и регистрация сигнала являются электрическими. Их можно без дополнительных преобразователей подсоединить к электрическим системам, предназначенным для измерений и автоматического регулирования. По этой же причине электромагнитные расходомеры применимы для дистанционной регистрации сигнала (хотя в случае плохой проводимости жидкости длина проводников, соединяющих расходомер с измерительным устройством, должна быть ограничена).

Электромагнитные расходомеры, поскольку в их основе лежат электрические явления, малоинерционны и позволяют изучать неустановившиеся течения даже при весьма высоких частотах изменения скорости.

Универсальность электромагнитного метода измерения обуславливается также и широкими функциональными возможностями, которые разрешают создать безынерционный измеритель с линейной градуированной характеристикой, характер которой не зависит от физико-химических свойств измеряемой среды.

Большинство электромагнитных расходомеров имеет каналы, обеспечивающие беспрепятственное течение жидкости. В электромагнитных расходомерах отсутствуют дренажные или другие отверстия, в которых могло бы накопиться твердое вещество, что привело бы к дополнительным трудностям, связанным с очисткой. В расходомерах круглого сечения с поперечным магнитным полем концентрическое отложение твердой фазы на стенках не оказывает влияния па показания прибора, если только твердое вещество и жидкость имеют одинаковую электропроводность.

Отмеченные преимущества и обеспечили достаточно широкое распространение электромагнитных расходомеров, несмотря на их относительную конструктивную сложность и необходимость тщательного каждодневного технического ухода (подрегулировка нуля, поднастройка и т.п.).

Следует иметь в виду, что повышение точности измерения расходомеров с поперечным магнитным полем ограниченно по ряду причин. В первую очередь на точность измерения оказывает значительное влияние вид распределения скоростей потока в сечении трубопровода расходомера. Создание специального распределения магнитного поля приводит к значительному усложнению конструкции расходомера, увеличению габаритных размеров и повышению рыночной себестоимости устройства. Магнитная система расходомера должна иметь значительные размеры для исключения влияния концевых эффектов. Конструкция расходомера с поперечным полем должна быть выполнена с высокой точностью, так как такие дефекты как эллиптичность канала могут приводить к значительным погрешностям. Другим важным моментом является точность установки измерительных электродов, которая также определяет стабильность и точность показаний всего устройства. Такой принцип измерения требует применения специальных немагнитных токонепроводящих материалов для трубопровода расходомера.

Для больших диаметров труб разработаны расходомеры с электромагнитными преобразователями скорости. Они обладают высокими метрологическими характеристиками и малой стоимостью по сравнению с традиционными электромагнитными расходомерами, что становится заметнее по мере увеличения диаметра трубы, расход в которой измеряется; они не имеют подвижных механических частей, чем обуславливается высокая надежность прибора.

В трубопровод в месте нахождения средней скорости вводится пустотелый обтекатель, в котором размещены обмотки возбуждения магнитного поля и электроды. При использовании одного зонда измеряется локальная скорость потока в точке 0,777R₀, в которой скорость равна средней по сечению тубы. При использовании трех зондов скорость измеряется по методу «площадь-скорость-градиент» и достигаются меньшие показатели погрешности расходомера. Погрешность зондовых преобразований обычно находится в пределах ±(1,5-4,0) %.

Измерения жидкости в реальных производственных условиях сложны и имеет много нюансов, отработка методике и навыков работы с приборами учета и расхода воды лучше проводить на лабораторных стендах. Поэтому мы изготовили негабаритную проливную установку, для отработке методике и навков работы с приборами учета и расхода воды.

7. Проливные расходомерные установки для поверки расходомеров и счетчиков воды и иных жидкостей

В различных отраслях промышленности возникает необходимость в измерении расхода воды и иных жидкостей. Номенклатура применяемых приборов учета объемного расхода жидкостей достаточно велика как за счет освоения производства расходомеров отечественными производителями, так и за счет поставок из-за рубежа. Предприятия - производители выпускают приборы самых разных типов и по принципу действия, и по метрологическим характеристикам, и по надежности, и по функциональным возможностям, и по стоимости.

Одна из проблем, возникающих при эксплуатации технологических расходомеров - проведение периодической поверки для подтверждения характеристик приборов требованиям установленных норм точности. Метрологическая база для обслуживания расходомеров в регионах чаще всего отсутствует или морально и физически устарела и требует совершенствования. Существующие поверочные установки имеют низкий класс точности, невысокую производительность, не всегда позволяют провести поверку приборов, предназначенных для использования в составе информационно-измерительных систем.

При большом количестве приборов различных типов их поверка становится настолько трудоемкой, что неизбежно возникает вопрос о повышении эффективности поверочных работ и обеспечении достоверности результатов поверки. Исходя из этого в последние годы рядом предприятий организовано производство проливных установок с различным уровнем автоматизации. В процессе эксплуатации таких установок неизбежно возникают вопросы, связанные с конструкцией установки, ее применимостью для поверки самых различных типов приборов.

Проливная установка - устройство (эталон), предназначенное для поверки и регулировки счетчиков жидкости. По принципу действия установки могут быть объемные и объемно-весовые, по назначению - производственные и сервисные. Как любое средство измерения, проливная установка должна иметь сертификат, должна быть внесена в Госреестр средств измерений (как серийное или единичное изделие), иметь действующее свидетельство о поверке. Общие требования к проливным установках определены в работах:

1) универсальность. Большая номенклатура эксплуатируемых расходомеров приводит к необходимости контролировать следующие типы выходных сигналов: 0-10 В, 0(4)-5 (20) мА, 0-20000 Гц, RS 232 (485), «сухой контакт», «звездочка»; должна быть предусмотрена возможность визуального снятия показаний с счетчиков старых серий и ручной ввод их с клавиатуры компьютера; режимы «старт-стоп»;

2) оптимальный уровень автоматизации. Ручные операции должны быть сведены к установке первичного датчика на рабочий стол, подключению его выходных цепей к входным цепям установки;

3) для исключения несанкционированного вмешательства в работу требуется создание различных уровней доступа к программному обеспечению установки - наличие паролей изготовителя, поверителя;

4) в целях обеспечения безопасности персонала необходимо предусмотреть устройства для сигнализации об аварийных ситуациях, наличие устройств защитного отключения;

5) металлоконструкции установок следует выполнять из коррозионностойких материалов. Это требование обусловлено наличием в датчиках проверяемых расходомеров остатков технологических жидкостей, приводящих к ускоренной коррозии металлоконструкций установки;

6) в установках должны быть предусмотрена встроенная постоянно действующая система водоочистки для устранения из воды различных примесей;

7) применение экономичных малошумящих циркуляционных насосов. Использование насосов общепромышленного исполнения недопустимо из-за создаваемого ими высокого уровня шума и вибрации, недопустимых в поверочных лабораториях;

8) применение эталонных приборов высокого класса точности;

9) использование преобразователей частоты со встроенными фильтрами радиопомех и сетевыми дросселями для минимизации влияния электромагнитных помех на поверяемые приборы и элементы поверочной установки. Применение преобразователей частоты позволяет также решить еще одну проблему - исключить пульсации расхода жидкости, генерируемые насосами;

10) должна быть предусмотрена поверка всех встроенных эталонных средств измерений без их демонтажа с мест эксплуатации;

11) широкое распространение массовых расходомеров класса точности 0,15 % требует, чтобы класс точности установок был не хуже 0,05 %;

12) наиболее целесообразно иметь два способа поверки - объемный и массовый. Массовый метод (статического взвешивания) позволяет добиться более высокого класса точности. Применение объемного метода поверки сличением показаний поверяемого и эталонного расходомера позволяет значительно уменьшить затраты времени на поверку, при этом для поверки самих эталонных расходомеров можно использовать встроенные в установку весы;

13) необходимо предусмотреть систему контроля наличия утечек воды из гидравлического тракта;

14) возможность обеспечения в гидравлическом тракте установки давления, предусмотренного методиками поверки на проливаемые расходомеры;

15) система деаэрации должна обеспечивать отделение воздуха, его удаление из гидравлического тракта;

16) установки должны быть блочными (изготовлены в заводских условиях) и транспортабельны для обеспечения возможности перевозки к заказчику любым видом транспорта;

17) важным требованием является компактность установки для исключения значительных затрат на строительство новых помещений;

18) кроме необходимых технических характеристик проливная установка должна иметь современный дизайн и обеспечивать персоналу комфортные условия для работы.

Рис.1. Установка ВПУ с одним рабочим столом.

Установки предназначены для настройки, градуировки, калибровки, юстировки, поверки и других работ по определению метрологических и технических характеристик расходомеров, расходомеров-счетчиков жидкости, преобразователей расхода различного назначения.

Рис.2. Установка ВПУ с двумя рабочими столами.

Многолетний опыт работ позволил создать унифицированные установки для поверки приборов самых различных конструкций - по строительным длинам первичных преобразователей приборов; - по требованиям к прямым участкам при выполнении поверочных работ; - по конструкции присоединителей (фланец, сэндвич, резьба); - по количеству и величинам поверочных расходов; - по объемам проливаемой жидкости на каждом поверочном расходе; - по количеству проливок на каждом поверочном расходе; - по типам выходных сигналов поверяемых расходомеров; - по алгоритмам обработки результатов проливок.

В качестве первоначальной информации для составления проекта технического задания необходимо иметь данные о парке приборов, которые планируются к поверке: - типы приборов; - типоразмеры (диаметры условного прохода, в мм); - паспортные диапазоны расходов (минимальный и максимальный, в м3/ч); - паспортные погрешности приборов; - типы присоединений приборов (фланцы, сэндвич, резьба); - особые требования, предъявляемые к поверке приборов (увеличенные длины прямых участков, повышенное давление в измерительном тракте) и др. Для «привязки» к существующему помещению необходимы данные о помещении, в котором предполагается размещение установки: - длина, ширина, высота, габариты оконных и дверных проемов.

Размещено на Allbest.ru