Прилади для вимірювання витрати

Размещено на http: //www. allbest. ru/

1. ПРИЛАДИ ДЛЯ ВИМІРЮВАННЯ ВИТРАТИ

1.1 Одиниці вимірювання витрати. Класифікація приладів

Вимірювання параметрів рідких та газоподібних речовин широко застосовують у різних галузях народного господарства, зокрема, в нафтодобувній промисловості, в нафтопереробних та нафтогазотранспортних системах, харчовій промисловості. Без правильного визначення витрат компонентів неможливо провести якісні технологічні процеси в хімічній, енергетичній, целюлозній та інших галузях промисловості.

Вимірювання витрат становлять понад 15 % від усіх промислових вимірювань. Похибки вимірювань витрат в промислових умовах становлять 1...2 %, хоча в окремих галузях спостерігається тенденція її зменшення до рівня 0,2...0,5 %.

Діапазон вимірювань витрат рідин можна розділити на три піддіапазони: малі витрати - до 1510-4 м3/с, середні витрати - 1510-4 м3/с ...0,5 м3/с та великі витрати - понад 0,5 м3/с.

Існує велике різноманіття методів вимірювань та конструктивних різновидів витратомірів і лічильників. Найпоширенішими є витратоміри змінного перепаду тисків з звуженими пристроями, постійного перепаду тиску з перетворенням витрат в силу або переміщення, тахометричні, теплові, індукційні витратоміри

Витратою називається кількість газу або рідини, що протікає через поперечний переріз трубопроводу за одиницю часу.

В СІ витрата може бути об'ємна Q, що виражається в м3/с, або масова М, що виражається в кг/с. Позасистемною одиницею вимірювання витрати є літр за секунду (л/с).

Масова і об'ємна витрати пов'язані між собою залежністю

М=Qс,

де с - щільність газу або рідини.

Середньою швидкістю потоку називається відношення об'ємної витрати до площі поперечного перерізу потоку:

vcp=Q/S,

де Q - об'ємна витрата газу (рідини), S - площа поперечного перерізу потоку.

Фізично vcp представляє собою постійну у всіх точках перерізу величину швидкості потоку, проте, внаслідок впливу сил в'язкості швидкість по перерізу потоку розподіляється нерівномірно. Максимальну швидкість має потік в центрі перерізу. При віддалені від центру швидкість потоку зменшується до нуля біля стінок труби.

Потоки діляться на стаціонарні і нестаціонарні, ламінарні (безвихрові) і турбулентні (вихрові). У стаціонарному потоці середня швидкість і витрата рідини в перерізі потоку не змінюються у часі. Якщо середня швидкість і витрата рідини в перерізі потоку змінюються у часі, то такий потік називається нестаціонарний.

Витратоміри, які застосовуються для вимірювання витрати рідин і газів, діляться на такі типи:

- тахометричні лічильники, що працюють за принципом вимірювання частоти обертання частин приладу, що знаходиться у вимірюваному середовищі,

- витратоміри постійного перепаду тиску, які вимірюють робочим тілом (поплавцем) гідродинамічний тиск середовища,

- витратоміри змінного перепаду тиску, що вимірюють перепад тиску на пристроях, які встановлені в вимірювальному потоці,

- індукційні витратоміри, що працюють на принципі вимірювання електрорушійної сили (е.р.с.), індукованої у магнітному полі при протіканні потоку рідини,

- ультразвукові витратоміри, що працюють на принципі вимірювання швидкості поширення ультразвуку у вимірювальному потоці.

Крім даних типів витратомірів впроваджуються нові типи витратомірів: масові турбовитратоміри і витратоміри, які працюють на принципі ядерно_магнітного резонансу.

1.2 Об'ємні методи вимірювання витрат

Об'ємні методи основані на принципі послідовного додавання порцій досліджуваного потоку рідини чи газу, що проходить через вимірювальні камери, або на обертанні чутливого елемента (пробірки) під дією струменя досліджуваного середовища. Останній різновид об'ємного методу ще називається тахометричним.

За першим принципом будують об'ємні лічильники першої дії, зокрема лічильники з овальними шестернями та ротаційні лічильники, за другим - турбінні (без вимірювальних камер).

Рис. 1 Об'ємні лічильники

Лічильник з овальними шестернями (рис. а) має вимірювальну камеру, в котрій знаходяться дві овальні шестерні, котрі обкочують одна одну в зустрічних напрямках, оскільки мають зубчасте зачеплення. Крутний момент, що діє на шестерні, виникає під дією різниці тисків до та після вимірювальної камери через овальну форму шестерні. З кожним обертом шестерень переміщується певний об'єм досліджуваного середовища. Згадані лічильники - швидкодіючі. При певних конструктивних розмірах вони дають змогу вимірювати значні об'ємні витрати. А враховуючи специфіку роботи таких витратомірів, можна без особливих ускладнень формувати вихідні сигнали у вигляді імпульсів, пропорційних до об'ємних витрат, струмових та частотних сигналів, що можуть бути використані як для дистанційної передачі вимірювальної інформації, так і в системах контролю та регулювання витрат у технологічних установках.

У зв'язку з високою точністю (основна похибка 0,5 %) у широкому діапазоні вимірювальних витрат, незалежністю показів від в'язкості досліджуваного середовища, малими витратами тиску, значним крутним моментом та довговічністю лічильники з овальними шестернями широко застосовуються як побутові витратоміри рідин та газів, а також як первинні перетворювачі в системах управління та регулювання параметрів технологічних процесів.

Недоліком таких лічильників є високий рівень акустичного шуму, чутливість до забруднення досліджуваної речовини, що зумовлює необхідність її фільтрації.

Основними елементами роторного лічильника є два гладкі ротори у формі вісімки, які обкочують один одного в камері з перерізом неповних кіл (рис. б). Ротори з'єднані шестеренчастим редуктором, залитим оливою, з лічильником обертів. Оскільки проміжок між поверхнями роторів не перевищує 0,1 мм, то при обертанні, яке викликане досліджуваним потоком газу, ротори не торкаються.

Роторні лічильники використовують переважно для встановлення на магістральних газопроводах та для вимірювань витрат дорогих газів, їх застосовування доцільне при низькому тиску газу та вимогах порівняно високої точності. Похибка, що не перевищує 1 %, може бути досягнена при врахуванні реальних параметрів досліджуваного газу (температури, тиску, вологості) та безперервній корекції показів відповідно до значення названих параметрів.

У розглянених вище об'ємних лічильниках кожному повороту чутливого елемента відповідає точно обмежений об'єм досліджуваного середовища. В лічильниках, які будуть розглянуті нижче, як чутливий елемент використовується турбінка з лопатками, яка обертається під дією досліджуваного потоку, а кількість її обертів пропорційна об'ємним витратам.

Турбінні витратоміри (лічильники) бувають двох типів: з аксіальною турбінкою, вісь якої збігається з напрямком досліджуваного потоку і з'єднана передачею з лічильником обертів, і з вертикальною турбінкою - вісь якої безпосередньо зв'язана з лічильником обертів (рис.).

Рис. 2 Турбінні лічильники

Принцип дії лічильників приведених типів заснований на вимірюванні швидкості обертання турбінки під дією досліджуваного потоку. Для безперебійної їх роботи необхідна відсутність завихрень у потоці, що надходить на турбінку. Для цього використовують спеціальні випрямлячі струменя досліджуваної речовини, виконані у вигляді набору трубок або взаємоперпендикулярних схрещених пластин і вмонтованих по перерізу трубопроводу перед турбінкою та після неї.

Турбінні лічильники з механічним лічильним механізмом застосовують переважно для вимірювання витрат гарячої та холодної води і встановлюють на трубопроводах з приєднувальними розмірами понад 50 см.

При вимірюванні малих витрат турбінними лічильниками з механічною передачею вимірювальної інформації виникнуть значні похибки, викликані механічним тертям. Ці похибки значно менші в індуктивних лічильниках турбінного типу. Одним з різновидів таких лічильників є лічильник з корпусом із неферомагнітного матеріалу, а в одну з лопаток турбіни вмонтований постійний магніт. При обертанні турбінки магніт індукує у вимірювальній обмотці, розміщеній у зовнішній частині корпуса, імпульси напруги, частота яких пропорційна кількості обертів турбінки.

В іншому конструктивному варіанті пару чи декілька пар лопаток і маточину турбінки виготовляють із феромагнітного матеріалу, а на зовнішній частині корпуса розміщають один чи декілька сильних магнітів з індукційними котушками. При обертанні турбінки під дією досліджуваного потоку рідини змінюється повітряний проміжок магнітного контуру, а отже, і магнітний потік. Зміна магнітного потоку наводить в обмотках змінну напругу, частота якої пропорційна кількості обертів турбінки, а також витратам.

Тахометричні (турбінні) витратоміри відносяться до найбільш точних приладів для вимірювання витрати рідини. Похибка цих приладів складає 0,5_1,0%. До переваг приладів даного типу можна віднести простоту конструкції, високу чутливість, можливість вимірювання великих і малих витрат. Істотними недоліками таких приладів є зношування опор і необхідність індивідуальної градуйовки за допомогою градуйованих витратомірних установок.

До основних елементів приладу відноситься тахометричний датчик (ротор) і відліковий пристрій. Принцип дії приладу заснований на підсумовуванні за визначений період часу числа обертів ротора, який знаходиться у вимірювальному середовищі, частота якого пропорційна середній швидкості рідини, що протікає, тобто її витраті. Лічильний механізм витратоміра з'єднаний за допомогою редуктора з тахометричним ротором. По лічильному пристрою визначається значення витрати.

Витратоміри (швидкісні лічильники рідини) характеризуються нижньою і верхньою межами вимірювання і номінальною витратою. Нижня межа вимірювання є мінімальною витратою, при якій прилад здатний вимірювати з допустимою похибкою. Верхня межа вимірювання є максимальною витратою, при якій забезпечується короткочасна робота лічильника (не більше однієї години на добу). Номінальна витрата є максимальна тривала витрата, при якій забезпечується допустима похибка, а втрата тиску не створює зусиль, що призводять до швидкого зносу деталей, які труться.

Рис. 3 Лічильник води турбінний ВТ

Найбільш поширеними типами таких лічильників є лічильники типів ВК, УВТ і витратоміри бензину, толуолу й ацетону типу ЩЖУ. На рис. 1 зображено лічильник води турбінний ВТ із горизонтальною турбіною. Потік рідини при вході в прилад вирівнюється випрямлячем струменя 1 і направляється на лопатки турбіни 4. Черв'ячною парою 5 і передавальним механізмом 2 обертання турбіни передається на лічильний пристрій 3.

Для вимірювання витрат очищених газів застосовують ротаційні об'ємні газові лічильники типу РГ (рис. 2), що працюють при температурі газу у межах 0--50°С і тиску до 100кПа (1кгс/см2). Найменша витрата, що вимірюється лічильником, складає 10% від номінальної витрати. Лічильник складається з корпуса, дволопосних роторів, передавального і лічильного механізмів. Під дією різниці тисків газу на вході і виході приладу ротори 2 приводяться в обертання.

Рис. 4 Газовий лічильник РГ: а - схема; б - загальний вигляд; 1 - корпус; 2 - ротори

Принцип дії об'ємних ротаційних лічильників заснований на підсумовуванні одиничних об'ємів газу Vо, витиснутих роторами з вимірювальної камери приладу за визначений період часу. За один оборот два ротори витісняють об'єм газу Vо. Частота обертання N роторів за визначений період часу фіксується лічильним механізмом. Отже, формула для вимірювання обсягу газу V, що пройшов через прилад, буде мати вигляд

V=VоN.

Газові лічильники типу РГ в залежності від модифікації випускають на витрати 40, 100, 250, 400, 600 і 1000 м3/год. Похибка показань у межах 10-100% номінальної витрати складає ±2%.

Для точного вимірювання малих витрат газів і перевірки приладів обтікання застосовуються барабанні газові лічильники типу ГЛБ (рис. 3).

Рис. 5 Барабанний газовий лічильник ГЛБ

Основними елементами лічильника є барабан 1 із чотирма рівними вимірювальними камерами і лічильним механізмом 2. Металевий барабан занурений у рідину 3. Під дією різниці тисків газу на вході і виході лічильника барабан обертається, при цьому газ витісняється рідиною з камер барабана. Повний обсяг барабана дорівнює сумарному обсягу всіх чотирьох камер. За допомогою лічильного механізму визначається витрата газу. Барабанні лічильники мають похибку ±(0,2-1)%. Необхідними умовами правильної роботи лічильника є: точно визначена висота рівня рідини, повна горизонтальність приладу по встановленому рівню.

1.3 Прилади постійного перепаду

Витратоміри обтікання, що відносяться до витратомірів постійного перепаду тиску, знайшли широке застосування у вимірюванні витрат газів і рідин.

Назва приладів (витратоміри обтікання) пов'язане з тим, що робоче середовище (газ або рідина) обтікає чутливий елемент приладу - поплавок.

Витратоміри обтікання мають: високу чутливість, малу вартість, незначні втрати тиску, простоту конструкції й експлуатації, можливість використання при вимірюванні агресивних рідин і газів, а також у тих випадках, коли неможливо використовувати інші прилади вимірювання витрат.

Серед витратомірів сталого перепаду тиску для вимірювань малих витрат рідини (0,01....16м3/г) та газів (0,01...40м3/г) у вертикальних трубопроводах найпоширенішими є так звані ротаметри. Ротаметр (рис. а) - це вертикальна труба 1 конічного перерізу з розміщеним в ній поплавком 2. Поплавок звичайно має циліндричну форму з нижньою конічною частиною та верхнім бортиком з вирізаними в ньому скісними рівчаками. При протіканні через ці рівчаки досліджуваної рідини остання забезпечує обертання поплавка і його центрування по осі трубопроводу, що усуває її тертя до стінок труби. Під дією струменя досліджуваної рідини поплавок буде підніматися вгору. В міру підняття поплавка площа Sb кільцевого проміжку між ним і внутрішньою поверхнею труби збільшуватиметься до положення, при якому підйомна сила, що діє на поплавок, урівноважиться силою тяжіння поплавка.

Отже, певним витратам відповідатиме певна площа Sb, кільцевого проміжку, тобто певна висота поплавка.



Рис. 6 До принципу дії ротаметрів

Витрати однозначно визначатимуться площею струменя досліджуваного середовища в перерізі В-В і, відповідно, висотою підняття поплавка.

Найбільш поширеним типом такого витратоміра є ротаметр (рис. 4), що має конічної форми трубку 2 і поплавок 1. Шкала скляних ротаметрів має 100 поділок, а ротаметри з електричним і пневматичним вихідним сигналом мають додатково вторинні прилади для визначення витрат.

У залежності від меж вимірювань поплавок виготовляють з ебоніту, дюралюмінію або нержавіючої сталі. По типу поплавок виготовляється суцільним або полегшеним. Поплавок має нижню конічну частину, середню циліндричну і верхню зі скошеним бортиком і направляючими канавками, що служать для надання обертального руху поплавку, що центрує його в потоці, який вимірюється.



Рис. 7 Ротаметр а - загальний вигляд; б - статична характеристика приладу

Принцип дії ротаметрів полягає в тому, що гідродинамічний тиск, вимірювального потоку впливає знизу на поплавок і викликає його вертикальне переміщення. Під дією переміщення поплавка через конусну трубку змінюється площа перерізу між поплавком і трубкою, а перепад тиску по обох сторонах поплавка залишається сталим. Тому такі прилади називають витратомірами постійного перепаду тисків.

У сталому режимі при визначеній витраті маса поплавка врівноважується динамічним тиском потоку. Поплавок при цьому займає відповідне положення відносно скляної трубки.

Кожний ротаметр має паспорт, у якому дається градуйована крива, що показує залежність витрат від положення поплавка. Як правило, ротаметри тарують по воді або повітрі. При використанні приладів для визначення витрати інших рідин і газів у градуйовану криву вносять корегуючий коефіцієнт, який враховує щільність вимірювального газу або рідини.

В даний час випускають скляні ротаметри РМ, ротаметри з пневматичною передачею результатів РПД і ротаметри з електричною передачею результатів РЕД. У залежності від витрат, що вимірюються ротаметри мають ряд модифікацій.

Для вимірювань витрат середовищ, що знаходяться під високим тиском, використовують ротаметри з металевою конічною трубкою. Такі ротаметри звичайно мають диференціально-трансформаторні або пневматичні вторинні перетворювачі, їх класи точності 1,5 та 2,5.

Ротаметри з дистанційною передачею показань типу РЕД мають диференційно-трансформаторну котушку, плунжер якої з'єднаний з поплавком ротаметра.

Ротаметри з пневмовиходом типу РПД мають пневмоперетворювач із стандартним вихідним пневматичним сигналом, що у залежності від витрати газу або рідини, що вимірюється, формує пневмосигнал від 20 до 100кПа (0,2-1,0кгс/см2).

Тарировку ротаметрів на заводі виконують при температурі 20°С і тиску 100 кПа (760 мм рт. ст.).

Корпус ротаметра складається з двох частин, які з'єднані між собою стяжними стійками. Знизу і зверху прилад має фланці для установки в технологічні трубопроводи. Деталі приладу, що контактують з робочим середовищем, виготовляють із нержавіючої сталі.

Ротаметри всіх типів і модифікацій встановлюють у вертикальних ділянках трубопроводів при напрямку потоку знизу вверх. Робочий тиск вимірювального середовища в залежності від типу приладу складає: 0.6; 1.6; 6.4 МПа (6, 16 і 64 кгс/см2).

1.4 Прилади змінного перепаду

Для автоматичного вимірювання витрат пару, газів і рідин використовують різноманітні типи витратомірів змінного перепаду. Принцип дії таких приладів, заснований на вимірювані перепаду тиску, який утворюється в результаті зміни швидкості потоку при проходженні вимірювального потоку через спеціальний пристрій.

Принцип роботи приладів змінного тиску пояснюється на рис.5. При протіканні рідини або газу через пристрій, що звужує і який має площу поперечного перерізу, яка значно менша за площу трубопроводу, частина потенціальної енергії тиску переходить у кінетичну енергію, при цьому середня швидкість потоку після звужуючого пристрою підвищується, а тиск зменшується. У такий спосіб при протіканні газу або рідини утвориться різниця тисків до і після пристрою, що звужує. Різниця цих тисків (перепад тисків) залежить від швидкості (витрати) речовини, що протікає. Величина тиску Р1 більша за величину тиску Р2 і умовно позначається знаком „+” - додатній тиск, відповідно Р2 знаком „-” - від'ємний тиск.

Рис. 5 Вимірювання витрат за допомогою звужуючого пристрою

Розмір перепаду тисків вимірюється спеціальними пристроями, які називаються диференціальними манометрами.

При проходженні реальних середовищ, що вимірюються через пристрій, що звужує, додатково виникають такі фізичні явища, як втрата тиску на в'язке тертя, зміна щільності й ін., що відповідним чином враховують при розрахунках пристроїв, що звужують.

До стандартних пристроїв, що звужують, відносяться діафрагми, сопла і трубки Вентурі. Найбільше поширеним типом пристроїв, що звужують, є діафрагми дискового нормального типу ДДН і діафрагми камерні нормального типу ДКН.

Нормальна діафрагма являє собою круглий металевий диск із центральним концентричним отвором, діаметр якого точно відповідає виконаному розрахунку стандартного пристрою, що звужує. Діафрагма повинна мати гострі прямокутні краї зі сторони входу вимірювального потоку рідини або газу. Максимально допустима похибка виготовлення внутрішнього діаметру діафрагми в залежності від розрахункових даних складає ± (0,001-0,005) мм.

Діафрагми встановлюють на прямолінійній горизонтальній або вертикальній ділянці трубопроводу для створення ламінарного потоку в вимірювальному середовищі. В залежності від схеми технологічних трубопроводів визначають прямі ділянки до і після діафрагми. Орієнтовно довжина прямої ділянки повинна складати: до діафрагми - не менше 10 діаметрів трубопроводу, після діафрагми - не менше 5 діаметрів трубопроводу. Для вимірюванні витрат рідини, патрубки для підключення манометрів встановлюють збоку перпендикулярно осі трубопроводу для запобігання похибки вимірювання від повітряних «подушок». В якості матеріалу діафрагм частіше використовують нержавіючу сталь марки Х18Н9Т, стійку в умовах агресивних середовищ.

Щоб уникнути додаткової похибки вимірювання перепаду тисків центр отвору діафрагми повинний точно лежати на осі трубопроводу. Таким чином, для вимірювання витрати приладами змінного перепаду тисків необхідно мати:

-звужуючий пристрій для створення перепаду тисків в потоці, що вимірюється;

-первинний датчик-дифференціальний манометр, що вимірює перепад на звужуючому пристрої, імпульсні сполучні лінії, що з'єднують звужуючий пристрій із диференціальним манометром, вторинний вимірювальний прилад.

Всі дифманометри змінного перепаду для вимірювання витрати мають нерівномірну (квадратичну) шкалу, у зв'язку з існуючою квадратичною залежністю між перепадом тисків і витрат:

,

де Q - об'ємна витрата, - коефіцієнт, що враховує відношення діаметрів трубопроводу й звужуючого пристрою і ступінь стискання потоку, - коефіцієнт, що враховує зміну щільності потоку при проходженні через звужуючий пристрій, - щільність газу або рідини, P1-P2 - перепад тисків на діафрагмі, F0 - площа внутрішнього отвору звужуючого пристрою.

1.5 Диференціальні витратоміри

Найбільш поширеними витратомірами змінного перепаду тисків є диференціальні манометри наступних типів: поплавкові, сильфоні, мембранні, дзвонові, пневматичні.

Поплавкові дифманометри працюють на принципі сполучених судин різних діаметрів. Під дією перепаду тиску, підведеного до обох судин, змінюється рівень рідини в дифманометрі, що викликає переміщення поплавка, який знаходиться в одному із судин.

Дві судини сполучені між собою трубкою і наповнені ртуттю. При рівності тисків в обох судинах (Р1 - Р2) висоти ртутних стовпів однакові.

У загальному виді залежність рівня ртуті в посудині від вхідного тиску визначається виразом:

H=P, (1)

де H-- висота рівня ртуті, - питома вага ртуті, Р - вхідний тиск; тоді з умов рівноваги стовпів ртуті в сполучених посудинах можна записати :

P1 - P2 =( H1 + H2)( - 1) , (2)

де - питома вага ртуті, 1 - питома вага речовини, що знаходиться над ртуттю.

Позначимо перепад тисків і висоту стовпа :

P1 - P2 =P, H1 + H2=H , (3)

перетворивши рівняння (2), маємо:

P=H( - 1). (4)

Об'єм ртуті в посудинах за умови рівноваги системи визначається, як:

, (5)

де D1 та D2 - діаметри посудин.

Визначивши з рівняння (5) величину Н2, і підставивши її в рівняння (3), маємо:

. (6)

Підставивши значення Н з рівняння (6) у рівняння (4) одержимо:

. (7)

Виходячи з цього, відношення діаметрів D1 і D2 для визначеного приладу стале:

,

різниця питомих ваг ( - 1) для даного приладу постійна, Тому позначаємо ( - 1)=К2. Тоді рівняння (6) приймає вигляд

Р=К1 К2Н1,

тобто величина перепаду тиску Р визначається зміною рівня ртуті Н1 в першій посудині, що показує принцип дії поплавкових диференціальних манометрів.

Рис. 6 Поплавковий витратомір ДПЕМ-2 : а - загальний вид; б - схема перетворювача

На рис. 6 показаний безшкальний дифманометр ДПЕМ-2. Прилад має вимірювальну систему і електричний датчик. Камери 1 і 2 сполучені між собою і залиті мастилом. В камері 2 встановлений поплавець 3, що плаває на поверхні мастила. З поплавцем 3 сполучений плунжер 5, що знаходиться в індукційній котушці 4 електричного датчика. При зміні перепаду тисків змінюється рівень мастила, поплавець переміщується вверх або вниз, пересуваючи в тому ж напрямку і плунжер. Електричний датчик (рис. 6) має первинну обмотку 1, що живиться змінним струмом від силового трансформатора електронного підсилювача вторинного приладу, і вторинну обмотку 2, що складається з двох секцій, включених назустріч одна одній. Під дією магнітного потоку первинної обмотки в вторинній обмотці датчика індукується змінна напруга, розмір і фаза якої залежать тільки від положення плунжера в котушці. Індуктивна змінна напруга подається на електронний підсилювач вторинного приладу, який визначає дійсні витрати середовища, яке вимірюється. Таким чином, кожному положенню плунжера датчика, яке залежить від величини перепаду тиску, відповідає конкретне положення стрілки витратоміра.

Основними типами поплавкових дифманометрів є: прилади типу ДП (ДП-780, ДПМ-780), самописні прилади типу ДПМ (ДПМ-710, ДПМ-710Р та ін.) із дистанційною передачею показань типу ДПЕС.

Сильфоні і мембранні дифманометри, що мають невелику інерційність і практично необмежену верхню межу вимірювання, відносяться до пружинних дифманометрів. Чутливими елементами таких дифманометрів, що сприймають перепад тисків, є сильфони і мембрани.

Принцип дії сильфоного дифманометра заснований на зрівноважені перепаду тиску, що вимірюється силами пружних деформацій сильфонів (рис. 7).



Рис. 7 Сильфонний дифманометр

Тиск Р1 подається в корпус 4, а менший тиск Р2 - усередину сильфона 3. Під дією перепаду тисків сильфон деформується, при цьому перепад тисків врівноважується силою пружної деформації сильфона і гвинтової пружини 2. Деформація сильфона, що є функцією перепаду тисків через підйомний механізм 1 перетворюється в переміщення стрілки 5 вимірювального приладу.

У промислових приладах типу ДС-1У сильфоний блок подібний описаному, але вісь 1 пов'язана з плунжером, що переміщується відносно індукційної котушки, включеної разом із котушкою вторинного приладу в індукційну диференційно-трансформаторну вимірювальну схему.

Для створення протидіючої сили сильфони доповнюються гвинтовими пружинами. Практичні схеми дифманометрів мають сильфоні блоки з двох сильфонів, сполучених між собою регульованим дроселем--демпфером.

Основними типами сильфонних дифманометрів є: безшкальні прилади типу ДС (ДС-ПЗ, ДС-П4, ДС-П5), дифманометри сильфоні показові типу ДСП (ДСП-780, ДСП-778), дифманометри сильфонні самописного типу ДСС (ДСС-710, ДСС-712, ДСС-732). Робочий діапазон перепадів тиску різних типів сильфонних дифманометрів складає від 40 до 0,63 МПа (400-6,3 кгс/см2).



Рис. 8 Мембранний дифманометр ДМ

Мембранні дифманометри типу ДМ (рис. 8) в якості чутливого елемента використовують мембранний блок, що складається з двох сполучених між собою мембранних коробок 7 і 8. Кожна мембранна коробка зібрана з двох мембран, усередині яких знаходиться дистильована вода. Перепад тиску від пристрою, що звужує, у камери підводиться через імпульсні трубки 6 і 9, на яких установлені запірні вентилі 1 і 3; вентиль 2 використовується для зрівноваження тисків. У робочому стані в дифманометру вентиль 2 знаходиться в закритому стані. З центром верхньої мембрани закріплено осердя 4 диференційно-трансформаторного датчика.

Диференційно-трансформаторний датчик представляє собою індукційну котушку 5 із двох обмоток, всередині якої розміщене осердя 4 із м'якої сталі. Первинна обмотка датчика живиться напругою від вторинного електронного приладу. Під дією різниці тисків нижня мембранна коробка стискається, рідина перетікає у верхню коробку, коробка збільшується в об'ємі і переміщує вверх осердя 4. В результаті цього у вторинній обмотці індукційної котушки змінюється напруга і фаза вихідного сигналу. Вихідний сигнал реєструється вторинним електронним приладом - витратоміром.

Деформація мембран відбувається до моменту зрівноважування сил, викликаних перепадом тисків і пружних сил мембранних коробок. Мембранні коробки в залежності від робочого перепаду тисків мають визначену розрахункову жорсткість.

Кільцевий диференціальний манометр типу ДК-Ф (рис. 9) застосовується для вимірювання витрат і різниці тисків неагресивних газів і рідин. Відмінною рисою кільцевих дифманометрів є можливість їх використання при вимірюванні малих перепадів тисків. Чутливим елементом приладу є заповнене до половини висоти робочою рідиною (трансформаторним мастилом або водою) порожнисте рухливе кільце 3, яке встановлено на опорі 8. У верхній частині кільце розділене перегородкою 10 на два відсіки, в які від камери через імпульсні трубки 2 подається перепад тиску, що вимірюється. У нижній частині кільця укріплений вантаж - противага 6. Під дією перепаду тисків рідина, що є гідравлічним затвором, який розділяє плюсову і мінусову порожнини кільцевої камери, переміщується з камери з великим тиском (плюсову) у камеру з меншим тиском (мінусову). При цьому центр ваги кільця змінюється, відбувається його поворот на опорі 8 на визначений кут. Кут повороту кільця визначається рівністю моменту обертання Мвр, утворюваного перепадом тиску і протидіючого моменту Мпр вантажу - противаги 6;

Мвр=Мпр.

Рис. 9 Кільцевий дифманометр ДК-Ф

Передавальний механізм перетворює кутове переміщення кільця в переміщення стрілки приладу, що показує. У цілому ряді приладів, у тому числі й у приладі ДК-Ф, поворот кільця через передавальний механізм перетворюється в поворот рамок феродинамічних перетворювачів.

Прилади типів ДК, ДК-Ф мають високу точність вимірювання, їх показники не залежать від щільності робочої рідини і температури навколишнього середовища. Максимальний перепад тисків, що вимірюється складає 250 мм рт.ст.

1.6 Індукційні і ультразвукові витратоміри

Індукційні витратоміри мають незначну інерційність показників, що є значною перевагою при автоматичному регулюванні витрат. У датчиках таких витратомірів немає частин, що знаходяться усередині робочого трубопроводу, тому вони мають мінімальні гідравлічні втрати.

Принцип дії індукційного витратоміра (рис. 10) заснований на законі Фарадея - законі електромагнітної індукції. Якщо в трубопроводі 1 тече провідна рідина між полюсами магніту 2, то в напрямку, перпендикулярному напрямку рідини, і в напрямку основного магнітного потоку виникає е.р.с. на електродах 3, пропорційна швидкості руху рідини. Магнітне поле створюється джерелом живлення 6 електромагніта. Електронний підсилювач 4 посилює е.р.с., індуковану на електродах 8, що реєструє вторинний вимірювальний електронний прилад 5 витратоміра. Індукована е.р.с. у датчику на електродах 3 визначається рівнянням електромагнітної індукції:

E=-BDkvср ,

де В- магнітна індукція в зазорі полюсів магніту, D - внутрішній діаметр трубопроводу, k - коефіцієнт, що залежить від виду магнітного поля (постійного або змінного магнітного поля), vср- середня швидкість потоку рідини.

Рис. 10 Схема індукційного витратоміра

Дані витратоміри мають ряд недоліків : їм властиве утворення паразитних е.р.с. і явище поляризації електродів, при цьому змінюється опір датчика. Ці недоліки створюють істотні додаткові похибки, для зменшення яких вводять автоматичну компенсацію паразитних е.р.с., а електроди виготовляють платиновими, танталовими і вугільними.

Індукційні витратоміри дозволяють вимірювати витрати абразивних рідин і пульпи, лугів, кислот і інших агресивних середовищ у широкому діапазоні - від 1,25 до 400 м3/год. В даний час випускають індукційні витратоміри типів ІР-51, 4РІМ, 5РІМ. Прилади мають компенсацію трансформаторної е.р.с. У залежності від типів приладів основна похибка вимірювання не перевищує 1,0-1,6%.

Принцип дії ультразвукових витратомірів заснований на тому, що фактична швидкість поширення ультразвуку в середовищі газу, що рухається, або рідини дорівнює геометричній сумі середньої швидкості руху середовища і власної швидкості звуку в цьому середовищі.

Чутливим елементом датчика (випромінювача і приймача) є п'єзоелемент - прямокутна кварцова платівка з плоскопаралельними площинами, що має властивості прямого й оберненого п'єзоелектричного ефекту. Якщо до одних протилежних площин п'єзоелементу підключити напругу, то під дією електричного поля на двох інших протилежних площинах виникають механічні коливання. І навпаки, якщо на одних площинах збуджувати механічні коливання, то на протилежних виникає п'єзо-е.р.с. Ультразвуковий витратомір ИРУ-63 має датчик, електронний блок і прилад , що реєструє.

Принципова схема витратоміра (рис. 11) включає випромінювач В1, що створює ультразвукові коливання частотою від 20 кГц і вище, і приймач П1, що реєструє ці коливання, розташований від випромінювача на відстані L. Якщо С - швидкість звуку в середовищі, а v - швидкість потоку рідини, то тривалість поширення звукової хвилі по напрямку прямування потоку від випромінювача до приймача буде дорівнювати :

t1=L(C+v)

Тривалість поширення звукової хвилі проти руху потоку від В2 до П2:

t2=L/(C-v).

Різниця

Дt=t2-t1

вимірена електронним блоком, буде дорівнювати :

Дt=2Lv/[C2(1-v2/C2)].

Співвідношенням v2/C2 можна знехтувати, тому що для рідини С=1000-1500м/c, а v=68 м/с.

Виразимо швидкість потоку через витрату

v=Q/S

Одержимо рівняння вимірювання витрат ультразвуковим витратоміром:

Q=(SC2Дt)/(2Lk),

де S--площа перерізу потоку рідини, k - коефіцієнт, що враховує розподіл швидкостей у потоці, Q - витрата вимірювального потоку.



Рис. 11 Принцип дії ультразвукового витратоміра

До переваг приладів даного типу відносять: висока швидкодія, надійність датчиків (випромінювачів і приймачів), принципова можливість вимірювання витрат будь-яких рідин і газів, у тому числі і неелектропровідних.

1.7 Вторинні прилади для вимірювання витрати

Найбільш поширеними типами вторинних приладів для роботи з електричними індукційними диференційно-трансформаторними датчиками витратомірів є: автоматичні електронні прилади типів ДС1 і ДСР-1, мініатюрні прилади типів ДСМ2 і ДСМР2, які показують результат і самописні, а також автоматичні електронні прилади типу КСД.

Конструкція приладів типу КСД і КПД має підвищену надійність і побудована по блоко-модульному принципі, що дозволяє значно спростити експлуатацію і ремонт приладів.

В залежності від модифікації і типу, вторинний прилад може мати регулюючий і сигнальний пристрій, а також різноманітні перетворювачі для перетворення результату вимірювання в уніфікований вихідний сигнал для подальшого застосування в системах контролю і регулювання.

Основна похибка вторинних приладів різноманітних типів складає ±0,5-1%, живлення приладів проводиться від мережі 220 В, з частотою 50 Гц. У приладах використовується диференційно-трансформаторна вимірювальна схема.

Прилад типу КСД-3 із диференційно-трансформаторною вимірювальною схемою відноситься до приладів системи ДСП. Він може використовуватися для автоматичного контролю і регулювання неелектричних величин: тиску, рівня, напору, витрати і т.д. Прилад має стандартний вихідний сигнал 0-10 або 10-0-10мГ. Максимальне значення шкали приладу визначається за формулою :

Q=N10n,

де N - ряд чисел : 1; 1.25; 1.6; 2; 2.5; 3.25; 4.5; 6.3; 8.

1.8 Сигналізатори потоку і протоку

При відсутності мастила у системі змазки устаткування виникає «сухе» тертя обертаючих і тертьових частин, відбувається пошкодження деталей пристроїв, які рухаються. У кондиціонерах, калориферах і електронагрівачах при відсутності потоку повітря порушується тепловий режим, це призводить до перегрівання і виходу з ладу устаткування.

У зв'язку з цим, для захисту технологічного устаткування застосовують сигналізатори потоку і протоку.

Реле протоку типу РП (рис. 12) застосовують для контролю протоку рідин. При протіканні робочої рідини через прилад, клапан 5 під дією тиску рідини переміщується вверх, укріплений на клапані шток 3 за допомогою штовхача 2 переключає контакти мікроперемикача 1. Настроювання реле протоку на відповідне спрацьовування здійснюються переміщенням мікроперемикачів 1 із кронштейном щодо корпуса 4 реле.

Реле контролю змащування типу РКЗ (рис. 13) застосовується для контролю різниці тисків мастила, повітря, фреону і т.д. на вході і виході устаткування. Чутливими елементами приладу є два пов'язаних між собою сильфона, на які через спеціальні штуцера подаються контрольовані тиски.

При зниженні різниці тисків до розміру, установленого на шкалі приладу, за рахунок пружини, «діапазону настроювання», відбувається розмикання контактів сигнального устрою, а при підвищенні різниці тисків до встановленої межі відбувається зворотне переключення контактів у «замкнуте» положення .

Рис. 12 Реле РП



Рис. 13 реле контролю змащування РКЗ : 1 - штуцер; 2 - шкала; 3 - контакт

Основні висновки :

1. Ротаційні лічильники і прилади постійного перепаду тиску (ротаметри) у силу ряду переваг (простота експлуатації і конструкції, малої вартості) знайшли широке застосування в контролі і вимірюванні малих і середніх витрат газів і рідин. витратомір тиск сигналізатор лічильник

2. Для вимірювання витрат методом змінного перепаду тисків, у трубопровід установлюють спеціально розрахований звужуючий пристрій, що дозволяє штучно змінювати перепад тиску при зміні витрати.

3. Для використання витратомірів змінного перепаду необхідно мати діафрагму, диференціальний датчик і прилад, що реєструє (витратомір).

4. На точність вимірювання витратомірів змінного перепаду великий вплив має нещільне з'єднання імпульсних ліній діафрагми - датчик. Витік тиску на цих лініях не припускається.

Размещено на Аllbеst.ru

...