Средства измерения расхода

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Уфимский государственный нефтяной технический университет»

Кафедра «Автоматизация технологических процессов и производств»

Домашнее задание

По дисциплине: «Датчики физических величин»

Тема: «Средства измерения расхода»

Уфа 2020

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ВИХРЕВОЙ РАССХОДОМЕР

2. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ РАСХОДОМЕР

3. КОРИОЛИСОВЫЙ РАСХОДОМЕР

4. УЛЬТРАЗВУКОВОЙ РАСХОДОМЕР

5. РАСХОДОМЕР ПЕРЕПАДА ДАВЛЕНИЯ

6. СРАВНИТЕЛЬНАЯ ТАБЛИЦА ХАРАКТЕРИСТИК

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ВВЕДЕНИЕ

Расход - понятие, которое обозначает объем или массу жидкости (что именно - зависит от специфики технологического процесса), проходящей за единицу времени по трубопроводу. Объемный расход обычно используется при измерении газов или жидкостей. Массовый - при измерении паров или жидкостей, смешанных с сыпучими веществами.

Измерение расхода в единицах:

объемный расход жидкостей измеряется в л/сек. или м. куб./час

объемный расход газов - в м. куб./час (при давлении в 760 мм рт.ст. и температуре в 20С);

массовый расход - в кг/час, тонна/час.

Основные методы измерения расхода жидкостей и газов:

скоростной;

объемный;

индукционный;

дроссельный;

расход обтекания.

Основная суть объемного метода измерения состоит в том, что в единицу времени все отмеренные прибором жидкости/газы суммируются. Скоростной метод позволяет измерить, с какой скоростью движется жидкость по трубопроводу. Зная характеристики жидкости, параметры трубопровода и полученные в результате измерения данные позволяют рассчитать показатели расхода. Дроссельный метод измерения основан на создании искусственного перепада давления внутри трубы до и после прохождения жидкостью датчиков прибора.

Рассмотрим несколько приборов использующих разные методы измерения расхода.

1. ВИХРЕВОЙ РАССХОДОМЕР

Вихревой расходомер -- это стандартный расходомер, в основе работы которого лежит измерение скорости движения потока. Этим расходомерами можно измерять расход потока таких сред, как пар или газ с твердыми частицами во взвешенном состоянии. В конструкции вихревых расходомеров отсутствуют подшипники или двигающиеся рабочие детали, которые могут повреждаться из-за попадания твердых частиц.

Схема вихревого расходомера

Вихревое движение или движение с завихрениями возникает тогда, когда на пути движущегося потока помещают какой-либо объект. То, как часто формируются завихрения зависит непосредственно от скорости потока. Другими словами, чем выше скорость потока движущейся среды, тем больше количество завихрений, формирующихся за определенный промежуток времени.

Для того, чтобы получить завихрения, в центре расходомера помещают плохообтекаемый предмет, называемый турбулизатором потока. Форма типовых турбулизаторов потока обычно треугольная.

Поток обходит острые выступы турбулизатора, формируя завихрения. Область низкого давления, образующаяся в центре каждого завихрения, способствует дальнейшему созданию силового напряжения, воспринимаемого турбулизатором. До формирования первого завихрения давление по обе стороны турбулизатора одинаково, но в результате формирования завихрения с одной стороны турбулизатора образуется область низкого давления, а наличие областей низкого и высокого давления в месте установки турбулизатора приводит к появлению режима перепада давления. В результате режима перепада давления турбулизатор потока оказывается под воздействием силового напряжения то с одной, то с другой стороны, в соответствии с переменной последовательностью формирования завихрений. Другими словами, нагрузка или напряжение воспринимается турбулизатором потока то с одной, то, с другой стороны.

В вихревом расходомере имеются датчики, которые реагируют на это напряжение, считывая любое отклонение турбулизатора в результате воздействия завихрений. Выходной сигнал датчиков -- это сигнал небольшого напряжения, который представляет собой частоту формирования завихрений, чья величина прямо пропорциональна расходу потока. Сигнал напряжения передается на другое устройство со стрелкой или каким-либо другим визуальным индикатором, который выдает показания расхода потока жидкости, газа или пара, проходящих через расходомер.

Вихревой расходомер Yokogawa DigitalYEWFLO

Вихревые счетчики-расходомеры серии digitalYEWFLO -- это интеллектуальные датчики расхода, предназначенные для измерения объемного расхода жидкости, пара или газа.

Встроенное программное обеспечение digitalYEWFLO позволяет по введенным в память параметрам процесса пересчитать объемный расход в массовый или нормированный, а также вводить коррекцию по числу Рейнольдса в области малых расходов и поправку на сжимаемость газов.

DigitalYEWFLO по заказу поставляются в многопараметрическом варианте со встроенным в тело обтекания температурным датчиком Pt1000. Измеренная температура может быть использована как для коррекции расчета расхода, так и независимо выведена на дисплей и на верхний уровень.

2. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ РАСХОДОМЕР

Электромагнитный расходомер -- это измерительный прибор, работа которого основана на принципе электромагнитной индукции. В соответствии с принципом электромагнитной индукции при движении электрического проводника через магнитное поле под прямым углом (90°) к полю, в проводнике индуцируется напряжение. Для индукции напряжения необходимо наличие трех факторов: проводника, магнитного поля и перемещения проводника относительно магнитного поля. Чем больше относительное перемещение, тем выше полученное напряжение.

Схема электромагнитного расходомера

Электромагнитный расходомер работает только со средой, проводящей электрический ток. Для измерения расхода потока диэлектрических сред необходимо использовать расходомеры других типов.

Электромагнитный расходомер состоит из трубы с комплектом соленоидов, закрепленных на внешней поверхности трубы. Соленоиды используются для создания магнитного поля, необходимого для получения напряжения. В трубе также находятся два металлических столбика или электрода. Электродами заканчивается электрическая цепь между проводящей электрический ток средой и устройством, с помощью которого снимаются показания интенсивности возбужденного напряжения. Во избежание потери напряжения, труба электромагнитного расходомера покрыта диэлектрическим (непроводящим электрический ток) материалом.

По мере того, как среда, способная проводить электрический ток, движется через электромагнитный расходомер, она проходит сквозь магнитное поле, и в среде возбуждается напряжение. Проводящая электрический ток среда является тем проводником, который необходим для получения напряжения.

Движение среды-проводника через магнитное поле является тем относительным движением, которое необходимо для возбуждения напряжения. Это напряжение индуцируется в среде-проводнике и подается на электроды. По проводам, подсоединенным к электродам напряжение подается на устройство, которое измеряет интенсивность напряжения. Чем больше скорость или относительное движение среды-проводника, проходящей через электромагнитный расходомер, тем выше напряжение. Поэтому измерение величины этого напряжения является одним из способов измерения скорости движения среды. А затем величина, полученная в результате измерения скорости потока может быть преобразована в параметр расхода потока.

Электромагнитный расходомер Proline Promag P 200

Универсальное применение -- большое разнообразие смачиваемых материалов

Энергосберегающее измерение расхода -- благодаря полнопроходной конструкции отсутствует потеря давления

Не требует технического обслуживания -- нет движущихся частей

Удобное подключение устройства -- отдельный отсек с клеммами для подключения

Безопасность эксплуатации -- благодаря сенсорному дисплею и фоновой подсветке нет необходимости открывать устройство

Встроенная функция для самопроверки и диагностики -- технология Heartbeat

3. КОРИОЛИСОВЫЙ РАСХОДОМЕР

Расходомер Кориолиса -- прибор для измерения расхода, принцип действия которого основан на сдвиге фаз и прямом измерении того, сколько жидкости или газа перемещается по трубе в настоящий момент.

Данная технология измерения уникальна, так как это единственный способ измерить одновременно многочисленные технологические параметры в трубопроводе, такие как массовый расход, объемный расход, плотность, температура и даже вязкость.

Трубка расположена внутри каждого расходомера Кориолиса. Вибратор заставляет трубку постоянно вибрировать. При отсутствии потока, измерительная трубка вибрирует равномерно. Сенсоры, расположенные на входе и выходе с точностью определяют основное колебание. Как только жидкость начинает перемещаться по измерительной трубе, на имеющуюся вибрацию накладывается дополнительное колебание в результате инерции жидкости.

Схема расходомера Кориолиса

Вследствие эффекта Кориолиса вибрация трубки на входе и выходе отличается друг от друга. Высокочувствительный сенсор отмечает данное изменение в вибрации трубки в условиях времени и пространства. Подобное явление называется сдвигом фаз и прямым измерением того, сколько жидкости или газа перемещается по трубе в настоящий момент. Чем выше скорость потока и таким образом общий поток, тем больше вибрация измерительной трубки.

Применение принципа измерения при использовании расходомера Кориолиса на этом не заканчивается. Он также может быть использован для одновременного определения плотности потока жидкости. Для этого сенсоры также фиксируют частоту вибрации. Другими словами, учитывается частота движения трубки вперед и назад за 1 секунду. Трубка, заполненная водой, вибрирует чаще, чем трубка, заполненная медом, например, плотность которого намного выше. Таким образом, частота вибрации является прямым измерением плотности жидкости. И плотность, и расход определяются одновременно, но независимо друг от друга при вибрации трубки.

Кориолисовй рахсходомер Micro-Motion

Кориолисовые расходомеры и плотномеры Micro-Motion Серия F-200, Предназначены для прямого измерения массового расхода, плотности, температуры, вычисления объемного расхода жидкостей, газов и взвесей. Все измерения выполняются в реальном времени. Какого-либо дополнительного оборудования для измерений не требуется.

Кроме высокой точности и повторяемости результатов измерений, сенсоры кориолисовых расходомеров характеризуются низкой стоимостью эксплуатации. Сенсоры не накладывают особых требований по монтажу, не требуют прямолинейных участков или специального оборудования для формирования потока, в них нет движущихся деталей.

Преимущества кориолисового расходомера Micro Motion

Высокая чувствительность при компактном дизайне позволяет увеличить надежность технологического контроля. Для упрощения установки возможно использование новой 2-х проводной схемы питания по токовой петле. Возможность использования модуля беспроводной связи Wireless THUM™, PROFIBUS-DP и DeviceNet™ протоколов для повышения эксплуатационной гибкости

4. УЛЬТРАЗВУКОВОЙ РАСХОДОМЕР

Ультразвуковой расходомер -- это стандартный расходомер, основой работы которого является измерение скорости потока, а определение расхода потока движущейся среды в нем осуществляется с помощью акустических законов. Такие расходомеры могут быть использованы для измерения расхода потока сред, непроводящих электрический ток.

Звук возникает в результате вибраций, которые распространяются в виде волн. Для того, чтобы появился звук, необходимо учесть несколько моментов: источник, посылающий звуковые волны, воздушную или жидкую среду, в которой могут распространяться звуковые волны и объект, принимающий или улавливающий звуковые волны.

Количество звуковых волн, воспроизведенных вибрирующим объектом в течение некоторого заданного отрезка времени называется частотой звуковых волн. Чем быстрее вибрирует объект, тем больше будет посылаться звуковых волн, тем выше будет частота звука. И соответственно, чем медленнее происходит вибрирование, тем ниже частота.

Если работает ультразвуковой расходомер, то источник, вибрируя, посылает ультразвуковые волны с некоторой заведомо известной частотой. Звуковые волны распространяются, двигаются в потоке среды до тех пор, пока они ни наталкиваются на пузырьки воздуха или на твердые частицы в потоке движущейся среды. Когда звуковые волны сталкиваются с воздушными пузырьками или твердыми частицами, они отталкиваются или отражаются от пузырька или частицы и двигаются в обратном направлении к принимающему устройству или приемнику.

Частица или пузырек в среде, находящейся в покое

При замере среды в покое у отраженных звуковых волн будет та же самая частота, что и у посланных источником звуковых волн. На рисунке выше изображен пузырек воздуха или твердая частица в среде, находящейся в покое. Пузырек или частица начинают вибрировать с частотой, посланных звуковых волн. Если среда находится в движении, уровень частоты отраженных звуковых волн, ультразвукового расходомера, сдвигается или изменяется по сравнению с уровнем частоты посланных звуковых волн. На рисунке ниже ряд звуковых волн «впереди» движущегося пузырька более уплотнен в своем последовательном чередовании, чем «позади» пузырька.

Пузырек воздуха в потоке движущейся среды

Волны позади пузырька вытянуты по своей конфигурации по причине наличия скорости движущегося потока. Сам пузырек тоже несколько деформирован по той же самой причине наличия скорости движущегося потока.

Поскольку пузырек движется по мере того, как он посылает обратно или отражает звуковые волны, то фактически он движется «догоняя» звуковые волны впереди него и удаляясь от волн позади него. Другими словами, пузырек начинает вибрировать с той же самой частотой, что и посланные источником звуковые волны, но в результате наличия скорости движущегося потока, который несет этот пузырек, уровень частоты отраженных волн сдвигается. Когда звуковые волны, скомпрессированные в процессе движения потока впереди пузырька, достигают приемника, частота их выше, чем частота звуковых волн, посланных источником, потому, что интенсивность попадания волн на приемник будет выше, чем интенсивность их попадания на приемник в условиях среды, находящейся в покое.

После того, как пройдет пузырек, на приемник ультразвукового расходомера попадают вытянутые по своей конфигурации волны. Частота этих волн ниже, чем частота звуковых волн, посланных передатчиком. Т.к. в последовательности этих волн отмечается расширение, для того, чтобы попасть на приемник этим вытянутым по своей конфигурации волнам понадобиться больше времени.

По мере увеличения скорости движения потока, увеличивается также и сдвиг по частоте. И наоборот, если скорость движения потока среды уменьшается, то уменьшается и сдвиг по частоте. Другими словами, каждому изменению скорости потока присущ соответствующий сдвиг по частоте. Для измерения скорости потока среды в ультразвуковых расходомерах используется эта взаимосвязь. Затем расходомер преобразует величину скорости потока в соответствующую величину расхода потока.

Сдвиг по частоте между переданными и принятыми звуковыми волнами -- это один пример естественного феномена, известного по названием эффект Доплера. Он имеет место при условии наличия относительного движения между источником волны и приемником этой волны. В ультразвуковом расходомере движущиеся вместе с потоком среды пузырьки воздуха или твердые частицы становятся передатчиками волн, т.к. от них отражаются волны. Ультразвуковой расходомер OPTISONIC 4400 HP

OPTISONIC 4400 HP представляет собой 2-лучевой ультразвуковой расходомер для жидкостей в процессах, проходящих при сложных условиях с высоким рабочим давлением до 490 бар / 7107 фунт/кв.дюйм. Он идеально подходит для высокоточного измерения расхода конденсата и питательной или разбрызгиваемой воды под высоким давлением на электростанциях, а также расхода нагнетаемой в пласт воды в добывающем секторе нефтегазовой отрасли. счетчик расходомер электромагнитный давление

Конструкция расходомера с двумя измерительными каналами позволяет компенсировать различия в профиле потока и сохранить неизменной точность измерений. Благодаря прочной полностью сварной конструкции и широкому динамическому диапазону OPTISONIC 4400 характеризуется превосходной долговременной стабильностью и функциональностью при минимальных расходах на эксплуатацию и техническое обслуживание. Расходомер поставляется в компактном исполнении или с корпусом преобразователя сигналов раздельного исполнения для удалённой установки. Прибор доступен в исполнении из различных материалов, а также разных типоразмеров и может использоваться во взрывоопасных зонах. Возможности цифровой связи и обширные диагностические функции дополняют характеристики устройства.

5. РАСХОДОМЕР ПЕРЕПАДА ДАВЛЕНИЯ

Для измерения расхода методом перепада давления существуют много различных видов устройств и приспособлений, которыми пользуются для преобразования перепада давления в сигнал расхода.

Тремя самыми распространенными устройствами являются манометры, мембраны и сильфоны. При помощи манометра можно снимать показание перепада давления непосредственно с прибора. Мембраны же и сильфоны можно подсоединять к контрольно-измерительным приборам.

Схема с манометром

Манометр является одним из самых распространенных приборов, применяемых для контроля и измерения перепада давления. На изображенной схеме манометром измеряют перепад давления, созданный при помощи диафрагмы. Один конец манометра подсоединен к отбору высокой стороны, расположенному вверх по потоку относительно диафрагмы. Другой конец манометра подсоединен к отбору низкой стороны, расположенному вниз по потоку относительно диафрагмы. Во время того, как поток жидкости, газа или пара проходит через диафрагму, манометр воспринимает разницу в давлении, созданную диафрагмой, и показывает эту разницу посредством высоты жидкости в трубке. Шкала манометра позволяет снимать показание этой измеренной дельты «Р» фактически непосредственно с прибора.

Защита манометра от попадания жидкости, газа или пара из трубопровода обычно осуществляется в измерительных системах с помощью изолирующих мембран или с помощью каких-либо других способов.

Формула для расчета расхода звучит так -- величина расхода прямо пропорциональна квадратному корню отношения, измеренному в данный момент показанию дельты-Р к величине максимальной дельты-Р в процентном выражении.

Формула для преобразования разности давлений в расход

Для того, чтобы преобразовать фактическое показание дельты-Р в показание расхода требуются три основные величины: величина максимального расхода в системе, величина максимального перепада давления при максимальном расходе и измеренное показание перепада давления. Упрощенной формулой, в которой для преобразования перепада давления в расход использованы эти три величины, будет следующее выражение:

Этой формулой будет легче воспользоваться, если разбить ее на три последовательных действия:

1) Разделить измеренное показание перепада давления на величину максимального перепада давления;

2) Вычислить квадратный корень от результата, полученного в первом действии;

3) Умножить полученный результат квадратного корня на величину максимального расхода. Полученный в третьем действии результат равен фактическому расходу в измеряемой системе.

Расходомер переменного перепада давления Метран 150RFA

Пределы измерений расхода рассчитываются для конкретного техпроцесса

Особенности

Интегральная конструкция расходомера исключает потребность в импульсных линиях и дополнительных устройствах, сокращается количество потенциальных мест утечек среды

Низкие безвозвратные потери давления в трубопроводе сокращают затраты на электроэнергию

Установка расходомера экономична и менее трудоемка по сравнению с установкой измерительного комплекса на базе стандартной диафрагмы

Беспроливная поверка в любом региональном центре стандартизации и метрологии

6. СРАВНИТЕЛЬНАЯ ТАБЛИЦА ХАРАКТЕРИСТИК

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящее время на рынке существует большое количество приборов использующих различные методы измерения расхода. При выборе датчика необходимо учитывать множество параметров: тип измеряемой среды, необходимая точность, характеристик окружающей среды, протокол передачи данных и др..

В данной работе были рассмотрены 5 датчиков разных производителей использующие различные методы измерения расхода. Каждый из этих датчиков имеет свои преимущества и свои недостатки, а также конструктивные и принципиальные особенности.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Фрайден, Дж. Современные датчики. Справочник. - М: Изд-во «Техносфера». - 2005. - 588 с.

2. Мазин В.Д. Метрология и теплотехнические измерения. - СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2010. - 77 с.

3. Шишмарев В.Ю. Средства измерений. - Учебник для студентов - 3-е изд., стер. - Москва, Академия, 2009. - 320 с.

Размещено на Allbest.ru