Дембовский В.В. Технологические измерения и приборы в металлургии

Подождите немного. Документ загружается.

H Н×мДж

1 Па= 1 =1 =1 .

мм м

Примем вначале, что D>>d настолько, что v

→0. Тогда из урав-

нения (3.5) следует, что перепад давления на сужающем устройст-

ве

Δ= − =

PP P

откуда

;

2 P

0222

;

QvFv

(3.6)

M02

ρ= ρΔQQF P

(3.7)

Введем теперь некоторые уточнения, компенсирующие приня-

тые ранее допущения. Во-первых, площадь сечения F

неизвестна;

во-вторых, вместо давления практически измеряют давление Р

в непосредственной близости к сужающему устройству, причем это

давление на оси потока и у стенки трубопровода различно (рис.

3.1). Поэтому в окончательной форме уравнения расхода (объёмно-

го, м

/с; массового, кг/с) записывают в форме

;

=αε

2 P

(3.8)

αε ρΔ

Qf P

(3.9)

где α – эмпирический коэффициент расхода,

– площадь проходного сечения сужающего устройства, м

(3.10)

Для жидкостей ε = 1.

Как следует из уравнений расхода (3.8), (3.9), при известных

значениях α, ε, ρ и f

расход определяется значением перепада

давлений ΔP на сужающем устройстве.

У расходомеров переменного перепада давлений f

= const, а

величина ΔP служит мерой расхода. К сужающему устройству под-

ключают дифференциальный манометр (дифманометр) со шкалой

в единицах расхода (дифманометр-расходомер). В этом и заключа-

ется первый вариант реализации метода сужения потока.

Реальные среды, в отличие от идеальных, обладают вязкостью.

Для преодоления сил внутреннего трения затрачивается часть ме-

ханической энергии потока. Эта часть энергии превращается в теп-

лоту и рассеивается в окружающую среду. В результате давление

за сужающим устройством до первоначального значения не вос-

станавливаются и имеет место остаточная (невозвратимая) потеря

давления Р

= δP (рис.3.1).

Для того, чтобы каждый раз при изготовлении сужающего уст-

ройства не прибегать к опытам по определению коэффициента α,

проведена стандартизация сужающих устройств (табл. 3.1).

Расчет размеров сужающих устройств производится по стан-

дартной методике, описанной, например, в литературе [3], а более

подробно – в [6]. В качестве исходных данных при расчете исполь-

зуются местные условия производства: диаметр трубопровода, фи-

зические свойства измеряемой среды, ее температура и давление,

значение максимального расхода. Сущность стандартной методики

расчета сужающих устройств заключается в том, что начальные

приближения номинального верхнего предела измерения дифма-

нометра ΔP

и модуля сужающего устройства m = (d /D)

выбира-

ют по специальной номограмме. Затем последовательно уточняют

используемые в расчет величины до получения окончательного

значения d при нормальной температуре.

На выбор рационального вида сужающего устройства (табл. 3.1)

оказывают влияние такие факторы, как требуемая точность изме-

рения, допустимая остаточная потеря давления и максимальный

расход.

У диафрагм загрязнение входной кромки способно вызвать зна-

чительные изменения коэффициента расхода и внести неопреде-

лённую дополнительную погрешность в результат измерения.

При одинаковых расходах и перепадах давлений сопла (в том

числе, - сопла Вентури) и трубы Вентури обеспечивают более вы-

сокую точность измерения. При одних и тех же значениях m и ΔP

cопла, сопла Вентури и трубы Вентури дают возможность измере-

ния большего расхода, чем диафрагмы. При прочих одинаковых ус-

ловиях остаточная потеря давления из-за сокращения вихреобразо

вания последовательно снижается в направлении от диафрагмы к

трубе Вентури. Вместе с тем, диафрагмы, по сравнению с другими

типами стандартных сужающих устройств, наиболее просты и ком-

пактны.

Необходимо иметь в виду, что при отклонении температуры,

давления, а у газов и их влажности от расчетных значений появля-

ется дополнительная погрешность измерения вследствие измене-

ния плотности измеряемой среды.

Как следует, например, из уравнения (3.8), при одинаковых

значениях α и ε одному и тому же перепаду давлений ΔP со-

ответствует соотношение

o1 1

o2 2

(3.11)

где – действительный расход и расчётное значение плот-

ности (принятое при расчёте сужающего устройства);

o1 1

, ρQ

o2 2

, ρQ

– показание расходомера и фактическая плотность изме-

ряемой среды.

Плотность газа

,ρ=ρ

(3.12)

где – плотность газа при нормальных абсолютных значениях

температуры T

и давления P

;

T, P - абсолютные температура и давление в условиях измерения.

Для плотности жидкостей справедливо выражение, кг/м

1( )

ρ=

βθ−θ

(3.13)

где – плотность при температуре θ, °С;

Таблица 1.3

Стандартные сужающие устройства и их характеристики

Примечание. У камерной диафрагмы отбор давлений произ-

водится через кольцевые щели, у бескамерной – через от-

дельные отверстия.

– плотность при нормальной температуре θ

= + 20 °С;

β – коэффициент объёмного расширения жидкости.

Существуют способы и устройства автоматического введения

поправок на изменение плотности измеряемой среды.

Измерение расхода во втором варианте – при постоянном пе-

репаде давлений характеризуется тем, что в уравнениях (3.8), (3.9)

ΔP = const, а мерой расхода оказывается переменная площадь про-

ходного сечения f

. Принцип измерения расхода при постоянном

перепаде давлений реализован, например, в расходомерах, назы-

ваемых ротаметрами. Они применяются при меньших, чем в пер-

вом варианте рассматриваемого метода, расходах жидкостей [1], с.

24.

Вопросы для самопроверки

1. Что называют расходом в измерительной технике?

2. Чем отличается объёмный расход от массового?

3. Каково общее наименование приборов для измерения расхода?

4. Для чего предназначаются счётчики количества?

5. В чём заключается сущность метода сужения потока для измерения расхода?

6. Какие величины входят в уравнение расхода?

7. Опишите основные признаки стандартных сужающих устройств для измере-

ния расхода.

8. Какие дополнительные погрешности могут возникнуть при измерении рас-

хода методом сужения потока?

4. Индукционный метод измерения

расхода жидкостей

Индукционные (электромагнитные) расходомеры применимы

для измерения расхода жидкостей, обладающих электропроводно-

стью не ниже 10

–3

…10 См/м, то есть не меньше, чем у технической

воды. В литейном производстве с помощью таких приборов можно

измерять расход практически любой жидкости, применяемой при

приготовлении формовочных и стержневых смесей.

Принцип действия индукционного расходомера основан на яв-

лении электромагнитной индукции. Датчиком прибора (рис. 3.2)

служит участок 1 трубопровода, изготовленный из немагнитного

Рис.3.2. Принципиальная схема индукционного расходомера

материала. В этот участок с применением изоляторов вмонтиро-

ваны электроды 2 заподлицо с внутренней поверхностью трубопро-

вода. При измерении расхода агрессивных сред внутренняя по-

верхность трубопровода датчика снабжается защитным покрытием.

Датчик расположен между полюсами электромагнита 3, создающе-

го внутри трубопровода однородное магнитное поле. В результате

этого при протекании через трубопровод потока измеряемой среды

в ней, как в проводнике, движущемся в магнитном поле, возбужда-

ется ЭДС индукции, В

(3.14)

,E=Blv

где B – магнитная индукция Тл ;

l – длина проводника, которая здесь равна междуэлектродному

расстоянию, то есть внутреннему диаметру трубопровода D, м;

v – средняя по сечению скорость потока измеряемой среды, м/с.

Примечание. Единица измерения магнитной индукции (плотности

магнитного потока) в системе СИ

1 Тесла (Тл) = 1 Вольт ⋅ секунда / метр

Площадь поперечного сечения потока, м

(3.15)

Отсюда объемный расход жидкости, м

/с

(3.16)

,Q= vF

или

⋅=

Q= kE

(3.17)

где

– конструктивный коэффициент пропорциональности.

Значение ЭДС, снимаемой с электродов, преобразуется в вы-

ходной сигнал для дистанционной передачи на вторичный электро-

измерительный прибор.

Важнейшие достоинства индукционных расходомеров заключа-

ются в том, что они не вносят никакого сопротивления в поток из-

меряемой среды и, тем самым, не создают условий для местной

аккумуляции осадков в датчике. Кроме того, показания индукцион-

ных расходомеров не зависят от характера течения потока, а также

от физических свойств (плотности, вязкости) измеряемой среды, а

следовательно и от её температуры.

Вопросы для самопроверки

1. В чём заключается принцип действия индукционного расходомера?

2. Для измерения расхода каких сред можно применить индукционный метод?

3. Зависят ли показания индукционного расходомера от температуры контро-

лируемой среды?

4. В чём заключаются достоинства индукционного метода измерения расхода?

5. Измерение расхода сыпучих материалов

В металлургическом и литейном производствах требуется изме-

рять расход таких сыпучих материалов, как молотая известь, раз-

личные рафинирующие смеси для процессов плавки металлов и

сплавов, компоненты формовочных и стержневых смесей (кварце-

вый песок, бентонит, регенерат) и пр. При этом, в основном, приме-

няются следующие решения.

5.1. Измерение расхода сыпучих материалов при конвейерном

транспорте

В состав измерительной системы (рис.5.1) входят взвешиваю-

щий транспортер 1, на ленту которого материал поступает из пи-

тающего бункера 2. Транспортер приводится в действие с помощью

электродвигателя Д. Скорость привода (и, следовательно, - движе-

ния материала на ленте v, м/с) измеряется с помощью тахогенера-

торного датчика TГ. Выходной сигнал последнего унифицируется к

стандартному с помощью преобразователя Пр1. Масса m, кг мате-

риала на ленте транспортера измеряется взвешивающим устройст-

вом ВУ по действию на него силы тяжести с коррекцией на массу

пустого транспортера. Сигнал массы материала также унифициру-

ется преобразователем Пр2. Оба сигнала вводятся в блок пере-

множения сигналов (X), в результате формируется сигнал массово-

го расхода сыпучего материала, кг/с

(5.1)

Q=kvm,

где k - конструктивный коэффициент пропорциональности.

Выходной сигнал блока перемножения через преобразователь

Пр3 поступает на интегратор И, позволяющий определить количе-

ство М, кг сыпучего материала, прошедшего через измерительную

систему в течение заданного промежутка времени.

5.2. Измерение расхода сыпучих материалов при пневмо-

транспорте

Пневмотранспорт сыпучих материалов по трубопроводам осу-

ществляется за счет энергии сжатого газа-носителя (воздуха, при

вдувании порошков в ванну сталеплавильных печей – аргона и др.)

Из нескольких известных способов измерения расхода сыпучих

материалов при пневмотранспорте остановимся здесь на наиболее

перспективном (рис. 5.2), основанном на измерениях расхода газа-

носителя и плотности аэросмеси, представляющей собой поток то-

го же газа с взвешенными в нем частицами твердого материала

[12]. Расход газа-носителя Q

, м

/с при этом измеряют, например,

по перепаду давлений на сужающем устройстве СУ с помощью

дифманометра – расходомера ДМ. Для измерения плотности аэро-

смеси применён радиоизотопный плотномер ПМ, содержащий ис-

точник гамма-излучения (Со

, Сs

137

и пр.) и его приемник (иониза-

Рис.5.1. Измерение расхода сыпучих материалов

при конвейерном транспорте

Рис.5.2. Измерение расхода сыпучих материалов

при пневмотранспорте

ционный счетчик).

Узкий пучок гамма-излучения ослабляется веществом по закону

(5.2)

−μρ

EE ,

где E

- начальная энергия потока гамма лучей, определяемая при-

родой применяемого радиоизотопа и его активностью;

E - энергия того же потока, ослабленного после прохождения через

вещество;

μ - массовый коэффициент ослабления, м

/кг;

ρ- плотность вещества, кг/м

;

l - длина луча, м.

Газ-носитель практически полностью прозрачен для гамма-

лучей. Поглощение излучения стенками металлического трубопро-

вода является постоянным фактором, учитываемым при настройке

прибора. Плотность же аэросмеси определяется концентрацией

твердого вещества в потоке газа-носителя.

Сигналы расхода газа-носителя и плотности аэросмеси после

прохождения через преобразователи, соответственно Пр1 и Пр2,

перемножаются множительным устройством (Х), определяя, тем

самым, массовый расход сыпучего материала, кг/с

ρQkQ

(5.3)

где k - конструктивный масштабный множитель.

Далее, подобно тому, как это производится в предыдущей

схеме, сигнал произведения нормируется преобразователем Пр3

и интегрируется (И) для определения количества сыпучего ве-

щества

∫

MQdt

(5.4)

Вопросы для самопроверки

1. Как измеряют расход сыпучих материалов при конвейерном транспорте (от-

крытым способом)?

2. Какие датчики применяют при измерении расхода сыпучих материалов от-

крытым способом?

3. Как измеряют расход сыпучих материалов при пневмотранспорте?