Туяхов И.А. Практическая метрология

Подождите немного. Документ загружается.

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

170

измерении расхода сре-

ды в трубопроводе

большого диаметра, в

котором не предусмот-

рена установка диафраг-

мы или сопла для экс-

плуатационных целей. В

этом случае для измере-

ния расхода используют-

ся расходомерные труб-

ки конструкции ВТИ,

простота которых позво-

ляет изготавливать их в

производственных условиях непосредственно на электростанциях.

Напорная трубка (рисунок 4.18) изготавливается из двух отрезков

труб малого по сравнению с трубопроводом диаметра. Эти отрезки

сварены между собой по перегородке, разделяющей их внутренние

полости.

Расходомерная трубка устанавливается по диаметру трубопрово-

да, а заборные отверстия в ней диаметром 3 мм выполнены одно – по

направлению, а другое – против направления потока по обе стороны

от продольной оси трубопровода.

4.5 Ультразвуковые расходомеры

Рассмотренные выше методы измерения расхода имеют сущест-

венный недостаток, связанный с тем, что чувствительные элементы

(диафрагма, сопло, напорная трубка) находятся в движущемся потоке

и испытывают вредное воздействие среды на конструктивные части

чувствительного элемента. С другой стороны, сами чувствительные

элементы, находясь в потоке, искажают его аэродинамические харак-

теристики, что приводит к появлению дополнительной погрешности

измерения.

В последнее время начали широко применяться методы измере-

ния расхода , в которых чувствительные элементы находятся вне дви-

жущейся среды, что позволяет расширить количество видов измеряе-

мых сред (расплавленные металлы, кислоты, щелочи, агрессивные и

токсичные жидкости и газы и др.). В одном из таких методов измере-

ния расхода используется ультразвуковая волна, которая дает инфор-

ст

Рисунок 4.18 – Напорная трубка для

измерения расхода сред в трубах

большого диаметра

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

171

мацию о скорости, а значит, о расходе движущейся среды в закрытых

и открытых каналах.

В ультразвуковых расходомерах используются различные эффек-

ты, связанные с прохождением ультразвука через движущуюся среду:

изменение скорости ультразвука в продольном направлении потока;

отклонение ультразвуковой волны при поперечном распространении в

потоке; эффект Доплера и др.

Наибольшее распространение получил метод измерения расхода,

основанный на измерении разности времен прохождения ультразвука

по направлению и против направления течения среды. На рисунке

4.19 показана схема двухканального ультразвукового расходомера, в

котором используется частотный способ измерения временных интер-

валов при прохождении ультразвука в двух направлениях: в направле-

нии потока и против. Ультразвуковые волны, образованные двумя из-

лучателями (И

, И

), проходят сечение канала в двух направлениях и

поступают на два приемника, которые преобразуют ультразвуковые

сигналы в электрические. В качестве излучателей используются пье-

зокристаллы, которые возбуждаются высокочастотными электриче-

скими сигналами от генераторов Г

и Г

Приемники П

и П

по-

сылают электрические сигна-

лы на соответствующие реле

и Р

, которые управляют

работой генераторов Г

и Г

режиме "включено - выклю-

чено". При поступлении сиг-

нала на реле происходит от-

ключение генератора, а при

отсутствие сигнала – включе-

ние. Таким образом, генера-

торы Г

и Г

работают в пе-

риодическом режиме, а время

работы и "молчания" равно

времени прохождения ульт-

развуковых сигналов через

движущуюся среду. Измере-

ние времени работы генера-

торов (времени прохождения ультразвука через трубопровод) произ-

водится во временном блоке ∆Т.

∆

Рисунок 4.19 – Схема частотного

ультразвукового расходомера

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

172

Время прохождения ультразвука по ходу и против хода потока

определяется по формулам:

по ходу

cos

⋅

= (4.30)

против хода

cos

−

⋅

= (4.31)

Для исключения из этих формул скорости ультразвука "с", кото-

рая зависит от физико-химических свойств среды (температуры, дав-

ления, плотности, химсостава и др.) и влияет на точность измерения

расхода, блок времени измеряет не разность времен Т

- Т

, а разность

обратных времен, т.е. разность частот следования этих сигналов:

wcoscwcosc

⋅

−

⋅

=− ,(4.32)

где

– частота следования импульсов при прямом ходе

ультразвука;

– частота следования импульсов при встречном ходе

ультразвука.

Используя формулы (4.19) и (4.32), можно записать окончатель-

ное выражение для определения расхода среды при использовании

частотного ультразвукового расходомера:

)ff(

−= , м

/с (4.33)

где F – сечение трубопровода (канала), м

Как видно из формулы (4.33), показания частотного расходомера

не зависят от скорости распространения ультразвука в среде, что яв-

ляется важным достоинством такого метода измерения расхода жид-

ких и газообразных сред.

В других типах расходомеров ультразвуковая волна направлена

перпендикулярно оси трубы и по величине отклонения ультразвуко-

вой волны от перпендикуляра определяется расход или средняя ско-

рость потока. По мере увеличения средней скорости потока

ульт-

развуковой луч все более отклоняется по направлению скорости пото-

ка (рисунок 4.20). Угол отклонения луча α будет определяться

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

173

выражением:













=α

arcsin

(4.34)

Линейное отклонение луча у приемников (пьезоэлементов) П

равно

δ= D⋅tg α (4.35)

С увеличением средней ско-

рости среды

количество энер-

гии, поступающий на приемник

уменьшается, а поступающей

на приемник П

– увеличивается.

Разностный сигнал от приемников

и П

увеличивается с увеличе-

нием средней скорости, а значит и

расхода, и поступает в расходо-

мер V.

Расходомеры с такой схемой

просты по устройству, но обла-

дают ограниченной точностью из-

за малого отклонения луча. Кроме

того, скорость ультразвука, кото-

рая входит в расчетные формулы

расхода, может меняться при из-

менении физических параметров и состава измеряемой среды, что

вносит дополнительную погрешность.

Разработаны другие типы ультразвуковых расходомеров нового

поколения, таких как время-импульсные и фазовые. Во время-

импульсных расходомерах периодически производится измерение

разности времен прохождения очень коротких импульсов длительно-

стью 0,1 – 0,2 микросекунд, по ходу и против хода движения среды в

трубопроводе. Измеряемая разность времен очень мала даже при

больших скоростях движения среды, что требует применения элек-

тронных измерительных систем повышенной точности. Кроме того,

показания таких расходомеров зависят от изменения скорости ультра-

звука в среде. Такие расходомеры применяются в основном для изме-

рения расхода жидких сред, в которых в процессе измерения сущест-

венно не изменяются такие параметры как плотность, температура,

давление.

В фазовых ультразвуковых расходомерах используется эффект

Рисунок 4.20 – Ультразвуковой

расходомер по отклонению

луча от вертикали

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

174

Доплера, т.е. измеряется разность фаз ультразвуковых колебаний,

распространяющихся по потоку и против него. Недостатком таких

расходомеров также является зависимость показаний от изменения

скорости ультразвука в среде.

В настоящее время в Украине разработаны различные модифика-

ции ультразвуковых время-импульсных и доплеровских (фазовых)

расходомеров, которые применяются в нефтяной, металлургической,

химической и других отраслях промышленности для измерения рас-

хода мазута, нефти, нефтепродуктов и других жидкостей, в том числе

сред, загрязненных твердыми и газообразными включениями. Досто-

инством таких расходомеров является широкий диапазон измеряемых

расходов от 0,45 до 110000 м

/ч для трубопроводов диаметром от 40

до 1800 мм с погрешностью измерения не более 2 %.

Современные ультразвуковые расходомеры комплектуются встро-

енными микропроцессорами, которые обеспечивают обработку посту-

пающей от датчиков информации, измерение и индикацию расхода

среды (за час, сутки, месяц), выработку унифицированного токового

сигнала при использовании системы автоматического регулирования,

ввод необходимых корректирующих и управляющих команд и др.

На практике получили распространение и переносные ультразву-

ковые расходомеры, которые имеют такие же метрологические харак-

теристики, как и стационарные. В комплект прибора входит непосред-

ственно расходомер, портативная ЭВМ (notebook), многофункцио-

нальный блок питания со встроенным аккумулятором, монтажные

приспособления для быстрого и правильного расположения датчиков

на поверхности трубопровода. Такие приборы используются для опе-

ративного контроля расхода выбранного типа среды на различных

участках трубопроводов, имеющих различный диаметр и толщину

стенки.

Ультразвуковые расходомеры являются наиболее перспективны-

ми приборами для измерения расхода различных жидких и газообраз-

ных сред, оснащенные многофункциональными малогабаритными

микропроцессорными устройствами. Использование микропроцессора

позволяет значительно повысить точность измерения за счет автома-

тического ввода корректирующих сигналов при изменении физиче-

ских и химических свойств измеряемой и окружающей среды. Наи-

большую точность измерения показывают одноканальные ультразву-

ковые расходомеры с врезными датчиками, погрешность которых не

превышает 0,3 %.

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

175

4.6 Электромагнитные расходомеры

Измерение расхода электромагнитными расходомерами основано

на принципе электромагнитной индукции. В соответствии с этим

принципом при движении электропроводной жидкости в магнитном

поле индуктируется ЭДС, величина которой пропорциональна скоро-

сти движения жидкости.

Электромагнитные расходомеры применяются для измерения в

трубопроводах объемного расхода водопроводной воды, различных

растворов (солей, щелочей, кислот), пульп, жидких металлов и других

электропроводных жидкостей, электрическая проводимость которых

должна быть не менее 10

-3

Ом/м (соответствует электропроводности

водопроводной воды). Измеряя ЭДС, наведенную в электропроводной

жидкости, которая при своем движении пересекает магнитное поле,

можно определить среднюю скорость текущей жидкости, а вместе с

тем и объемный расход.

Измерение расхода жидкости электромагнитным методом осуще-

ствляется при использовании как постоянного магнита, так и магнита

с переменным магнитным полем. Указанные способы создания маг-

нитного поля имеют свои положительные и отрицательные стороны.

Схема электромагнит-

ного расходомера с посто-

янным магнитным полем

изображена на рисунке

4.21. Корпус 1 – это отре-

зок трубы, выполненный из

немагнитного материала и

покрытый изнутри элек-

трической изоляцией (ре-

зиной, эмалью, фторопла-

стом и др.), расположен

между полюсами магнита

2. Магнитные силовые ли-

нии направлены перпенди-

кулярно вектору скорости

движения жидкости. Через

стенку трубы изолированно

от нее введены электроды

3, находящиеся в контакте

с жидкостью.

1 – часть изолированного трубопровода;

2 – постоянный магнит; 3 – электроды;

4 – измерительный прибор

Рисунок 4.21 – Схема электромагнитного

расходомера с постоянным магнитным

полем

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

176

При протекании электропроводной жидкости между электродами

будет наводиться ЭДС:

Е = В⋅D⋅

(4.36)

где В – индукция магнитного поля;

D – длина жидкостного проводника, равная диаметру трубы;

- средняя скорость жидкости.

Учитывая, что

== , получаем:

Е=

В4

(4.37)

Из формулы (4.37) видно, что ЭДС прямо пропорциональна изме-

ряемому объемному расходу. Измерение наведенной ЭДС осуществ-

ляется измерительным прибором 4, который градуируется в единицах

массы или объема измеряемой жидкости.

Преимуществом электромагнитных расходомеров с постоянным

магнитным полем является то, что значительно облегчается борьба с

помехами от внешних переменных электромагнитных полей, особен-

но при применении в промышленных условиях, где работают элек-

тромоторы, магнитные краны, трансформаторы и другое электротех-

ническое оборудование. К числу достоинств таких расходомеров сле-

дует отнести отсутствие необходимости в источнике питания чувстви-

тельных элементов, т.е. самих электродов, расположенных на трубо-

проводе, что обеспечивает безопасность его работы и ряд других фак-

торов.

Основным недостатком магнитных расходомеров с постоянным

магнитным полем является поляризация электродов, т.е. возникнове-

ние у положительного электрода отрицательных ионов, а у отрица-

тельного электрода положительных ионов. По мере накопления этих

зарядов у электродов (токосъемников) возникает ЭДС, направленная

против основной измеряемой ЭДС, что приводит к нарушению гра-

дуировки прибора и стабильности его работы. Поэтому электромаг-

нитные расходомеры с постоянным магнитным полем не применяются

для жидкостей с ионной проводимостью (кислоты, щелочи, соли, вод-

ные растворы различных веществ и др.). Такие расходомеры получили

применение для измерения расхода жидких сред с электронной про-

водимостью, к которым относятся расплавленные жидкие металлы

(натрий, ртуть, железоуглеродистые расплавы и др.) и в которых от-

сутствует явление поляризации. Возможное применение таких расхо-

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

177

домеров – атомные реакторы с жидкометаллическим теплоносителем,

плавильные и литейные агрегаты на металлургических заводах и др.

Для измерения расхода сред с ионной проводимостью применя-

ются расходомеры с переменным магнитным полем, создаваемым

электромагнитом (рисунок 4.22). При достаточно высокой частоте

электромагнитного поля поляризация электродов практически отсут-

ствует. Однако использование переменного магнитного поля имеет

свои недостатки, одним из которых является появление паразитной

трансформаторной ЭДС. Эта ЭДС наводится переменным магнитным

полем в проводниках, находящихся в переменном магнитном поле и

связывающих электроды-токосъемники с измерительным прибором.

Для компенсации транс-

форматорной ЭДС выводы

одного из электродов соеди-

няются симметрично распо-

ложенными проводами, замк-

нутыми на регулирующий ре-

зистор R, создавая кольцевую

замкнутую цепь. При работе

расходомера паразитная ЭДС,

возникающая в верхнем про-

воде кольцевой цепи, равна

ЭДС, которая возникает в

нижнем проводе этой цепи.

Так как возникающие в двух

проводниках трансформатор-

ные ЭДС имеют противопо-

ложные направления, то происходит компенсация паразитных ЭДС в

этих проводниках. Однако полного устранения трансформаторной

ЭДС не происходит из-за наличия в магнитном поле проводника,

идущего от второго электрода. В современных электромагнитных рас-

ходомерах помимо указанного выше способа применяются фазочувст-

вительные детекторы, которые пропускают только полезный сигнал

(ЭДС, возникающую при движении жидкой среды в трубопроводе), и

полностью компенсируют трансформаторную ЭДС.

Электромагнитные расходомеры различных модификаций, про-

изводимые в Украине, имеют встроенное в измерительный блок мик-

ропроцессорное устройство, которое обрабатывает информацию от

датчика расхода, установленного на трубопроводе, регистрирует зна-

чение мгновенного расхода и количества за определенный промежу-

Рисунок 4.22 – Схема электромагнитного

расходомера с переменным магнитным

полем

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

178

ток времени, имеет возможность передачи данных на ЭВМ по интер-

фейсу RS – 485 и другие операции.

На рисунке 4.23 показан один из вариантов электромагнитного

расходомера, который исполнен в виде единого измерительно-

вычислительного модуля, размещенного непосредственно на объекте

измерения расхода – трубопроводе. Такой прибор может быть исполь-

зован и как теплосчетчик при получении от микропроцессора инфор-

мации о температуре среды в трубопроводе.

Электромагнитные расходоме-

ры, имеющие класс точности 0,5 –

1,0, применяются на трубопроводах

практически любых диаметров без

ограничения верхнего предела по

расходу. Их показания не зависят от

вязкости и плотности среды. Датчик

расхода (чувствительный элемент),

практически безинерционный, нахо-

дится вне движущейся среды и, та-

ким образом, не создает потери дав-

ления. Расходомеры, использующие

такой принцип измерения, находят

применение для измерения расхода

агрессивных, абразивных и вязких

жидкостей и пульп, жидких метал-

лов, т.е. в тех случаях, когда приме-

нение расходомеров других типов затруднено.

4.7 Измерение расхода тепла в теплофикационных системах

Объективный контроль и анализ работы ТЭЦ, котельных, тепло-

вых сетей, различных теплообменников и других тепловых систем и

агрегатов можно осуществлять только путем непрерывного измерения

расхода и количества отдаваемого потребителям тепла. Коллективные

и индивидуальные потребители также заинтересованы иметь инфор-

мацию о количестве потребленного тепла, имея соответствующие

приборы для измерения расхода теплоносителя и его температуры.

Прибор, измеряющий расход тепла в единицу времени, называет-

ся тепломером. Прибор, измеряющий расход и количество теплоты за

некоторый промежуток времени, называется теплосчетчиком.

1 – участок трубопровода;

2 – вычислительный модуль;

3 – индикация показаний;

4 – кнопки управления;

5 – датчик расхода

Рисунок 4.23 – Портативный

электромагнитный расходомер

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

179

Расход тепла Q, отпускаемый потребителю в единицу времени,

выражается уравнением:

Q=V⋅ρ⋅c(t

-t

),(4.38)

где V – объемный расход воды (теплоносителя) в подающей ли-

нии, м

/с;

с – удельная теплоемкость воды, кДж/(кг⋅К);

– температуры прямой и обратной воды, °С;

ρ - плотность воды в прямой линии, кг/м

Из формулы (4.38) видно, что для определения расхода тепла теп-

ломер должен одновременно измерять объемный расход прямой сете-

вой воды и температуру прямой и обратной воды. При измерении

расхода тепла по формуле (4.38) необходимо в измерительный прибор

(в измерительную систему) вводить корректирующие множители, т.е.

значения теплоемкости и плотности воды. Для уменьшения погреш-

ности измерения расхода необходимо учитывать изменение плотности

и теплоемкости воды от температуры самой воды. Изменение плотно-

сти и теплоемкости воды от температуры может быть учтено с помо-

щью аппроксимирующих функций:

tKK

ρ=ρ (4.39)

с=с

+К

∆t(4.40)

где ρ

и с

– плотность и теплоемкость воды при расчетной температу-

ре (например, 20 °С);

, К

– постоянные коэффициенты, определяемые из таблич-

ных данных плотности и теплоемкости воды;

∆t – отклонение температуры от расчетной.

Для параметров воды в теплофикационных системах (давление до

1,0 МПа, t≤150°C) влиянием давления на плотность и теплоемкость

можно пренебречь.

Приведенные уравнения показывают, что для измерения расхода

требуются такие системы, которые могут реализовать все соотноше-

ния между параметрами, определяющими расход тепла.

Наиболее перспективными тепломерами, которые учитывают все

параметры, входящие в формулы расхода тепловой энергии, являются

измерительные комплексы или отдельные приборы с широким приме-

нением микропроцессорных устройств. На рисунке 4.24 приведена

одна из возможных схем учета расхода тепла на отопление. Расход

воды осуществляется ультразвуковым расходомером, со встроенным

микропроцессором 2 для обработки информации от датчика расхода 1