Туяхов И.А. Практическая метрология

Подождите немного. Документ загружается.

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

180

с индикацией часового

расхода, а также за оп-

ределенный промежу-

ток времени. Темпера-

тура воды измеряется

на входе и выходе из

теплообменника 6 дву-

мя платиновыми термо-

парами сопротивления

3 и 4.

Информация о рас-

ходе V и температуре

и Т

поступает в цен-

тральный микропроцес-

сор, который выполняет

следующие функции:

- коррекцию измене-

ния плотности и теплоемкости воды в зависимости от температуры

воды на входе в теплообменник;

- измерение и индикацию тепловой мощности теплообменни-

ка, кВт;

- помесячную регистрацию расхода тепла, кДж;

- суточную регистрацию расхода тепла, кДж;

- установку и расчет тепловой энергии по тарифам;

- индикацию температуры теплоносителя (воды) на входе и

разность температур на входе и выходе теплоносителя;

- архивацию всех измеренных и рассчитанных параметров те-

плоносителя, в том числе среднечасовой, суточный, месяч-

ный и годовой расход тепла.

Большинство выпускаемых и эксплуатируемых тепломеров име-

ют такие характеристики:

- питание всех систем, в том числе и датчиков расхода и тем-

пературы, от литиевой батарейки со сроком работы до 6 лет;

– диапазон измерения температуры от 5 до 150 °С;

– относительная погрешность измерения расхода тепла ±4%;

– диаметр трубопровода тепловой сети 15 – 250 мм;

– длина линий связи между преобразователями (датчиками)

расхода, температуры и тепломером до 25 м;

– связь с внешними устройствами через RS - 232; M – BUS,

модем;

1 – датчик ультразвукового расходомера;

2 – расходомер; 3 – датчик температуры

прямой воды; 4 – датчик температуры

обратной воды; 5 – тепломер;

6 – теплообменник (потребитель тепла)

Рисунок 2.24 – Схема измерения расхода

тепла на отопление

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

181

– средний срок службы 12 лет.

Аналогичные системы разработаны для учета расхода тепла в

системах горячего водоснабжения.

4.8 Тахометрические расходомеры

В тахометрическом методе используется зависимость скорости

движения чувствительного элемента, помещенного в измеряемую сре-

ду, от расхода этой среды. Тахометрический метод нашел применение

для измерения холодной и горячей воды, кислот, щелочей, жидких

продуктов нефтеперегонки, газов и других веществ, химически не

действующих на чувствительный элемент расходомера.

По принципу действия выпускаемые тахометрические расходо-

меры разделяются на скоростные и объемные. Скоростные расходо-

меры (счетчики) применяются главным образом для измерения сум-

марного количества холодной и горячей воды. В скоростных счетчи-

ках в качестве чувствительного (рабочего) элемента применяются вер-

тикальные и горизонтальные вертушки (турбинки). У счетчиков с вер-

тикальной вертушкой поток жидкости, вращающий вертушку, на-

правлен по касательной к окружности, описываемой средним радиу-

сов вертушки. Такие крыльчатые вертушки обычно называются тан-

генциальными, и они применяются для измерения небольших расхо-

дов (от 0,15 до 12,6 м

/ч). У счетчиков с горизонтальной вертушкой

поток жидкости направлен параллельно оси вертушки и такие прибо-

ры называются аксиальными . Число оборотов вертушки прибора

суммируется счетным механизмом с указанием количества жидкости

в единицах объема.

На рисунке (4.25 а,б) показаны схемы устройства некоторых ти-

пов расходомеров с аксиальной (а) и тангенциальной турбинкой.

Корпус прибора (рисунок 4.25, а) представляет собой отрезок трубы с

двумя фланцами для присоединения его к трубопроводу. Внутри кор-

пуса расположена турбинка 1. Частота вращения турбинки, пропор-

циональная объемному расходу, с помощью редуктора 2 передается

либо на счетное механическое устройство 3, либо на электрический

преобразователь 4, который выдает электрический сигнал Е, пропор-

циональный объемному расходу жидкой среды, протекающей через

трубопровод.

Турбинные тахометрические расходомеры отличаются большой

точностью (погрешность 0,5%), широким диапазоном измеряемых

расходов от 0,2⋅10

-2

/ч до 7500 м

/ч при давлениях до 250 МПа и

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

182

температуры от –240 °С до +700 °С. Они устанавливаются на трубо-

проводах диаметром 4 – 750 мм.

Тахометрические турбинные расходомеры имеют и недостатки,

ограничивающие их применение: влияние вязкости измеряемой сре-

ды, износ опор при наличии твердых частиц в жидкой среде.

Объемные тахометрические счетчики, обладающие более высо-

кой точностью по сравнению со скоростными, применяются для изме-

рения суммарного количества мазута, нефти, бензина и других жидко-

стей, а также различных газовых сред. В объемных счетчиках проте-

кающая через нее жидкость (газ) измеряется отдельными, равными по

объему дозами, отсекаемыми одним или несколькими рабочими эле-

ментами. Число пропущенных доз жидкости (газа), суммируется счет-

ным механизмом.

В промышленности в большинстве случаев применяются камерные

счетчики, имеющие высокую точность измерения (0,5 – 1% для жидко-

сти и 1 – 1,5 % для газов) и позволяющие применять их для жидкостей с

высокой вязкостью. Одним из приборов камерного типа является рота-

ционный счетчик, применяемый для измерения объемного расхода

очищенных неагрессивных горючих газов (природного, пропана-

бутана, доменного, генераторного, коксового и др.). Счетчики позволя-

ют измерять расходы в пределах от 40 до 40000 м

/ч с погрешностью

менее 2,5% при давлениях до 6,4 МПа и температуре –50…+50°С.

На рисунке 4.26 показана схема работы ротационного расходоме-

ра (счетчика). В корпусе счетчика размещены два поршня-ротора,

а – расходомер с аксиальной турбинкой; б – расходомер с тангенци

альной турбинкой

1 – турбинка; 2 – передаточный механизм; 3 – счетное устройство;

4 – электрический преобразователь

Рисунок 4.25 – Устройство турбинных расходомеров

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

183

имеющие овальную форму, а также пе-

редаточный механизм и счетное уст-

ройство. Газ поступает через верхний

патрубок в корпус прибора, вращает

роторы и выходит через нижний патру-

бок. За один оборот пропускается четы-

ре объема Q (показанный штриховкой),

т.е. по два объема на каждый ротор.

Конец одного из валов связан с редук-

тором и счетным механизмом. Расход

газа, пропорциональный числу оборо-

тов ротора, отмечается на счетном механизме прибора.

В промышленной и лабораторной практике для измерения не-

больших объемных расходов жидкостей (от 0,04 до 16 м

/ч) и газов (от

0,063 до 40 м

/ч) получили распространение расходомеры постоянно-

го перепада, больше известные как ротаметры.

Ротаметр представляет собой вертикальную коническую (расхо-

дящуюся вверх) стеклянную трубку 1, внутри которой располагается

поплавок 2 (рисунок 4.27), выполненный в зави-

симости от пределов измерения из различных

материалов (стали, эбонита, алюминия, фторо-

пласта). Центрирование положения поплавка

внутри конической трубки достигается примене-

нием специальной винтовой насечки на ободе

поплавка. Под действием движущегося потока

поплавок перемещается в вертикальном направ-

лении и одновременно вращается вокруг своей

оси, что и обеспечивает его центрирование в се-

редине потока.

Объемный расход среды, протекающей че-

рез ротаметр, определяется по перемещению по-

плавка вдоль шкалы, нанесенной на боковой по-

верхности корпуса ротаметра.

Принцип действия ротаметра основан на уравновешивании при

любом расходе силы тяжести самого поплавка другими силами, дей-

ствующими на него со стороны жидкости.

Снизу на поплавок действуют следующие силы:

- сила, обусловленная разностью статических давлений Р

–Р

равная Р

ст

=(Р

–Р

)⋅F, где F – площадь сечения поплавка;

Рисунок 4.26 – Ротационный

расходомер

1 – корпус;

2 – поплавок;

Рисунок 4.27 – Схема

ротаметра

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

184

- динамическое давление со стороны набегающей на поплавок

движущейся среды

ρ⋅

= ,

где w – скорость потока перед поплавком, м/с;

- сила трения потока о боковую поверхность поплавка

тр

=к⋅W

⋅F

, где к – коэффициент, зависящий от шерохова-

тости поплавка; W

– средняя скорость потока в кольцевом

зазоре между корпусом и поплавком; F

– площадь боковой

поверхности поплавка.

Поплавок будет неподвижно висеть в потоке жидкости или газа,

если будет соблюдаться равенство сил, действующих на него сверху и

снизу:

G=(P

–P

)⋅F+P

+Р

тр

(4.41)

Если пренебречь силами P

и Р

тр

, то можно записать

=− (4.42)

т.е. перепад давления на поплавке не зависит от расхода, поэтому ро-

таметры называются еще расходомерами постоянного перепада, что

видно из формулы (4.42), где отношение веса поплавка G к его попе-

речному сечению F есть величина постоянная (G/F=const). При увели-

чении расхода увеличивается площадь кольцевого зазора, что будет

соответствовать новому положению поплавка.

Формула расхода для ротаметров выражается сложной зависимо-

стью, определяемой большим количеством параметров:

(

)

Vg2

пп

⋅ρ

ρ−ρ⋅⋅⋅

⋅α= , м

/с (4.43)

где α - коэффициент расхода, зависящий от конусности корпуса

прибора, потерь на местные сопротивления и трение при

движении среды в ротаметре, геометрической формы по-

плавка и ряда других параметров;

– объем поплавка, м

;

и ρ - плотность материала поплавка и протекающей среды, кг/м

Так как коэффициент расхода α аналитически определить невоз-

можно, то на практике ротаметры градуируются экспериментально по

воде или воздуху, а соответствующие градуировочные характеристики

приводятся в паспорте прибора.

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

185

Если в процессе измерения изменяется плотность среды (из-за

изменения давления или температуры) или измеряется другой тип

среды (вместо воздуха или воды измеряются другие газы или другие

жидкие среды), то показание ротаметра нужно умножить на попра-

вочный множитель "к", определяемый по формуле:

(

)

()

грп

пгр

ρ−ρ⋅ρ

= (4.44)

где ρ

гр

и ρ – градуировочная и действительная плотность среды.

Погрешность измерения расхода ротаметром может быть опреде-

лена через погрешность величин, входящих в формулу (4.43). Наи-

большее влияние на погрешность оказывает изменение коэффициент

расхода α, а также неточность определения плотности среды, отличие

массы поплавка от расчетного значения и другие. Обычный класс

точности ротаметров составляет 2,5, однако, погрешность измерения

может быть уменьшена в 2-3 раза индивидуальной градуировкой с

использованием образцовых расходомеров.

Недостатками ротаметров являются: необходимость установки

только на вертикальных участках трубопроводов, трудности дистан-

ционной передачи показаний и записи, невозможность применения

для сред с высоким давлением и температурой.

4.9 Тенденции развития средств измерения расхода

В настоящее время выпускается более 100 различных типов рас-

ходомеров, многие из которых используются только в лабораторной

практике и непригодны для промышленного применения. Все произ-

водимые промышленностью расходомеры можно разделить на две

основные категории: расходомеры, действие которых основано на из-

влечении энергии из измеряемой среды, и расходомеры, действие ко-

торых основано на передаче энергии измеряемой среде. Большинство

применяемых расходомеров основано на извлечении энергии из дви-

жущейся в трубопроводе жидкой или газовой среды, что сопровожда-

ется нежелательным явлением – необратимой потерей давления изме-

ряемой среды. Для другой группы расходомеров, в которых энергия

сообщается среде, потеря давления в измеряемой среде практически

отсутствует.

Извлечение энергии из измеряемого потока, связанное с сужени-

ем канала, может происходить в различных типах приборов путем

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

186

уменьшения сечения канала, помещения в поток ротора или тела не-

обтекаемой формы. Все элементы и устройства, создающие разность

давлений, имеют квадратичную зависимость выходного сигнала от

значения расхода, что ограничивает их рабочий диапазон. Так, напри-

мер, измерение расхода в соотношении 5:1 соответствует изменению

разности давлений в отношении 25:1. Так как рабочий диапазон изме-

рительных преобразователей разности давлений ограничен, это суще-

ственно снижает диапазон измерения расхода. Анализ показывает,

что, несмотря на недостатки, приборы, основанные на принципе су-

жения потока пока занимают лидирующее положение в промышлен-

ности, однако, наблюдается тенденция к уменьшению их доли. Даль-

нейшее производство и эксплуатация расходомеров такого типа будет

связана с усовершенствованием преобразователей на базе использова-

ния микропроцессорной техники, повышающей точность измерения в

несколько раз.

При измерении массового расхода (кг/ч, кг/с) расходомерами лю-

бых типов разработаны средства преобразования, выходной сигнал

которых является прямой функцией только массового расхода, т.е.

температура, давление и свойства жидкости или газа не влияют на вы-

ходной сигнал. В таких расходомерах применяется микропроцессор-

ное устройство, в котором производится обработка поступающей ин-

формации от других чувствительных элементов и вносится поправка в

значение массового расхода на температуру, давление и состав изме-

ряемой среды. Расходомеры для измерения массового расхода, в кото-

рых автоматически вводится коррекция на изменение параметров сре-

ды, особенно эффективны для измерения расхода газообразного топ-

лива (природного, коксового, доменного, генераторного и др.). В про-

цессе измерения температура, давление и состав газа могут меняться в

широких пределах, что может существенно влиять на технологиче-

ский процесс, если не производить соответствующие поправки.

Альтернативой измерительным приборам с сужающими устрой-

ствами предлагаются вихревые расходомеры для измерения расхода

жидких сред и особенно пара. В таких приборах в движущийся поток

помещается тело необтекаемой формы (прямоугольной, треугольной,

Т-образной), возле которых образуются вихри. Частота следования

вихрей зависит от скорости, а значит от расхода среды в трубопрово-

де. Существует несколько методов обнаружения этих вихрей. Наибо-

лее часто в качестве чувствительного элемента в вихревых расходо-

мерах применяется термистор, который преобразует динамическое

воздействие при пульсации вихрей в частотный электрический сигнал.

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

187

Обработка сигнала осуществляется в предусилителе и полосовом

фильтре, а затем в микропроцессоре, который выдает информацию о

расходе (объемном или массовом) движущейся в трубопроводе среды.

На основе развития микроэлектроники усовершенствованы теп-

ловые расходомеры (например, термоанемометры). Терморасходоме-

ры основаны на двух основных принципах. В первом случае нагретое

тело соприкасается с потоком жидкости и охлаждающее действие

жидкости (степень охлаждения нагретого тела в потоке среды) являет-

ся мерой скорости (расхода). Во втором случае теплота от нагретого

тела передается потоку жидкости, текущей в закрытом канале, а коли-

чество передаваемой теплоты и увеличение (уменьшение) температу-

ры потока определяет массовый расход жидкой среды.

К расходомерам первого типа относятся термоанемометры с на-

гретой нитью или пленкой для локального измерения скорости потока.

Ко второму типу относятся устройства для определения полного мас-

сового расхода. Термоанемометры с нагретой пленкой отличаются

стабильной характеристикой и прочностью, однако, им свойственна

заметная инерционность. Наиболее перспективными приборами такого

типа можно считать многоканальные термоанемометры, предназна-

ченные для измерения составляющих скорости двух или трех направ-

лений. Они могут быть использованы как в лабораторной, так и в про-

мышленной практике для определения аэродинамических характери-

стик потоков жидкой или газовой среды в измеряемых объектах (тру-

бопроводах, рабочем пространстве технологических установок и др).

Анализ развития средств измерения расхода показывает, что со-

вершенствование расходомеров будет идти по пути разработки чувст-

вительных элементов, располагаемых вне трубопроводов без наруше-

ния их целостности и с широким применением микропроцессорных

устройств.

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

188

5 ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДАВЛЕНИЯ

5.1 Общие сведения

Большинство современных систем измерения давления (перепа-

да давления) жидких и газообразных сред в технологических агрега-

тах состоят из первичного преобразователя, вторичного прибора и со-

единяющей их линии связи (рисунок 5.1).

Первичный преобразователь 1

располагается около места измерения

(около объекта) 4 и предназначен для

преобразования измеряемого давления

Р в электрический (пневматический)

сигнал U, удобный для передачи по

линии связи 2 к вторичному прибору 3,

устанавливаемому на щите управле-

ния. Чаще всего при измерении давле-

ния с использованием преобразователя

применяются деформационные уст-

ройства в качестве чувствительных

элементов, например мембрана. При

изменении давления мембрана будет прогибается и смещение ее цен-

тра однозначно определяет давления газа или жидкости. Для преобра-

зования линейного перемещения центра мембраны в унифицирован-

ный электрический выходной сигнал наибольшее распространения по-

лучили дифференциально-трансформаторные, ферродинамические

преобразователи, а также преобразователи с магнитной компенсацией.

Тип преобразователя выбирается в зависимости от вида преобразуемо-

го механического сигнала (линейное или угловое перемещение, уси-

лие) и заданного вида сигнала, передаваемого по линии связи (ток, на-

пряжение, пневмосигнал и т.д.).

Современные измерительные преобразователи выпускаются с

унифицированными выходными сигналами, что обеспечивает взаимоза-

меняемость средств измерений (вторичных приборов) и позволяет со-

кратить типы вторичных приборов. Широкое распространение получили

преобразователи с выходным сигналом переменного тока. Этот сигнал

представляется в виде изменения взаимной индуктивности в диапазоне

0-10 мГ или в виде изменения напряжения – переменного тока в таких

U=f(P)

1 – первичный преобразователь;

2 – линия связи; 3 – вторичный

прибор; 4 - объект

Рисунок 5.1 – Схема системы

измерения давления

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

189

пределах: –1…+1 В; 0…2 В; 1…3 В. Наиболее перспективными являют-

ся преобразователи с унифицированным выходным сигналом постоян-

ного тока 0 – 5,0 – 20 и 4 – 20 мА; применяются также преобразователи с

выходным сигналом напряжения постоянного тока с диапазоном его

изменения 0 – 10 и 0 – 5 В, а также с частотным электрическим сигналом

в диапазоне 4 – 7 кГц. Использование постоянного тока позволит изба-

виться от влияния индуктивности и емкости линии связи, повышает по-

мехостойкость линии связи и обеспечивает их достаточную протяжен-

ность. Важным фактором является также возможность использования

выпускаемых вторичных приборов постоянного тока, регулирующих

приборов и средств вычислительной техники с входными сигналами

постоянного тока. В некоторых отраслях промышленности, таких как

химическая и пищевая, где электрические преобразователи применять

нецелесообразно, широко применяются преобразователи с унифициро-

ванным пневматическим сигналом в пределах 20 – 100 кПа.

5.2 Дифференциально-трансформаторные преобразователи

Дифференциально – трансформаторные преобразователи (ДТП)

предназначены для преобразования линейного перемещения сердеч-

ника, связанного с мембраной чувствительного элемента, в выходной

электрический сигнал.

Принцип действия ДТП основан

на зависимости взаимной индуктивно-

сти между первичной обмоткой (обмот-

кой возбуждения) и вторичной обмоткой

от положения сердечника. Преобразова-

тель представляет собой трансформатор

(рисунок 5.2), имеющий обмотку возбу-

ждения 1 и две секции 2 и 3 вторичной

обмотки, включенные встречно. Созда-

ваемый первичной обмоткой перемен-

ный магнитный поток будет пронизы-

вать обе секции вторичной обмотки,

возбуждая в них переменные ЭДС U

. Если сердечник располагается сим-

метрично относительно двух секций

вторичной обмотки (как показано на ри-

сунке 5.2), то U

и результирующее

напряжение между точками "а" и "б"

1 – первичная обмотка;

2, 3 – вторичные обмотки

Рисунок 5.2 – Схема диффе-

ренциального трансформатор-

ного преобразователя

∼

∆