Технические измерения и приборы

Формулы (9.1) и (9.2) справедливы для несжимаемых жидкостей. При измерении расхода газа или пара плотность среды изменяется при прохождении через сужающее устройство вследствие изменения давления. Это учитывается введением в уравнения расхода поправочного множителя на расширение измеряемой среды . Тогда уравнения для массового Qм и объемного Qо расхода принимают вид:

Выражения (9.3) и (9.4) являются основными уравнениями расхода для расходомеров с сужающими устройствами. Они пригодны для сжимаемых и несжимаемых сред, причем для последних = 1. Использование этих формул предполагает, что значения , S0, p1 и p2 не должны зависеть от расхода. Тогда они могут быть записаны в виде:

где kм и kо – постоянные коэффициенты.

Между расходом и перепадом давления в сужающем устройстве существует определенная квадратичная зависимость, что позволяет дифманометры, измеряющие перепад давления p = p1 – p2, градуировать в единицах расхода. Такие дифманометры называются диф- манометрами-расходомерами. Для получения равномерной шкалы расходомера в кинематическую или электронную схему дифманометров или вторичных приборов включаются различные типы устройств, извлекающих квадратный корень.

Ограничением применения метода является суженный диапазон измерения каждого конкретного расходомера, охватывающий обычно

281

интервал 30 100 % максимального измеряемого расхода Qв.п (в.п – верхний предел измерения). Это означает, что использовать конкретный расходомер для измерения расходов в интервале 0 30 % его шкалы не рекомендуется, так как здесь не гарантируется достаточная точность измерения. Это вызвано тем, что в начале шкалы резко увеличивается относительная погрешность измерения перепада давления p. Действительно, при уменьшении расхода от Qв.п, например до 0,25Qв.п, в соответствии с (9.5) перепад давления в сужающем устройстве уменьшится

в16 раз, а при расходе 0,1Qв.п – в 100 раз, при этом относительная погрешность измерения перепада также увеличивается соответственно

в16 и 100 раз. Точность расходомера обычно гарантируется только

впределах шкалы 30 100 %.

Диапазон измерения расхода – 4 25000 м3/ч. Погрешность метода составляет 1,5 2,0 %.

Для правильной работы диафрагмы необходим прямой участок трубопровода, чтобы различные искажения потока, появляющиеся при его прохождении через закругления, колена, вентили и т. п., могли сгладиться.

Возмущения потока могут вызывать различные преобразователи, вмонтированные в трубопровод перед сужающим устройством. Диаметр трубопровода на прямом участке не должен изменяться.

Центр устанавливаемой диафрагмы должен точно совпадать с геометрическим центром трубопровода, в противном случае могут возникать ошибки в измерениях, достигающие значительной величины.

Направление уклона при замере расхода газа и воздуха должно идти в сторону сосуда для сбора влаги, выделяющейся из измеряемого агента; при замере расхода воды— от наивысшей точки, в которой должен быть смонтирован тройник с вентилем для выпуска воздуха.

Длина соединительной линии (считая по трассе подводящей трубки от места отбора давления до прибора)

282

должна быть не более 15м. Допускается длина соединительных линий до 50 м, при этом инерционность показаний прибора увеличивается.

Рекомендуемый внутренний диаметр соединительных линий к дифманометрам

9 - 10 мм, но не менее 6 мм.

Преобразователь расхода может быть смонтирован на горизонтальном, вертикальном или наклонном трубопроводе при условии, что весь объем трубы преобразователя расхода заполнен измеряемой средой.

При возможности выпадания осадка из измеряемой среды преобразователь расхода нужно устанавливать вертикально. В этом случае преобразователь необходимо периодически промывать. Вблизи места установки преобразователя и электронного блока не должно быть устройств, создающих сильные переменные магнитные поля. Во время эксплуатации необходимо периодически проверять нуль расходомера.

Достоинства расходомеров с сужающими устройствами:

1)сужающие устройства простые, дешевые и надежные средства измерения расхода;

2)сужающие устройства универсальны, т.е. могут применяться для измерения расхода практически любых однофазных (иногда и двухфазных) сред в широком диапазоне давлений, температур, расходов и диаметров трубопровода;

3)градуировочная характеристика стандартных сужающих устройств может быть определена расчетным путем, поэтому отпадает необходимость в образцовых расходомерных установках;

4)возможность использования для различных условий измерения однотипных по устройству дифманометров и вторичных приборов; индивидуальным для каждого расходомера является только сужающее устройство.

Недостатки расходомеров с сужающими устройствами:

283

1)нелинейная зависимость между расходом и перепадом, что

не позволяет измерять расходы менее 0,3 Qв.п из-за возрастания погрешности измерения;

2)необходимость индивидуальной градуировки сужающих устройств при измерении расходов в трубах малого диаметра;

3)ограниченная точность, причем погрешность измерения ко-

леблется в широких пределах (1,5 3 %) в зависимости от состояния сужающего устройства, диаметра трубопровода, постоянства давления и температуры измеряемой среды;

4)ограниченное быстродействие (инерционность) из-за наличия длинных импульсных трубок и в связи с этим трудности при измерении быстроменяющихся расходов.

5)потери давления на сужении.

Примером устаревших дифманометров, широко используемых в котельных установках, является ДМ – 3583М (класс точности 1,0; 1,5 на 1,6÷630 кПа), поставляемый одновременно с вторичными стрелочными приборами.

Расходомеры на сужающих устройствах могут быть востребованы по-прежнему в связи с применением новых цифровых датчиков перепада давления (Метран,

3095МV ф. Rosemount и др.)

Цифровые датчики могут компенсировать влияние на погрешность температуры, давления, линеаризировать характеристики.

К ним относятся интеллектуальный цифровой дифманометр EJA фирмы «Йокогова – электрик» (0,5÷500 кПа).

Используется монокристаллический резонансный сенсор, у которого разность выходных частот двух резонаторов пропорциональна деформации (перепаду давления). Этим обеспечивается более высокая стабильность, чем при аналоговых сигналах, «иммунитет» к вибрациям, температуре, статическому давлению и перегрузке, т.к. возмущения действуют на частоты в одну сторону.

Микропроцессорный вычислитель преобразует ∆f в сигнал 4÷20 ма.

284

Для связи с датчиком (считывание данных, перенастройка и т.д.) цифровой сигнал передаѐтся по BRAIN или HART-протоколу.

Достоинства датчика:

1.Широкий динамический диапазон;

2.Возможность цифровой коммуникации;

3.Широкие возможности конфигурирования;

4.Встроенная диагностика, упрощенный поиск неисправностей;

5.Модульная конструкция;

6.Высокая временная стабильность и низкая зависимость от влияющих факторов.

Диапазоны перенастройки: 5÷500 кПа; 1÷100; 0,5÷10; 0,1÷1 кПа. Погрешность: 0,07÷01 %.

Стабильность: 0,1 % в течение 24 месяцев.

Погрешность от изменения температуры воздуха: ±0,09 %. Диапазон по расходу: 1:32 (на стандартных сужающих устройствах).

Отметим, что в АСКУЭ «Ресурс» имеется модуль «Ресурс - GLH», позволяющий по токовому сигналу о перепаде давления рассчитать расход.

9.3.2. Измерение расхода по переменному перепаду давления в осредняющей трубке

Расходомеры переменного перепада давления с сужающими устройствами находят широкое распространение в промышленности. Однако из-за существующих ограничений на применение стандартные сужающие устройства не позволяют получить требуемые технические характеристики. В настоящее время выпускаются расходомеры, позволяющие частично преодолеть недостатки расходомеров переменного перепада давления.

Например, современные микропроцессорные датчики могут компенсировать влияние на погрешность температуры, давления, линеаризовать характеристики.

285

Один из подобных расходомеров – «Метран-350», принцип действия, которого представлен на рис. 9.3.

Основной элемент расходомера – осредняющая трубка Annubar Diamond II+, на которой возникает перепад давлений, пропорциональный расходу.

Рис. 9.3. Схема обтекания сенсора

Сенсор имеет в поперечном сечении форму ромба с острыми боковыми гранями и закругленными передней и задней кромками (см. рис. 9.3), что обеспечивает фиксированную точку отрыва потока измеряемой среды. Это позволяет уменьшить флуктуации статического давления за сенсором.

Принцип действия расходомера основан на измерении расхода среды методом переменного перепада давлений.

На обеих кромках расположены отверстия, число которых зависит от диаметра трубопровода (типоразмера сенсора). Через отверстия измеряемая среда поступает в соответствующую осредняющую камеру. Сенсор устанавливается перпендикулярно направлению потока, пересекая поток по всему сечению. Отверстия, направленные против течения среды, и соответствующая осредняющая камера воспринима-

286

ют давление скоростного напора среды, т.е. повышенное давление. Отверстия, направленные по течению среды, и соответствующая осредняющая камера воспринимают давление разрежения, т.е. пониженное давление. Перепад давлений пропорционален расходу.

При загрязненности измеряемой среды частицы, присутствующие в потоке, проходят вокруг сенсора вследствие зоны высокого давления и аэродинамической формы трубки, поэтому засорения отверстий не происходит.

На этом принципе построен расходомер «Метран-350-Р», который состоит из сенсора, монтажного и соединительного оборудования и датчика перепада давлений 3051 CD, который обеспечивает:

–измерение создаваемого на сенсоре перепада давлений, пропорционального объемному расходу при реальных значениях давления и температуры измеряемой среды;

–преобразование значения объемного расхода в выходной сигнал 4÷20 мА и/или цифровой код по протоколу HART, а также в показания текущих значений расхода на встроенном жидкокристаллическом индикаторе (ЖКИ).

Расходомер «Метран-350-М» состоит из сенсора, монтажного и соединительного оборудования и датчика 3095MV, который обеспечивает:

–измерение статического давления (избыточного или абсолютного);

–измерение возникающего на сенсоре перепада давлений;

–измерение температуры среды при помощи термопреобразователя сопротивления, размещенного в сенсоре;

–вычисление массового расхода и суммарной массы при реальных значениях давления и температуры измеряемой среды;

–вычисление объемного расхода и суммарного объема газа, приведенного к нормальным условиям;

–преобразование значения массового расхода в выходной сигнал 4÷20 мА и/или цифровой код по цифровому протоколу HART,

атакже в показания текущего значения объемного, массового расхода, суммарной массы или объема измеряемой среды, перепада давлений, статического давления, температуры на ЖКИ.

Расходомеры снабжены системой самодиагностики.

287

В зависимости от модели расходомера, диаметра трубопровода, параметров измеряемой среды объемный (массовый) расход находится в диапазоне от нескольких м3/ч (кг/ч) до миллионов м3/ч (т/ч) и рассчитывается производителем по данным опросного листа для конкретного применения. Динамический диапазон 8:1. Перечень измеряемых сред – до 150 взрывоопасных и горючих веществ.

Выходные сигналы:

–унифицированный токовый 4–20 мА, для расходомеров «Мет- ран-350-Р» токовый сигнал пропорционален объемному расходу, для расходомеров «Метран-350-М» токовый сигнал пропорционален массовому расходу и объемному расходу, приведенному к нормальным условиям;

–цифровой протокол HART.

Динамический диапазон 8:1. Пределы основной допускаемой относительной погрешности при измерении массового и объемного расхода ±1,5 %. Демпфирование токового выхода от 0,2 до 29 с.

Термометр сопротивления (Pt100) встроенный или внешний (в зависимости от модели). Однострочный ЖКИ. Питание от источника постоянного тока напряжением 11…55 В.

Взрывозащищенное исполнение двух типов: «взрывонепроницаемая оболочка» или «искробезопасная электрическая цепь».

Расходомер устойчив к воздействию следующих условий окружающей среды:

–температура окружающего воздуха:

–40…85 °С – без ЖКИ,

–20…80 °С – с ЖКИ;

–относительная влажность до 100 % при t < 35 °С;

–атмосферное давление от 84 до 106,7 кПа;

–вибрация с ускорением 9,8 м/с2 в диапазоне частот 15…2000 Гц;

–внешнее переменное магнитное поле напряженностью до

400 А/м, 50 Гц;

–внешнее постоянное магнитное поле напряженностью до

400 А/м

Степень защиты от воздействия пыли и воды IP65.

288

289

жается и, таким образом, возникает разность между давлением p1 в сечении АА до начала сужения и давлением p2 в самом узком сечении ВВ кольцевой струи. С подъемом поплавка площадь fк увеличивается, что в случае неизменного расхода приведет к уменьшению разности p1 – p2. Принцип действия ротаметра основан на уравновешивании при любом расходе силы тяжести поплавка силами, действующими на него со стороны жидкости. При этом вертикальное положение поплавка будет однозначно связано с расходом.

На поплавок, имеющий объем V, наибольшее сечение f, среднюю плотность , сверху вниз действует сила тяжести

Снизу вверх на поплавок действуют:

1) сила, обусловленная разностью статических давлений p1 – p2, возникающая вследствие ускорения потока в кольцевом зазоре меж-

3) сила трения потока о боковую поверхность поплавка N = kvnк fб, где k – коэффициент, зависящий от числа Рейнольдса и степени шероховатости поплавка; vк – средняя скорость потока в кольцевом зазоре; n – показатель степени, зависящий от скорости; fб – площадь боковой поверхности поплавка.

Число Рейнольдса (Re) представляет собой отношение сил инер-

где v – средняя по сечению трубопровода скорость потока, D – диаметр трубопровода, – кинематическая вязкость потока.

290