книги из ГПНТБ / Ильинский В.М. Измерение массовых расходов

В. M. ИЛЬИНСКИЙ

ИЗМЕРЕНИЕ

МАССОВЫХ

РАСХОДОВ

6П2.1.08І И 46

УДК 681.121.1

Гос. пубчкчиая

Книга предназначена для инженерно-технических работников, занятых автоматизацией теплоэнергетических объектов транспортной, топливной, нефтегазовой, химической и авиационной промышленности, а также для студентов соответствующих специальностей,

© Издательство «Энергия», 1973 г.

Предисловие

Точное измерение расходов определяет возможность автоматизации и регулирования современных теплоэнер­ гетических объектов, а также большинства непрерывных химических процессов. В ряде областей новой техники и промышленности (осрбенно в химической и топливной) существует необходимость измерения массового расхода различных веществ. Рост требований к автоматизации, экономичности, скоростям и другим техническим показа­ телям химико-технологических процессов вызывает не­ обходимость применения массовых расходомеров.

в массовых соотношениях. Развитие гидро- и пневмо­ транспорта, использование двухфазных и кипящих пото­ ков, учет расходования веществ в различных производ­ ственных процессах, большой класс экспериментальных работ в самых разнообразных областях современной техники также требует использования массовых расхо­ домеров.

Массовые расходомеры необходимы для измерения расхода тепла, вырабатываемого или потребляемого со­ временными энергоустановками, . когда производится умножение массового расхода теплоносителя на раз­ ность теплосодержания теплоносителя на входе и выходе котлоа.грегата, теплообменника и т. д. »

Следствием большой потребности в таких расходомерных устройствах и необходимости их широкого распространения при автоматизации химико-технологиче­ ских процессов явились интенсивные исследования и раз­ работка новых принципов и устройств измерения массо­ вых расходов в нашей стране и за рубежом. Сейчас первостепенную важность приобретает разработка общей теории расходомеров, единых методов оценки свойств

3

ГЛАВА ПЕРВАЯ

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ МАССОВЫХ РАСХОДОМЕРОВ

1. Массовые расходомеры с коррекцией

Массовые расходомеры как самостоятельная группа измерительных приборов получили свое развитие в са­ мые последние годы. Вместе с тем гидродинамика и теп­ лотехника почти с самого своего зарождения оперирова­ ли понятием массового расхода. Такое положение объяс­ няется повышением требований к точности измерений расходов и отсутствием до недавнего времени удовлетво­ рительных технических решений приборов, измеряющих массовый расход.

В нашей стране и за рубежом ведутся интенсивные исследования и разработка принципов и устройств изме­ рения массовых расходов, причем развиваются как но­ вые типы расходомеров, так и традиционные методы с применением современных достижений электроники, метрологии и вычислительной техники.

В общем случае объемный расход Q и массовый рас­ ход G записываются так

где а и р — соответственно местные скорость и плотность потока в сечении 5.

Приведенные выражения показывают, что при точ­ ных измерениях или при оценке погрешности тех или иных методов измерения должны учитываться неравно­ мерность скорости и плотности потока по сечению. Одна­ ко при оценке физической сущности методов измерения обычно принимают равномерным распределение скоро-

5

сти и плотности по сечению рассматриваемого потока. Тогда

Q — vS и G = pvS = Qp.

Современной техникой достаточно широко применя­ ются традиционные методы измерения объемных расхо­ дов и плотности потока с использованием дополнитель­ ных вычислительных устройств, позволяющих получить значения массовых расходов [Л. 1]. Например, системы измерения расхода по перепаду давления, измеряющие величину ру2 , комплектуются датчиками, измеряющими скорость потока ѵ. В этом случае вторичная схема, про­ изводя деление величин pu2 на ѵ, определяет произведе­ ние рѵ или величину массового расхода.

Применяются массовые расходомеры жидкости или газа, основанные на преобразовании информации, полу­ чаемой от гидродинамических измерителей расхода с ли­ нейной зависимостью от плотности и квадратичной за­ висимостью от объемного расхода [Л. 54].

В таких системах измерители расхода и плотности имеют, как правило, линейные преобразователи неэлек­ трических величин в электрические напряжения ui и и2. Для этих устройств расход по массе определяется выра­ жением

Таким образом, для получения информации о расхо­ де по массе необходимы вычислительные устройства из­ влечения квадратного корня из (произведения двух пере­ менных величин. Для этих целей применяют кулачковые профилированные устройства, пневматические сильфонные вычислительные устройства, а также электрические функциональные преобразователи с применением полу­ проводниковых диодов и на подогреваемых сопротивле­ ниях, работающих по способу равных температур.

Находят применение струнные преобразователи, где измеряемая величина, яреобразовадная в усилие рас­ тяжения струны, пропорциональна квадрату частоты собственных колебаний струны, помещенной в магнитное поле. В таких случаях необходимо осуществить .опера­ цию перемножения частотных сигналов, полученных от двух измерителей со струнными преобразователями. Умножение двух частот или серий импульсов связано со значительными трудностями.

6

Все перечисленные преобразователи н устройства до­ вольно сложны. Для электрических преобразователей и подогреваемых сопротивлений требуются усилители с вы­ соким коэффициентом усиления. Преобразователи (за исключением струнных и с электрическими контурами) имеют аналоговый выход, и для преобразования инфор­ мации в цифровой вид требуются дополнительные устройства.

Представляет интерес разработанная в институте Гипровостокнефть информационно-измерительная систе­ ма контроля расхода по массе, которая лишена указан­ ных недостатков.

Принципиальная схема этого устройства состоит из гидродинамического измерителя расхода с индуктивным преобразователем перемещений, измерителя плотности (например, гидростатического) с емкостным преобразо­ вателем перемещений, мультивибратора, смесителя, опор­ ного генератора, счетчика импульсов и блока питания.

Решение функции массового расхода в устройстве

измеряемых величин.

В результате на выходе схемы вырабатывается ча­ стота, пропорциональная расходу по массе, которую фиксирует счетчик импульсов.

Таким образом, разработанный прибор позволяет зна­ чительно повысить точность и надежность измерения расхода по массе за счет упрощения вычислительного устройства и применения преобразователей с гиперболи­ ческими характеристиками [Л. 54].

Другим наиболее распространенным методом измере­

ние выходных величин скоростных расходомеров и плот­ номеров [Л. 2]. В качестве скоростных или объемных расходомеров могут применяться:

1. Тахометрические расходомеры, в которых тахи­ метрическое устройство измеряет зависящую от расхода

7

текущего вещества скорость вращения крыльчатки, рото­

кости, которая при своем движении пересекает магнит­ ное поле.

3.Ультразвуковые расходомеры, в которых исполь­ зуется явление смещения звукового колебания движу­ щейся средой.

4.Термоанемометры, в измерительной зависимости которых используется соотношение между количеством тепла, теряемым непрерывно нагреваемым или предва­ рительно нагретым телом, и скоростью потока, в кото­ ром это тело находится.

5.Расходомеры, основанные на контроле движения «меток» и состоящие из устройства, периодически созда­ ющего ту или иную «метку» потока, и устройств, фикси­ рующих моменты прохождения «меток» через определен­ ные сечения потока [Л. 3].

6.Расходомеры, использующие зависимость от рас­ хода частоты колебаний, пропорциональных скорости потока и возникающих в потоке в процессе вихреобразования при обтекании тела, помещенного в поток.

В качестве плотномеров для расходомеров исполь­ зуются приборы самых различных принципов действия. Наибольшее распространение в настоящее время полу­ чили электроемкостные плотномеры, принцип действия которых основан на использовании зависимости плотно­

пользованы только для коррекции по плотности потоков, физические характеристики которых хорошо изучены и характер изменения которых определенным образом учитывается во вторичной схеме расходомера.

Достаточно широкое распространение получили плот­ номеры, или системы, реализующие зависимость плотно­ сти жидкости или газа от температуры. В этом случае информацией о плотности потока жидкости является его температура, а для газов кроме температуры необходи­ мо измерять давление и коэффициент сжимаемости,

В технике измерения массовых расходов также нахо­ дят применение вибрационные плотномеры, которые вы­ полняются по принципу изменения частоты собствен-

8