|
|
ОглавлениеГлава 2. Методы и приборы для измерения давления Глава 3. Методы и приборы для измерения температуры Глава 4. Методы и приборы для измерения расхода Глава 5. Методы и приборы для измерения уровня Глава 6. Методы и приборы измерения геометрических размеров Глава 7. Методы и приборы для измерения вибрации Глава 8. Измерение параметров электромагнитной совместимости Глава 9. Методы и приборы измерения свойств вещества Глава 10. Методы и приборы измерения состава вещества Глава 11. Сопряжение датчиков с системами управления Часть 2. Технологические основы испытаний. Глава 12. Организация испытаний Глава 13. Испытания на воздействия факторов внешней среды Глава 14. Испытания изделий на воздействие внешних механических и гидрогазовых факторов Глава 16. Испытания трубопроводной арматуры Глава 18. Испытания газотурбинных газоперекачивающих агрегатов Для бесплатного чтения доступна только часть главы! Для чтения полной версии необходимо приобрести книгуГлава 9. Методы и приборы измерения свойств вещества9.1. Измерение плотности веществаПлотность вещества — величина, равная отношению массы вещества mВ к его объему VB: ρВ= mВ / VB (9.1) Единицы измерения плотности — кг/м3, г/см3. Относительная плотность dВ ( величина безразмерная) — это плотность данного вещества ρВ, деленная на плотность ρО вещества, взятого за эталон: dВ = ρВ / ρО (9.2) Эталоном, или стандартным веществом, являются либо дистиллированная вода при давлении 101 325 Па (1 атм) и температуре +3,98 °С, либо сухой воздух при нормальных условиях (101 325 Па, 0 °С). Плотность воды при +3,98 °С и 101 325 Па равна 1,0000 г/мл, а плотность воздуха в нормальных условиях — 1,2928 г/л при составе (массовые доли): 0,7547 азота, 0,2310 кислорода, 0,0129 аргона и 0,00046 углекислого газа. Для сыпучих и пористых твердых веществ различают плотности истинную (масса единицы объема плотного материала, не содержащего пор), кажущуюся (масса единицы объема пористого материала из зерен или гранул) и насыпную (масса единицы объема слоя материала). Одной из важных характеристик кристаллического вещества служит рентгеновская плотность (определяет рентгенографически). Она представляет собой отношение массы атомов, находящихся в элементарной ячейке кристалла вещества, к ее объему; выражается в обычных единицах плотности. Плотность зависит от температуры и почти не зависит от давления. Для небольших изменений температуры зависимость плотности от температуры определяется выражением: ρt = ρ20 (1 – β(t – to)) (9.3) где ρ20 — плотность при нормальных условиях (обычно t0 = +20 °С); β — коэффициент объемного расширения. Поскольку плотность и относительная плотность зависят от температуры, подстрочным индексом указывают температуру, при которой измерялась плотность, например ρ25 и d20. Если плотность эталонного вещества измерена при температурах, отличных от приведенных выше, то символ относительной плотности снабжается двумя индексами. Например, обозначение (N20) = 1,5300 свидетельствует, что относительная плотность оксида диазота измерена при +25 °С относительно плотности воздуха, определенной при +5 °С.Часто оказывается достаточным принимать плотность воздуха равной 0,0012 г/см3. Однако изменения температуры, атмосферного давления и относительной влажности могут до 5% изменить плотность воздуха. Поэтому при точных измерениях необходимо вычислять плотность воздуха с учетом температуры, давления и относительной влажности воздуха. Плотность при постоянной температуре характеризует состав анализируемого вещества и является одним из показателей качества продуктов производства в химической, нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности. По принципу действия плотномеры можно разделить на следующие группы: весовые, поплавковые, гидростатические, радиоизотопные и вибрационные. Весовой плотномер Принцип действия весовых плотномеров основан на непрерывном взвешивании определенных объемов жидкости. Схема весового плотномера типа ДУВ-ТК изображена на рис. 9.1. Чувствительным элементом прибора является U-образная трубка 4, соединенная с подводящими патрубками при помощи гофрированных сильфонов 8. Вес чувствительного элемента G = Go + Vgρ (9.4) где, Gо — вес U-образной трубки без жидкости; V — внутренний объем U-образной трубки; g — ; ρ — плотность жидкости. Изменение плотности жидкости вызовет пропорциональное приращение веса чувствительного элемента: ΔG = VgΔρ. (9.5) Рис. 9.1. Схема весового плотномера ДУВ-ТК [17] Положение равновесия U-образной трубки изменится и заслонка переместится относительно сопла, что вызовет изменение давления воздуха на выходе пневматического усилителя. Давление выходного пневматического сигнала поступает в сильфон обратной связи 6, который через промежуточный рычаг 7 передает усилие на U-образную трубку и система приходит в равновесие. Давление выходного пневматического сигнала регистрируется вторичным прибором, шкала которого калибрована в единицах плотности. Для автоматического введения поправки на изменение плотности при изменении температуры технологической среды в конструкции прибора предусмотрены два термобаллона (один на входе, другой на выходе потока), соединенные капиллярной трубкой с сильфоном 12. Внутренний объем термобаллонов и сильфона заполнен сжатым азотом. При отклонении температуры технологической среды от +20 оС, давление сжатого азота передается на сильфон 12, который создает усилие, приложенное к рычагу 7, и вызывает дополнительное смещение U-образной трубки, внося тем самым поправку. Для автоматического введения поправки на изменение плотности при изменении температуры и давления окружающей атмосферы, предусмотрен компенсационный сильфон 11. Внутренняя полость сильфона герметично заполнена сжатым азотом. При изменении температуры и давления окружающей атмосферы давление сильфона передается на рычаг 7, и вызывает дополнительное смещение U-образной трубки, внося тем самым дополнительную поправку. Для устранения возмущающих колебаний предусмотрено демпфирующее устройство 5. Поплавковый плотномер Поплавковые плотномеры бывают двух типов: с плавающим поплавком, представляющим собой ареометр постоянного веса, и с полностью погруженным поплавком, представляющим ареометр постоянного объема. На рис. 9.2 представлена схема поплавкового плотномера с пневматической дистанционной передачей. Жидкость подается в камеру 1 через кольцевой распылитель в средней части камеры, а выходит через нижний и верхний отводные трубопроводы, таким образом обеспечивается минимальное воздействие гидродинамических сил потока на поплавок. Измерительный поплавок закреплен на рычаге 3, который выходит из камеры 1 через уплотнительный сильфон 4. С целью повышения чувствительности вес поплавка уравновешивается с помощью контргрузов 12. Рис. 9.2. Поплавковый плотномер: 1 — камера; 2 — буек; 3 — главный рычаг; 4 — уплотнительный сильфон; 5 — сильфон термокомпенсатор; 6 — сильфон обратной связи рычаг; 7 — пневмоусилитель мощности; 8 — постоянный дроссель; 9 — узел «сопло-заслонка»; 10 — сильфон термокомпенсатор; 11 — постоянный дроссель; 12 — груз; 13, 14 — термобалоны При погружении в жидкость полый поплавок, согласно закону Архимеда, испытывает действие выталкивающей силы, равной весу вытесненной им жидкости. В тот момент, когда выталкивающая сила становится равной весу поплавка, наступает состояние равновесия, и поплавок начинает плавать в жидкости. Чем больше плотность жидкости, тем на меньшую глубину погружается поплавок. При изменении плотности жидкости положение равновесия поплавка 2 изменится и заслонка 9 переместится относительно сопла, что вызовет изменение давления воздуха на выходе пневматического усилителя 7. Давление выходного пневматического сигнала поступает в сильфон обратной связи 6, который через промежуточный рычаг 3 передает усилие на поплавок 2 и система приходит в равновесие. Давление выходного пневматического сигнала регистрируется вторичным прибором, шкала которого калибрована в единицах плотности. Для автоматического введения поправки на изменение плотности при изменении температуры технологической среды в конструкции прибора предусмотрены два термобаллона (один на входе 13, другой на выходе 14 потока), соединенные капиллярной трубкой 11 с сильфоном 10. Внутренний объем термобаллонов и сильфона 10 заполнен сжатым азотом. При отклонении температуры технологической среды от +20 оС давление сжатого азота передается на сильфон 10, который создает усилие, приложенное к рычагу 3, и вызывает дополнительное смещение поплавка, внося тем самым поправку. Для автоматического введения поправки на изменение плотности при изменении температуры и давления окружающей атмосферы, предусмотрен компенсационный сильфон 5. Внутренняя полость сильфона 5 герметично заполнена сжатым азотом. При изменении температуры и давления окружающей атмосферы давление сильфона 5 передается на рычаг 3, и вызывает дополнительное смещение поплавка, внося тем самым дополнительную поправку. Изменение выталкивающей силы, пропорциональное изменению плотности, преобразуется преобразователем в унифицированный пневматический сигнал, который поступает на вторичный прибор. Гидростатические плотномеры Действие гидростатического плотномера основано на том, что давление, создаваемое столбом жидкости постоянной высоты, пропорционально ее плотности (рис. 9.3). Температурная компенсация обеспечивается при равенстве температур эталонной и контролируемой жидкостей, которое достигается размещением сосуда с эталонной жидкостью в сосуде с контролируемой жидкостью, где он омывается контролируемой жидкостью. Чтобы исключить влияние колебаний температуры и уровня жидкости, применяют дифференциальный метод: продувают воздух одновременно через испытуемую 1 и сравнительную 4 жидкости, имеющие одинаковую температуру (термостатированные), и измеряют возникшую при этом разность давлений дифманометром 6. Последний снабжен пневмопреобразователем, передающим соответствующий сигнал на вторичный прибор 9. Рис. 9.3. Пьезометрический плотномер Пьезометрический плотномер состоит из сосуда 1 с жидкостью, плотность ρx которой измеряется, сосуда 4 с эталонной жидкостью известной плотности ρ0, дифманометра 6 и пьезометрических трубок 2, 3, 5, через которые продувается сжатый воздух. Пьезометрические трубки опущены в сосуд 1 на глубину h1 и h2, а пьезометрическая трубка 5 в сосуд 4 на глубину ho. Сжатый воздух, поступающий от источника питания 7 через регулировочные вентили 8, проходит через пьезометрические трубки 2, 3, 5, слои исследуемой жидкости высотой h1, h2, ho и уходит в атмосферу. При этом в трубке 2 возникает давление продувочного воздуха Р1 направляемое в плюсовую камеру дифманометра 6, а в пьезометрических трубках 3 и 5 давление Р2, направляемое в минусовую камеру дифманометра 6. Для измерения плотности нет необходимости поддерживать постоянный уровень измеряемой жидкости в емкости 1. При любом уровне в емкости 1 разность столбов жидкости постоянна (h1 — h2) == h и перепад давлений будет зависеть только от плотности жидкости. ΔP = ρxgh – ρ0gh0, (9.6) где ΔP — перепад давления; g — . Достаточно применить в качестве измерительного устройства дифманометр 6. При таком включении он измеряет разность давлений, создаваемых столбами жидкости. Применение в гидростатических плотномерах в качестве измерительного устройства дифманометра 6 позволяет использовать их в емкостях с избыточным давлением, поскольку оно оказывает одинаковое воздействие на обе камеры дифманометра — плюсовую и минусовую и не влияет на результат измерения. Рис. 9.4. Пьезометрический плотномер для газов [17] В гидростатическом плотномере для газов (рис. 9.4) сравниваются давления столбов анализируемого Р1 и эталонного Р2 газов одинаковой высоты 1. Перепад давлений, измеряемый дифманометром 2, пропорционален плотности контролируемого газа. Вибрационные плотномеры В вибрационных плотномерах плотность жидкости или газа определяется по резонансной частоте некоторого тела (вибратора), взаимодействующего с измеряемой средой. В зависимости от способа контакта механического резонатора с контролируемой средой различают проточные и погружные плотномеры. В первых жидкость протекает внутри резонатора и участвует в колебаниях как инертная масса, жестко связанная с ним. В таких приборах колебательная система, как правило, выполняется на основе трубчатых резонаторов. В погружных плотномерах механический резонатор, например камертон, помещают в контролируемую среду на некоторую глубину, и ее влияние подобно действию некоторой «присоединенной массы», связанной с резонатором и увлекаемой им в колебательное движение. Величина присоединенной массы зависит от плотности вещества, следовательно, девиация частоты резонансных колебаний является параметром, по которому определяется плотность. На основе этого принципа разработан вибрационный плотномер 804 (рис. 9.5). Первичный преобразователь представляет собой стальной трубчатый корпус, в котором закреплены жестко соединенный с камертоном пьезопреобразователь и термопреобразователь. Автогенератор электронного блока с помощью пьезопреобразователя возбуждает колебания камертона. При изменении плотности измеряемой среды, в которую погружен камертон, частота его колебаний изменяется. Электронный блок преобразует частоту с корректировкой по измеряемой термопреобразователем температуре измеряемой среды в цифровой и аналоговый выходной сигнал, а также отображает на дисплее четырехзначное значение плотности в кг/м3. Рис. 9.5. Плотномер 804 Плата индикации и управления содержит жидкокристаллический дисплей и кнопки, позволяющие производить операции контроля, настройки и калибровки плотномера. Для снижения влияния температуры измеряемой среды на электронику, первичные преобразователи имеют термобуфер. Для применения в условиях периодического снижения температуры окружающего воздуха до –70 °С предусмотрен автоматический внутренний подогреватель, не допускающий снижения температуры внутри электронного блока ниже –30 °С. Рис. 9.6. Монтаж плотномеров на емкости и трубопровод Плотномеры устанавливаются на емкости и трубопроводы в приварные бобышки (рис. 9.6). Плотномеры устанавливаются на трубопроводы с внутренним диаметром не менее 100 мм и скоростью потока до 0,5 м/с для жидких сред и, соответственно, 70 мм и 5 м/с для газообразных. При меньших диаметрах трубопровода или больших скоростях потока плотномеры следует устанавливать в расширителях или байпасах (ответвителях), понижающих скорость потока. При установке плотномера в трубопроводах лопатки ориентируют вдоль потока. При установке следует учитывать возможность налипания на стенки емкости вязких фракций. Для исключения влияния налипания следует увеличить дистанцию от лопаток камертона до стенки емкости. Технические характеристики Диапазон измерения плотности среды, кг/м3: 0–2000. Диапазоны калибровки измерения плотности, кг/см3: –по газу: 0–160: –по жидкости: 620–1630. Пределы допускаемой абсолютной погрешности измерения в рабочем диапазоне температур и давлений по цифровому сигналу, кг/ м3, не более: ±0,5. Пульсация аналогового выходного сигнала, мкА: не более 10. Диапазон рабочих температур измеряемой среды, °С: ––40 ... +80; –модель с внутренним подогревателем: –70 ... +50. Жидкокристаллический дисплей плотномеров имеет четкую визуальную индикацию в диапазоне температур окружающей среды, °С: –30 ... +70. Максимальное давление среды. МПа, из ряда, не более: 0,6; 2,5; 6,3; 10; 16. Вибрационные резонансные плотномеры Принцип действия плотномеров основан на зависимости частотных характеристик чувствительного элемента и величины сопротивления встроенного датчика температуры от параметров контролируемой жидкости. Структурная схема плотномера ПЛОТ-3М приведена на рис. 9.7. Плотномер содержит: датчик, преобразователь, процессор, блок индикации.
Рис. 9.7. Структурная схема плотномера Общий вид плотномера представлен на рис. 9.8. Плотномер состоит из датчика (1) и преобразователя электронного (2). Рис. 9.8. Общий вид плотномера: 1 — датчик, 2 — преобразователь электронный Преобразователь приворачивается к резьбовому штуцеру датчика. Датчик состоит из корпуса и переходников, оканчивающихся фланцами для установки датчика в трубопровод. Внутри трубопровода установлены чувствительный элемент и цилиндрический датчик температуры. Основным элементом датчика является тонкостенный трубчатый вибратор (чувствительный элемент), изготовленный из специального сплава с упругими свойствами. Для возбуждения колебаний тонкостенной части вибратора и съема сигнала с нее на вибраторе установлены четыре пьезопакета. Для уменьшения влияния расхода жидкости на показания по плотности и вязкости вибратор в изделии ориентирован осью вдоль по потоку и установлен в зону, где скорость жидкости значительно ниже, чем в основном потоке. Так как тонкостенная часть вибратора омывается жидкостью, как с внутренней, так и с наружной стороны, давление жидкости не оказывает влияния на результаты измерения плотности и вязкости. Для измерения температуры жидкости непосредственно внутри трубопровода в изделие установлен цилиндрический датчик температуры (термопреобразователь сопротивления платиновый). Наиболее предпочтительное положение плотномера — вертикальное, с допустимым углом отклонения от вертикали 60 градусов. Направление стрелки на корпусе плотномера должно совпадать с направлением потока (поток в трубопроводе может быть направлен как сверху вниз, так и снизу вверх). Рис. 9.9. Общий вид преобразователя: 1 – корпус; 2 — плата преобразователя; 3 — плата процессора; 4 – основание; 5 — кольцо резьбовое; 6 — кабельный ввод; 7 — кольцо; 8 — крышка; 9 — блок индикации; 10 — блок клеммный; 11 — пломба трубчатая; 12 — проволока Преобразователь (рис. 9.9) представляет собой цилиндрический корпус 1, имеющий герметизированный ввод для кабеля или проводов питания и связи 6. Внутри корпуса на основании 4 с одной стороны установлены две платы — преобразователь 2 и процессор 3, а с другой — клеммный блок 10. Корпус закрывается крышкой 8, которая крепится кольцом с резьбой 7. С противоположной стороны от крышки на корпусе имеется штуцер для крепления преобразователя на датчике. Плата «преобразователь» предназначена для возбуждения колебаний тонкостенной части вибратора и формирования выходного импульсного сигнала по плотности, для преобразования сопротивления датчика температуры в период следования импульсного сигнала по температуре и для передачи сформированных импульсных сигналов на плату «процессор». Плата «процессор» с помощью аппаратных средств и программного обеспечения реализует все вычислительные и управляющие функции изделия. Блок индикации предназначен для отображения текущего значения параметров жидкости или служебной информации (например, результатов самоконтроля). В основном режиме работы на индикаторы выводятся, последовательно сменяя друг друга через 2–3 с, значения температуры в оC, плотности в кг/м3. Технические характеристики плотномера ПЛОТ-3М Плотномер обеспечивает измерение плотности контролируемой жидкости в одном из трех диапазонов, указанных в табл. 9.1. Таблица 9.1 Диапазоны измерения плотности
Внимание! Авторские права на книгу "Испытания нефтегазового оборудования и их метрологическое обеспечение. Учебное пособие" (Под ред. Владимирова А.И., Кершенбаума В.Я.) охраняются законодательством! |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
