|
|
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 4. Методы и приборы для измерения расходаРасход — это количество вещества, протекающее через данное сечение в единицу времени. Количество можно измерять в единицах объема Qv (м3) или единицах массы Qm (кг, т). Следовательно, расход можно измерять в единицах объема, деленных на единицу времени (м3/с, м3/мин, м3/ч), , (4.1) или в единицах массы, также деленных на единицу времени (кг/с, кг/ мин, кг/ч): . (4.2) В (4.1) имеем объемный расход, в (4.2) имеем массовый расход. При измерении расхода и количества вещества приходится иметь дело с движущимися потоками. Основными характеристиками движущегося потока являются: состав вещества (жидкость, газ, твердые частицы), гидродинамическое давление, скорость движения движущихся частиц и плотность компонентов. Поскольку расход связан с движением потока, то и методы измерения расхода, очевидно, будут зависеть от измерения основных характеристик движущейся жидкости, газа, от соотношения между жидкостью и газом, от влияния температуры, давления, плотности, вязкости. Приборы для измерения расхода вещества называются расходомерами, для измерения количества вещества — счетчиками. Количество продукта может измеряться в объемных и массовых единицах. Устройства, измеряющие массовые величины, называют массовыми расходомерами. Расходомеры, определяющие объемный расход, называются объемными расходомерами. 4.1. Классификация приборов для измерения расходаДля измерения расхода веществ применяют расходомеры, основанные на различных принципах действия и методиках измерения. Выпускаются следующие типы расходомеров и счетчиков количества: –расходомеры переменного перепада давления. –расходомеры постоянного перепада давления; –турбинные расходомеры: • турбинные расходомеры с механическим счетным механизмом; • турбинные расходомеры с электронным блоком съема сигнала. –ультразвуковые расходомеры жидкости; –электромагнитные расходомеры жидкости; –вихревые расходомеры: • с индуктивным преобразователем сигнала; • с электромагнитным преобразователем сигнала; • с ультразвуковым преобразователем сигнала, • кориолисовы расходомеры. Выбор типа расходомера зависит от многих параметров, у каждого свои преимущества, например, электромагнитный расходомер — для электропроводных жидкостей, турбинный расходомер — для чистых жидкостей, объемный расходомер — для вязких жидкостей. 4.2. Расходомеры переменного перепада давленияОсновными характеристиками движущейся жидкости являются: гидродинамическое давление р, скорость движения движущихся частиц W и плотность жидкости р. Поскольку расход связан с движением жидкости, то и методы измерения расхода будут зависеть от измерения основных характеристик движущейся жидкости. Поток жидкости, протекающий через сужающее устройство, имеет вид, представленный на рис. 4.1а. Струя жидкости сжимается, достигая наименьшего сечения на некотором расстоянии после сужающего устройства. Давление падает, достигая наименьшей величины в месте сужения струи. Далее струя постепенно расширяется до полного сечения трубопровода и давление вновь возрастает, причем оно полностью не восстанавливается. Рис. 4.1. Характер потока (а) и распределение давления (б) при установке в трубопроводе сужающего устройства [17] Величина потери давления, обусловлена потерей энергии при протекании потока через сужающее устройство. Разность между статическими давлениями потока, взятыми на некоторых расстояниях до и после сужающего устройства, называют перепадом давления. Принцип действия расходомеров основан на измерении перепада давления, который создается в трубопроводе установленным внутри него сужающим устройством. В суженном сечении увеличивается скорость, а следовательно, и кинетическая энергия потока, что вызывает уменьшение его потенциальной энергии. Соответственно статическое давление потока после сужающего устройства будет меньше, чем перед ним. Пользуясь уравнением Бернулли и условием неразрывности струи, можно описать зависимость между расходом вещества и перепадом давления на сужающем устройстве в следующем виде: ; (4.3) , (4.4) где a — коэффициент расхода; ε — поправочный коэффициент, учитывающий расширение измеряемой среды; Kt — поправочный коэффициент, учитывающий расширение сужающего устройства в зависимости от температуры измеряемой среды (в диапазоне температур от –20 до +60 °С можно принимать Kt = 1); d — диаметр отверстия сужающего устройства, м; ρ — плотность измеряемой среды в рабочих условиях кг/ м3; p1 — давление до сужающего устройства, Н/м2; р2 — давление после сужающего устройства, Н/м2; qv — объемный расход среды; qm — массовый расход среды. Простейшая схема измерения расхода по методу переменного перепада давления (рис. 4.2) включает в себя сужающее устройство (диафрагму) 2, установленное в трубопроводе 1, соединительные трубки 3 для отбора давления до сужающего устройства и после него и передачи этого давления к U-образному манометру 4. Перепад давления будет тем больше, чем больше скорость потока, т. е. чем больше расход. Следовательно, перепад давления на сужающем устройстве является мерой расхода жидкости, газа или пара, протекающих через трубопровод. Рис. 4.2. Принципиальная схема измерения расхода по методу переменного перепада давления: 1 — трубопровод; 2 — сужающее устройство (диафрагма); 3 — соединительные трубки; 4 — U-образный манометр Для измерения расхода по методу переменного перепада давления в качестве сужающих устройств применяют стандартные диафрагмы, сопла, трубки Вентури. Наиболее часто в качестве сужающего устройства используются диафрагмы. Сужающие устройства выбирают с учетом конкретных условий измерения и требуемой степени точности. Величина статического давления, температура и химическая активность измеряемой среды определяют конструкцию и материал сужающего устройства. Для трубопроводов диаметром от 400 мм и больше, если остаточная потеря давления не является главным фактором, целесообразно применять диафрагмы. Расходомерная диафрагма представляет собой диск с отверстием. Диафрагмы бывают бескамерные и камерные. Бескамерная диафрагма 2 (ГОСТ 26969—86) представляет собой стальной диск, имеющий концентрическое (симметричное оси) отверстие с острой кромкой со стороны входа потока и коническую часть со стороны выхода. Толщина диска не должна превышать 0,05 внутреннего диаметра трубопровода. Целесообразно применять диафрагмы для трубопро-водов диаметром от 400 мм, если остаточная потеря давления не является главным фактором. Отбор давления производится непосредственно перед диафрагмой и после нее по ходу потока в трубопроводе. При этом маркируют отборное устройство: установленное перед диафрагмой — знаком «+», а расположенное за диафрагмой — знаком «—». Камерная диафрагма (рис. 4.3) состоит из диска 1 и двух кольцевых камер 2 для отбора давления до диафрагмы и после нее. Камеры соединяются с внутренним пространством трубопровода через кольцеобразные щели А и Б, расположенные непосредственно у торцовой поверхности диафрагмы. Таким образом, отбор давления в камерных диафрагмах производится по периметру трубопровода для измерения среднего давления в трубопроводе. К камерам присоединяют трубки 5 и 6, передающие перепад давления от диафрагм к дифманометру. Для точного измерения массового расхода газа и пара дифманометром производится коррекция показаний в соответствии с изменением давления и температуры в трубопроводе. Рис. 4.3. Камерная диафрагма: 1 — диск; 2, 3 — кольцевые камеры; 4, 7 — фланцы; 5, 6 — соединительные трубки; 8 — прокладки; 9 – болты Камерные диафрагмы применяют в трубопроводах с внутренним диаметром от 50 до 400 мм. Диафрагму и кольцевые камеры изготовляют из материалов, устойчивых к длительным воздействиям измеряемой среды. Чаще всего диск делают из нержавеющей, а камеры — из углеродистой стали. К качеству механической обработки поверхностей камерных диафрагм и других сужающих устройств предъявляют повышенные требования. Отверстие диска со стороны входа потока цилиндрическое на длине по оси не более 0,02 внутреннего диаметра трубопровода, а далее расточеное на конус под углом 45° у выхода потока. Кромка отверстия диска у входа потока острая, без закруглений, вмятин и заусенцев. Угол между торцовой поверхностью диафрагмы и цилиндрической частью отверстия 90°. Камерные диафрагмы устанавливают на прямолинейных участках трубопроводов между двумя фланцами 4 и 7, стягиваемыми болтами 9. Для уплотнения соединения между фланцами и кольцевыми камерами, а также между камерами и диском ставят прокладки 8. Материал для прокладок выбирают в зависимости от химических свойств и давления измеряемой среды. На цилиндрической поверхности обеих камер нанесена стрелка, показывающая направление потока, и знаки «+» на камере перед диском и «—» на камере за диском (по направлению потока). Стрелка и знаки «+», «—» служат ориентирами при сборке камер. Расходомерное сопло (рис. 4.4) состоит из плавно сужающейся части на входе и цилиндрической части на выходе. Давление отбирают до начала сужения потока и в начале цилиндрической части сопла. Рис. 4.4. Расходомерное сопло Очертание профильного отверстия сопла подобно очертанию струи при входе ее в сужающее устройство, поэтому в нем образуется значительно меньше завихрений, приводящих к безвозвратной потере давления потока, чем в диафрагме. Внутренняя цилиндрическая часть сопла выполняется гладкой. Кромка цилиндрической части острая, без фасок, закруглений и заусенцев. Для предохранения выходной кромки от механических повреждений на конце сопла делается расточка. Кроме того, сопла более стойки к истиранию и менее подвержены загрязнению. В тех случаях, когда требуется обеспечить наименьшую потерю напора, рекомендуется применять трубы Вентури, для трубопроводов диаметром от 100 до 800 мм. Труба Вентури (рис. 4.5) состоит из входного конуса, цилиндрической средней части и выходного конуса (диффузора). Перед входным конусом труба Вентури имеет дополнительный цилиндрический патрубок с внутренним диаметром, равным диаметру трубопровода. Рис. 4.5. Труба Вентури [17] Переход от цилиндрического патрубка ко входному конусу и от входного конуса к средней цилиндрической части делается плавным с радиусами скругления r1≤ 1,3d и 3,5 ≤ r2 ≤ 3,75d. Переход от среднего цилиндра к выходному конусу делается без плавного сопряжения. Трубы Вентури выполняются с обычным и укороченным выходным конусом. Длина выходного конуса укороченной трубы Вентури должна быть не менее 14d. Угол выходного конуса лежит в пределах от 5° до 15°. Отклонение диаметра среднего цилиндрического патрубка от номинального значения не должно превышать ±0,001d. Отбор давлений осуществляется с помощью кольцевых камер, соединенных с внутренней полостью трубы отверстиями. Достоинства метода переменного перепада давления Измерения стандартизованы, имеются программы расчета на ЭВМ. Универсальность. Данный метод применяется для измерения расхода практически любых сред: жидкостей, газа, пара. Расходомеры переменного перепада используются при различных температурах и давлениях измеряемой среды. Для поверки не требуются образцовые средства измерения расхода (используется поэлементный способ поверки). В процессе поверки поверяются геометрические размеры сужающего устройства (диаметр проходного сечения и острота кромки). Простота механической конструкции. Отсутствие движущихся частей. Измерение расхода в условиях высокого давления. Давление в трубопроводе может достигать 40МПа. Измерение расхода в условиях высоких и низких температур. Диапазон температуры измеряемой среды лежит в пределах от –200 до +1000 °С. Широкий диапазон типоразмеров. Метод переменного перепада давления используется как на трубопроводах с малым диаметром условного прохода (15 мм), так и на больших трубопроводах (2000 мм). Основные недостатки расходомеров переменного перепада давления Потеря давления потока на сужающем устройстве и относительная трудность промышленного применения расходомеров при малых расходах. Узкий динамический диапазон. Стандартный динамический диапазон сужающих устройств около 1:3. Такое ограничение связано, в первую очередь, с квадратичной зависимостью между расходом и перепадом давления на сужающем устройстве.. Расходомеры на сужающих устройствах требуют периодического обслуживания: измерения геометрических размеров сужающего устройства, прочистки импульсных линий, прогрева импульсных линий, установки нуля на датчике дифференциального давления. Небольшой межповерочный интервал. Стандартный межповерочный интервал расходомера на сужающих устройствах составляет 1 год. Низкая точность измерений. Погрешность измерений обычно менее 3,0–3,5%. 4.3. Расходомеры постоянного перепада давленияПринципиальная схема ротаметра показана на рис. 4.6. Восходящий поток жидкости (или газа) в трубке 2 воздействует на поплавок 5 с некоторой подъемной силой. Под действием этой силы поплавок начинает подниматься вверх. При этом увеличивается площадь сечения канала между поплавком и конической трубкой 6, вследствие чего подъемная сила, действующая на поплавок, уменьшается. Силы, воздействующие на поплавок, в основном состоят из силы плавучести, согласно закону Архимеда, гидродинамической силы и силы веса. На определенной высоте силы, действующие на поплавок, компенсируют друг друга, и поплавок останавливается. Высота подъема поплавка зависит от текущего расхода и передается на индикатор 8 через электромагнитный механизм. Стрелка индикатора показывает текущее значение расхода на шкале. Рис. 4.6. Ротаметр: 1 — фланцы; 2 — корпус трубки; 3 — направляющая для оси поплавка 4 — ограничитель (для поплавка); 5 — поплавок; 6 — коническая трубка; 7 — опора для поплавка (нижняя направляющая); 8 — индикатор 9 — разъем сигнальной линии Применяются различные формы поплавков (рис. 4.7). Рис. 4.7. Базовые формы поплавков Применение базовой формы поплавка с головкой первого типа (рис. 4.7а) обеспечивает измерение на малых диапазонах расхода, минимальное падение давления, результаты почти не зависят от вязкости, при измерении газов требуется минимальное давление перед расходомером. Применение базовой формы поплавка с головкой второго типа (рис. 4.7б) обеспечивает измерение на средних диапазонах расхода, требуется более высокое минимальное падение давления, он пригоден для жидкостей с минимальной вязкостью, при измерении газов требуется более высокое минимальное давление перед расходомером. Применение базовой формы поплавка с головкой третьего типа (рис. 4.7в) обеспечивает измерение на высоких диапазонах расхода, требуется самое высокое падение давления, пригоден для жидкостей с минимальной вязкостью, при измерении газов требуются самые высокие требования к минимальному давлению перед расходомером. Находящийся в поплавке магнит передает высоту поплавка как величину расхода на защищенную от обрыва магнитную систему слежения датчика расхода, которая соединена непосредственно с осью стрелки. В стрелочном индикаторе значение расхода показывается стрелкой на шкале, индикатор с интеллектуальным двухпроводным измерительным преобразователем выполняет считывание положения стрелки непосредственно на ее оси. С помощью тормоза, работающего на вихревых токах, гасятся вибрации стрелки, и таким образом обеспечивается оптимальная устойчивость показаний ротаметра. Внимание! Авторские права на книгу "Испытания нефтегазового оборудования и их метрологическое обеспечение. Учебное пособие" (Под ред. Владимирова А.И., Кершенбаума В.Я.) охраняются законодательством! |
||||||||||||||||||||||
