ДЕФОРМАЦИОННЫЕ МАНОМЕТРЫ 2 страница

Основная приведенная погрешность магнитоупругих преоб­разователей составляет 3—5 %.

К недостаткам магнитоупругих преобразователей следует отнести их сравнительно невысокую точность, которая объясня­ется наличием магнитного гистерезиса, что приводит к несовпа­дению показаний при увеличении и уменьшении давлений, а также влиянием колебаний температуры окружающей среды и изменения напряжения питания на магнитные свойства пре­образователя, нестабильностью магнитных свойств материалов сердечников во времени.

Достоинствами этих датчиков являются простота устройства, отсутствие подвижных частей, высокая надежность, низкая стоимость, удобство обслуживания и эксплуатации. Благодаря этим преимуществам магнитоупругие преобразователи все более широко применяются для технических измерений при определе­нии силы, массы, давления и величин, связанных с ними, осо­бенно в труднодоступных местах, при тяжелых условиях экс­плуатации, при ограничениях на обслуживание.

Схема устройства магнитоупругого датчика давления и кри­вая измерения относительного значения магнитной проницаемо­сти от напряжения материала датчика приведены на рис. 4-8,6, а. Под воздействием измеряемого давления Р растягивается внутренняя тонкостенная стальная трубка /. Она передает растягивающее напряжение на наружную трубку из инвара 2. Относительное значение ее магнитной проницаемости ДрУм, под действием механической напряженности а изменяется в соответ­ствии с зависимостью показанной на рис. 4-8, а. При этом ка­тушка 3 приобретает новое значение индуктивности. Отклонение последней от первоначального значения преобразуется с по­мощью мостовой неравновесной цепи в напряжение разбаланса. Желательно использовать дифференциальное включение изме­рительного и уравновешивающего (нерабочего) преобразовате­лей, зависимости которых от влияющих неинформативных па­раметров одинаковы, благодаря чему повышается точность определения Р. На выходе напряжение измеряется магнито­электрическим прибором, включенным после выпрямителя.

Тепловые вакуумметры основаны на изменении теп­лопроводности газа от степени его разреженности. При низких

влениях (от 0,0133 до 1333 Па), когда длина свободного про­бега соизмерима с геометрическими размерами измерительной системы преобразователя, появляется зависимость теплопровод­ности от давления.

, Такой преобразователь представляет камеру, содержащую в себе нагреватель и измеритель температуры — контактную или бесконтактную термопару или терморезистор. В манометрах с терморезисторами измеряется электрическое сопротивление проводника. В приборах с термопарами измеряется ТЭДС.

Ионизационные вакуумметры состоят из чувстви­тельных элементов. Чувствительный элемент представляет со-

6МПа \Р

а В

Рис. 4-8

й баллон, соединенный с измеряемой средой и содержащий ; катод, сетку и анод-коллектор. В зависимости от давления газа электроны при движении от катода ионизируют большее или меньшее количество молекул. Между электродами возникает Шок пропорциональный измеряемому давлению. ', - Построенный на этом принципе ионизационный вакуумметр типа ВИ-12 рассчитан на давление от 0,0133 до 1,33 Па. Основ­ная погрешность составляет около у=±50 %. РРадиоизотопные вакуумметры основаны на ионизации газа излучениями радиоактивных веществ. Наиболь­шую интенсивность ионизации дает а-излучение, для получения которого служат изотопы радия, тория, полония и др. Устрой­ство манометрического преобразователя радиоизотопного ва­куумметра состоит из камеры, которая соединена с исследуе­мым пространством, двух электродов, питающихся высоким на­пряжением, и источника а-излучения, расположенного на атоде. Величина ионного тока между электродами при прочих постоянных конструктивных и схемных параметрах преобразо­вателя зависит от измеряемого разрежения, если камеру вы­брать таким образом, чтобы она была значительно меньше длины пробега а-частиц.

Глава 5

ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА И КОЛИЧЕСТВА ВЕЩЕСТВ

Без определения расхода и количества веществ невозможно обеспечить технологические режимы, их оптимизацию, интенси­фикацию и автоматическое управление почти во всех отраслях народного хозяйства. Измерения и контроль этих параметров с целью управления ими способствуют повышению качества из­готавливаемой продукции при сопутствующей экономии мате­риалов и энергии. Эти измерения необходимы также для про­ведения научных исследований, создания новой технологии и технологического оборудования и машин.

Важнейшее значение имеют измерения расхода и количе­ства веществ для учетно-расчетных операций при изготовлении и потреблении полуфабрикатов и готовой продукции основных и вспомогательных участков технологических производств. На их основе строятся автоматизированные системы управления технико-экономической деятельностью предприятий, системы оперативно-диспетчерского управления производств и предприя­тий, в частности для целлюлозно-бумажной промышленности, позволяющие повысить их экономическую эффективность.

В настоящее время роль измерителей расхода и количества возросла в связи с необходимостью контроля и экономии топ­лива и других дорогостоящих или дефицитных веществ. Годовой экономический эффект от применения этих приборов в народ­ном хозяйстве достигает сотен миллионов рублей.

К современным приборам для измерения расхода и количе­ства веществ, например жидкостей и газов, предъявляют ряд трудновыполнимых (особенно в сочетании) требований: высо­кая точность измерения; простота, надежность, широкая но­менклатура измеряемых веществ и большой диапазон измеряе­мых параметров для средств измерений; независимость резуль­татов от допускаемых влияющих величин (давлений, температур, абразивности и агрессивности) в широких пределах их измене­ний и др.

На целлюлозно-бумажных производствах измерения количе­ства и расхода веществ осложняются тем, что в средах присут­ствуют взвешенные твердые частицы. Это приводит к загрязнению первичных измерительных преобразователей, устанавливае­мых в потоке. Поэтому, кроме наиболее простых и удовлетвори­тельных по метрологическим характеристикам расходомеров постоянного и переменного перепада давлений для воды и пара, наиболее широкое применение нашли электромагнитные расхо-

Гомеры, с успехом работающие с агрессивными пульпами и Суспензиями. К ним относятся потоки древесных, целлюлозных, бумажных масс со значительным содержанием щелочей или кислот.

5.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Расходом вещества в единицу времени At называется коли­чество вещества (AQ или AG), проходящего через данное сече­ние канала, т. е. для объемного расхода

Q_t=AQ/At

и для массового расхода

G_t = AGlAt.

Объем вещества при постоянном сечении трубопровода S и длине L составляет Q = SL. Тогда

где AL/At=v — средняя скорость в данном сечении в единицу времени АЛ

Если известна и постоянна плотность вещества, то переход к массовому расходу элементарен.

Объемный расход измеряют в метрах кубических в секунду 1м³/с), допускается использовать м³/мин; м³/ч, л/мин, а массо­вый расход — в кг/с, кроме того, применяют кг/ч, т/ч. Приборы, Предназначенные для измерения расхода, называются расходо-ерами [20].

Количество вещества можно определить операцией суммиро­вания, зная мгновенный расход Q_t. Для этого необходимо про­извести интегрирование функций Q_t за произвольный интере­сующий нас интервал времени от t\ до t₂:

Q₂= ]²Q_tdt. и

. Количество вещества в объемных или массовых единицах .змеряют в метрах кубических или в килограммах соответ­ственно, допускаются также литры (дм³) или тонны. Приборы §№я измерения количества веществ называются счетчиками ко­личества вещества [20].

• Для определения расхода и одновременного подсчета общего Количества вещества часто применяют расходомеры в комплекте I интеграторами (сумматорами). Такие приборы называются расходомерами со счетчиками.

I При измерении расхода и количества жидкостей и газов ■«обходимо учитывать температуру измеряемой жидкости и ■емпературу, давление и влажность измеряемого газа [20]. Так,

С целью определения расхода и количества вещества ис­пользуют прямые и косвенные виды измерений. Прямые изме­рения основаны на отсчете дискретного значения порций объем­ного или массового количества вещества за любой (счетчики) или заданный (расходомеры) интервал времени. Косвенные виды измерений основаны на определении расхода и количества вещества по связанным с ними величинам: местной скорости, полной скорости, энергии при измерении скорости, потенциаль­ной энергии.

Счетчики и расходомеры вещества имеют многочисленные и разнообразные модификации.

Наиболее распространенные счетчики бывают трех видов: объемные, массовые и тахометрические. В объемных и массо­вых счетчиках осуществляется периодическая выдача объемных или массовых порций жидкости или газа; число порций сумми­руется счетным устройством (устройство электронного счетчика приведено в 9.4). В тахометрических счетчиках используется зависимость количества вещества от скорости, которая измеря­ется по скорости вращения тела, помещенного в поток ве­щества [20].

По принципу действия расходомеры и расходомеры со счет­чиками делятся на следующие виды:

1. Переменного перепада давления, основанные на зависимо­сти от расхода вещества перепада давления, создаваемого либо неподвижным устройством, устанавливаемым в трубопроводе в виде сужающего устройства, гидравлического сопротивления, напорного устройства или усилителя, либо элементами трубо­провода, в том числе в виде закругления трубопровода.

2. Переменного уровня, в которых используется зависимость от расхода высоты уровня жидкости в сосуде при свободном истечении через отверстие в дне или боковой стенке.

3. Обтекания, основанные на зависимости от расхода ве­щества перемещения тела, воспринимающего динамическое дав­ление обтекающего его потока, в частности постоянного пере­пада давления, где вертикальное перемещение тела изменяет площадь проходного отверстия так, что перепад давления по обе стороны тела остается постоянным.

4. Тахометрические, в основе которых лежит зависимость от расхода вещества скорости движения тела, установленного в трубопроводе.

5. Тепловые, использующие нагрев или охлаждение потока посторонним источником энергии, создающим в потоке разность температур, сюда относятся калориметрические, термоанемо-метрические расходомеры и расходомеры теплового слоя.

6-1. СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕХНИЧЕСКИХ РАСХОДОМЕРОВ

Тип расходомера

переменного перепада давлений

Нелиней­ная

Обеспечи­вается

Не обеспе­чивается

Не обеспечивается

Не обеспечивается

6. Электромагнитные, в которых в результате взаимодей­ствия жидкости с магнитным полем образуется ЭДС пропорцио­нальная расходу.

7. Акустические, ультразвуковые, оптические и ионизацион­ные, основанные на зависимости параметров соответствующих эффектов от расхода вещества.

Кроме перечисленных, существуют и другие принципы дей­ствия расходомеров, однако они не получили широкого приме­нения в рабочих средствах измерений.

В табл. 5-1 приведены сравнительные характеристики серий­ных расходомеров, наиболее часто используемых в целлюлозно-бумажном производстве.

5.2. РАСХОДОМЕРЫ ПЕРЕМЕННОГО ПЕРЕПАДА ДАВЛЕНИЯ

Расходомеры переменного перепада давления широко при­меняются для измерения расхода жидкостей, газов и паров в трубопроводах с внутренним установочным диаметром

Ь>50 мм в очень широком диапазо­на не изменения расходов, давлений и температур.

Расходомеры переменного пере-
Рис. 5-1 пада давления (рис. 5-1) состоят из

первичного измерительного преобра­зователя ПИП — сужающего устройства СУ, преобразующего скорость движения вещества v в перепад давления АР, соедини­тельной линии СЛ и измерительного преобразователя ИП — дифманометра ДМ, показывающего а или преобразующего У этот перепад давлений, как правило, в стандартный сигнал.

При установке сужающего устройства в трубопровод сред­няя скорость потока в суженном сечении повышается и часть потенциальной энергии потока переходит в кинетическую. Вследствие этого статическое давление в суженном сечении потока становится меньше статического давления перед суже­нием. По разности статических давлений, по перепаду давления определяют значение расхода протекающей среды. При таком измерении расхода предполагают наличие следующих основных условий (в соответствии с Правилами 28—64[1]):

вещество полностью заполняет все поперечное сечение тру­бопровода перед и после служащего устройства;

поток измеряемой среды должен быть практически устано­вившимся— до и после сужающего устройства имеются прямые участки трубопровода достаточной длины;

фазовое состояние измеряемой среды не меняется при про­хождении через сужающее устройство (жидкость не испаряется, водяной пар остается перегретым, растворенные в жидкости газы не выделяются, влажный газ не достигает границы пол­ного насыщения);

в трубопроводе перед сужающим устройством не скаплива­ется конденсат, пыль, или иные отложения; трубопровод имеет обычно круглое сечение. Теория и основные соотношения расходомеров переменного перепада давления одинаковы для сужающих устройств любой формы; различны лишь некоторые коэффициенты в этих урав­нениях, определяемые экспериментально.

Пусть (рис. 5-2) в трубопроводе круглого сечения установ­лена диафрагма с цилиндрическим отверстием, концентрично расположенным по отношению к сечению трубопровода, и по трубопроводу протекает идеаль­ная несжимаемая жидкость. Влия­ния сил вязкости в жидкости и трения ее о стенки трубопровода отсутствуют.

Сужение потока начинается до диафрагмы, после диафрагмы в сечении 2—2 поток сужается до минимального, а далее постепенно расширяется до полного сечения трубопровода. При приближении к диафрагме скорость потока воз­растает, статическое давление из­меняется. В области диафрагмы у стенок трубопровода возникает скачок давления (вследствие уве­личения скорости в этом месте)- После сечения 2—2 скорость потока уменьшается и к сечению 3—3 статическое давление восстанавливается, но не полностью вследствие потерь на тре­ние и завихрения потока. Разность давлений Р_п—Р_х'—Р_ъ на­зывают безвозвратной потерей напора.

Обозначим на рис. 5-2 v_it P_u S_it Di — скорость, давление, сечение и диаметр в t'-м сечении трубопровода, а отношения _ So

_.-= т — модуль сужающего устройства и— = — = п—

коэффициент сужения потока (определение тир. через отноше­ния сечений справедливы при условии неразрывности потока вещества).

Для сечений /—/ и 2—2 напишем уравнение Бернулли, вы­ражающее закон сохранения энергии:

(5-1)

(5-2)

Для несжимаемых жидкостей плотность измеряемой среды p_I==p₂=p=const. Используя принятые обозначения, выраже­ние (5-2) можно записать

v₁S₁ = v_ajS_tnt,

или

v₁=[unv_a. (5-3)

Подставляя выражение (5-3) в выражение (5-1) и решая уравнение (5-1) относительно v₂ получим

Для сжимаемых сред (газов, пара) в уравнениях расхода (5-8) и (5-9) появляется поправочный коэффициент е, который определяют из совместного решения уравнений (5-1) и (5-2) и уравнения адиабатического процесса:

(5-10)

где к — показатель адиабатического расширения. В результате получаем

(5-4)

■ = f{m; к; fl^j^l.

(5-11)

Давления Р\ ^и ^2 соответствуют сечениям 1—1 и 2—2, в действительности же измеряют Pi и Р₂ непосредственно до и после диафрагмы у стенки трубопровода. Кроме того, при пере­ходе от идеальной жидкости к реальной необходимо учитывать влияние вязкости, трения, вихреобразования и неравномерности распределения скорости по потоку. Поэтому для реальных усло­вий в уравнение (5-4) вводится поправочный коэффициент £.

Тогда получим уравнение для действительной скорости ре­альной жидкости в сечении 2—2:

./т

При S₂=jjiSo определим объемный расход жидкости

и массовый расход жидкости

Выражение —■ = • =^га называют коэффициентом рас-
^F У — п^!> ²

хода.

При этом объемный и массовый расходы соответственно

G = aS„ = y2pAP. (⁵'⁹⁾

Тогда выражения для объемного и массового расхода для сжи­маемых сред примут вид:

Q = aeS₀

G = aeS₀l/2pAP

Для несжимаемых сред, т. е. при технических измерениях для жидкостей в=1.

При расчетах в формулах (5-8), (5-9) и (5-12), (5-13) пло­щади сечений выражают через соответствующие диаметры и, подсчитав значения постоянных, получают следующие зависи­мости для Q и G:

Q = 4.l0³aed²]_//^/r-^ = 4-10³aemD²|/ '• (5-14)

G = 4 • 10 W²J/ рА Р = 4 - 10³ae/nD²]/pAP

Сужающие устройства в расходомерах перемен­ою перепада давлений применяются стандартные и специали­зированные.

В технических измерениях пользуются в большинстве слу­чаев стандартными сужающими устройствами, правила расчета, установки и поверки которых подробно рассматриваются в Правилах 28—64 и работе [20]. К стандартным сужающим устройствам относятся стандартные диафрагмы, сопла и сопла Вентури.

Диафрагмы применяются без градуировки для трубопрово­дов Z)>50 мм. Диафрагма представляет собой тонкий диск с проходным отверстием цилиндрической формы, с острой вход­ной кромкой без вмятин и заусенцев. Для точного преобразова­ния Q в АР необходима строгая концентричность отверстия Диафрагмы со стенками трубопровода (рис. 5-3). Модуль диа-"""эагмы колеблется в пределах 0,05<т<0,7. Если толщина Диафрагмы Е больше ширины цилиндрической части отверстия

диафрагмы е, то с выходной стороны цилиндрического^ отвер­стия делают коническую расточку под углом от 30 до 45°.

Отбор перепада давлений в сужающем устройстве осуществ­ляется через отдельные цилиндрические отверстия, число кото­рых должно быть не менее четырех, или через две кольцевые камеры, каждая из которых соединяется с внутренней полостью трубопровода кольцевой щелью (сплошной или прерывистой) или группой равномерно распределенных по окружности отвер­стий. Размер с диаметра отдельных отверстий или ширина щели, соединяющей камеру с трубопроводом, для чистых жидкостей и газов лежит в пределах 1 мм<с<10 мм, для за-

Рис. 5-3

грязненных жидкостей, паров и влажных газов колеблется в пределах 4 мм<с<10 мм.

Для D>450 мм используются бескамерные дисковые диа­фрагмы, у которых отбор импульсов давлений Pi и Рг произво­дится с помощью равномерно расположенных по окружности отдельных цилиндрических отверстий (не менее четырех).

Для D<450 мм применяют камерные диафрагмы. Камеры позволяют исключить влияние местных пульсаций давления с обеих сторон диафрагмы при завихрениях потока, что суще­ственно при малых D, т. е. при небольших ДР. При относи­тельно небольших давлениях вещества камеры для отбора дав­ления (рис. 5-3, а) укрепляются вместе с диафрагмами между фланцами трубопровода. При этом диаметр камеры D_K должен быть равен диаметру D или превышать его не более чем на 1 /о-При больших статических давлениях вещества диафрагмы вва­риваются в трубопровод (рис. 5-3,6). Отбор давлений до и после диафрагмы в этом случае осуществляется с помощью щелей и кольцевых камер, вытачиваемых в утолщенных концах труб (или во фланцах).

На трубопроводах большего диаметра при малых давлениях вещества импульсы давлений раньше отбирали с помощью отверстий круглой формы, а кольцевые камеры выполняли в форме кольцевых труб, располагаемых с внешней стороны основного трубопровода. В последние годы кольцевые камеры вытачивают во фланцах (рис. 5-3, в).

Камерные диафрагмы типа ДК Рст—D при условном давле­нии измеряемой среды до 10 МПа изготавливаются в соответ­ствии с ГОСТ 14321—73, а бескамерные диафрагмы ДБ Р_ст—£> на давление до 2,5 МПа —по ГОСТ 14322—77. Здесь Р_ст — -допускаемое значение статического давления вещества МПа, р D — установочный внутренний диаметр трубопровода (в мм); |гх значения приводятся в обозначении диафрагм, например: ДК 10—100 для Р_Ст = 1,0 МПа и £=100 мм.

Для повышения стабильности, метрологической надежности •преобразователей расхода рекомендуется переходить на износо­устойчивые диафрагмы. Такие диафрагмы представляют собой обычные диафрагмы с радиусом закругления входной кромки г_к = 0,3±0,01 мм. Они характеризуются высокой стабильностью в процессе эксплуатации и могут быть рассчитаны по получен­ным зависимостям изменения коэффициента расхода в виде по­правочного множителя k_n=f(r_Kld)[3\.

Профиль стандартного сопла (рис. 5-3, г) образован двумя дугами, одна с ri = 0,2<2 касается торцевой поверхности сопла со •стороны входа, другая радиусом r₂=0,333d переходит в цилинд­рическую часть. Размеры щелей, кольцевых камер и отвер­стий у сопла те же, что и у диафрагм. Сопла применяются для трубопроводов диаметром D от 50 до 500 мм с модулем т = ,== 0,05—0,65. Они имеют более сложный профиль и значительно Дороже в изготовлении. Однако их удобно использовать для

Измерения расхода газов и перегретого пара, если ^Pl~^Pa < 0,1,

Р i

а также для измерения расхода пара высокого давления и агрессивных жидкостей в трубопроводах диаметром Z)<200 мм. ропла менее чувствительны к коррозии и загрязнению, чем диа-рагмы. Кроме того, сопла обеспечивают меньшее значение отерь давления, поэтому их выбирают при ужесточении требо­ваний к этому параметру.

Стандартные сопла Вентури состоят из трех частей: входной ррофильной такой же, как у сопла, центральной цилиндриче­ской и выходной в виде длинного или короткого расширяюще­еся конуса (рис. 5-4, а, б). Угол выходного конуса должен ле­жать в пределах 5°<i]x30°. Давление Pi измеряется через от­верстия или кольцевые щели. Для измерения давления Р₂ тепользуют отдельные отверстия, число которых должно <ыть не меньше четырех, а диаметр отверстий выбира­ется в пределах от 3 до 0,13 мм для жидкостей и не менее 8 мм ВДя пара.

Заказ № 301

Сопла Вентури применяются для трубопроводов диаметром D>50 мм при модуле т=0,05—0,6. Они позволяют получить минимальные значения безвозвратной потери напора. Кроме того, их используют при измерении расходов зашламленных по­токов, для пульп и суспензий. Сопла Вентури находят примене­ние в расходомерах для массных потоков в ЦБП.

При установке сужающих устройств следует соблюдать сле­дующие основные правила:

1. Как во всех расходомерах, реализующих косвенный метод

в расходомерах переменного перепада давления необхо­димым условием их приме­нения является полное за­полнение трубопровода ве­ществом, фазовое состояние которого не изменяется при сужении и которое не за-шламляет трубопровод в ме­сте установки сужающего устройства.

2. Поток измеряемой среды до и после мест уста­новок сужающих устройств должен быть установившим­ся. Для этого сужающие устройства устанавливают на прямых участках трубо­проводов: L_x — длина пря­мого участка трубопровода до места установки сужаю­щего устройства; L₂ — дли­на прямого участка трубо­провода после сужающего устройства. Длины прямых участков трубопроводов со­ставляют от 5 до 100 в зависимости от вида мест­ных сопротивлений потоку, расположенных перед и после сужающего устройства и модуля сужающего устройства т конкретного расходомера перемен­ного перепада давления [20]. Особенно строго необходимо со­блюдать значение L_x. Если по условиям эксплуатации невоз­можно выполнить эти требования, рекомендуется использовать струевыпрямители.

Струевыпрямители должны иметь длину равную 2 D и уста­навливаться на расстоянии 2 D от местного сопротивления. Между струевыпрямителями и сужающими устройствами необ­ходимо иметь прямые участки трубопровода длиной 12 D при

/и«:0,2 и 20 D — при 0,25<т<0,5. Отсюда следует, что их при­менение не всегда оправдано, так как не дает существенной эко­номии в длине трубопроводов.

3. Отверстие диафрагмы должно устанавливаться строго концентрично по отношению к диаметру трубопровода, а режу­щая кромка диафрагмы не должна иметь дефектов (заусенец, наплывов, выщербин и т. д.).

4. Действительный внутренний диаметр трубопровода на длине 2 D перед сужающим устройством должен равняться рас­четному диаметру D. Максимальное отклонение размера диа­метра от среднего значения допускается не более ±0,3 %.

5. Внутренний диаметр трубопровода на длине 2 D после сужающего устройства может отличаться от диаметра трубо­провода до сужающего устройства не более чем на ±2 %.

6. На внутренней поверхности трубопровода длиной 2 D до и после сужающего устройства не должно быть никаких усту­пов, а также заметных невооруженным глазом пороков, неров­ностей от заклепок, сварных швов и т. п.

7. Регулировочные задвижки и вентили рекомендуется уста­навливать за сужающими устройствами, соблюдая расчетные расстояния.