ИЗМЕРВАНЕ НА РАЗХОД НА...
TRANSCRIPT
Асен Асенов
ИЗМЕРВАНЕ НА РАЗХОДНА ФЛУИДИ
София2007 г.
- 3 -
УВОД ................................................................................................... 5
I. ИЗБОР .................................................................................................. 6
1. Избор на система за измерване на разход ......................................... 6
2. Сравняване на различни измервателни системи .............................. 7
3. Първоначален избор ............................................................................ 9
4. Терминология ...................................................................................... 10
II. УРЕДИ ЗА ИЗМЕРВАНЕ НА РАЗХОД .................................. 12
1. Магнитоиндуктивно измерване на разход ........................................ 12
2. Вихрови разходомери ......................................................................... 27
3. Ултразвукови разходомери ................................................................ 38
4. Измерване на разхода на флуиди чрез
дроселиращи устройства .................................................................... 45
5. Скоростомерни тръби ......................................................................... 62
6. Обемни разходомери ........................................................................... 70
7. Разходомери с променлива площ (ротаметри) ................................. 74
8. Турбинни разходомери ....................................................................... 78
9. Напречни корелатори .......................................................................... 84
10. Термоанемометрични разходомери ................................................... 87
11. Измерване на масов разход - кориолисови разходомери ................ 96
12. Измерване на разход в открити канали ............................................. 105
13. Лазерен Доплеров анемометър .......................................................... 110
14. Сигнализатори за поток (Flow switch) ............................................... 112
- 4 -
III. ПРИЛОЖЕНИЯ ................................................................................ 114
Списък на таблиците
Таблица 1. Обобщени характеристики на методите за измерване на разход на флуиди ……………………………………....................... 115
Таблица 2. Конверсия от Енглерови градуси към mm2/s (cst) .......................... 117
Таблица 3. Свойства на газовете .......................................................................... 118
Таблица 4. Свойства на водата ............................................................................. 119
Таблица 5. Съвместимост на флуидите с конструкционни материали ............ 120
ЛИТЕРАТУРА ................................................................................... 126
- 5 -
УВОД
В края на миналия век в областта на измерването на разход на флуиди сеотбелязва голям напредък, който е резултат на:
1. Нуждата от по-голяма безопасност на технологичните процеси изащитата на персонала доведе до обособяването на допълнителни измервателнипозиции и инсталирането на надеждни измервателни средства.
2. Повишаване производителността на труда чрез автоматизация напроцесите. Това се постигна с помощта на измервателни средства с изходнисигнали за дистанционно измерване и управление на процесите.
3. Увеличаването на цената на горивата изискващ воденето на стриктнаполитика за повишаване на енергийна ефективност и необходимост отпрецизно измерване.
Това са причините, довели до необходимостта от точни и калибриранисредства за измерване на разход с електрически изходни сигнали. Пазарът нановите измервателни системи се разшири, което доведе до тяхнотопоевтиняване.
Магнитоиндуктивните и вихрови разходомери станаха популярни засравнително кратко време. И тъй като тези прибори станаха достъпни на ценатана масово прилаганите разходомерни бленди, за тях се отвориха огромнипазарни сегменти. Новите системи за измерване на масата на теченията(кориолисови разходомери), извършиха прелом при измерване на масов разход.
Експлоатационният срок на новите средства за измерване на разходнамаля от 10 на 5 години, но изненадващото в случая е, че техническаталитература не реагира на това развитие.
Повечето книги за измерване разглеждат основно механичнитеизмервателни средства, измервателните уреди за площ, скорост и бленди, катосе описват с най-големи подробности, докато за съвременните системи сеотделят едва по няколко страници.
При написването на учебника е използван стила и метода на представянена теорията и практическата реализация на средствата за измерване дадени в“Flow Handbook” на фирма Endress + Hauser, която има 50 годишен опит катопроизводител.
С благодарност ще бъдат приети всички читателски забележки ипредложения по това издание на учебника.
- 6 -
I. ИЗБОР
1. Избор на система за измерване на разход
Характеристики и изисквания
За всяка позиция на измерване за дадена инсталация съществуватконкретни технически изисквания, както и всяка измервателна система сехарактеризира с конкретни технически параметри. Ако предлаганитехарактеристики на средството за измерване са с по-малка неопределеност отнеобходимата точност за даден конкретен случай, то може да се окаже, чеизмерването излишно се оскъпява.
Техническите характеристики и изискванията към разходомерите серазглеждат в следните раздела:
1. Метод на измерването и степен на неопределеност.
2. Характеристики на измервания флуид.
3. Условия на околната среда.
Забележка:1. Всяко недефинирано изискване може да доведе до неточност на
измервателната система.2. Всяко допълнително изискване може да доведе до значително
увеличение на материалните разходите.3. Проверете дали исканият от вас разходомер има нужда от специални
изисквания.
- 7 -
2. Сравняване на различни измервателни системи
Сравнително трудно е сравняването и оценката на качествата наразличните измервателни системи и принципите на измерване на разхода.
Магнитно-индуктивните разходомери измерват електропроводимитечности с точност от 0,5% или 0,2 % в диапазона.
Вихровите разходомери могат да измерват течности и газове с точностпо-ниска от 1 %.
Дроселиращите устройства (бленди, дюзи, тръби на Вентури) искоростомерните тръби също намират своето приложение за измерване наразход на флуида с висока температура и налягане, с точност от 1 % до 10 %.
Масовите разходомери, използващи кориолисовият принцип постигатточност на измерване по-добра от 0,25 % и особено интересното при тях е, чеполучения сигнал за разход съответства на масата на протичащия флуид.
В таблици 1 и 2 са систематизирани различните познати методи заизмерване на разход на флуиди.
В обобщаващата таблица (стр.116 и 117) в приложението, се прависравнение между различните характеристики на новите средства за измерванена разход. Посочените стойности се отнасят за стандартно изпълнение, аотделни версии могат да имат други характеристики.
- 8 -
Положително преместване РD - метри
Термичен принцип
Изчислителен, от V, p, T
Променлива площ
Устройство занасипни материали
Турбинен
Вихров
Ултразвуков
Комбиниран
Електромагнитен
Скоростомерни сонди
Тегловни системи
Разделноизмерване на V и
Кориолисов принцип
Измерване на разход (в затворен тръбопровод) 70 %Течности 65 %, газове / смеси 35 %
Диференциално налягане
Обем Маса
Директни методи
Индиректни методи
Индиректни методи
Директни методи
Специалниизпълнения
Ултразвукови
Трапецовидни
Комбиниран смножество секции
Вихрови
Правоъгълни(със/без) ограничения
Триъгълни(V - форма)
Прегради
Измерване на разход ( в отворени линии / канали) 30 %Течности 95 %, насипни материали / каши 5 %
Трапецовидни(със/без) ограничения
Специалниконструкции
Правоъгълни(със/без) ограничения
Кафаги - Вентури
Палмер-Балус
Стеснения
Паршал
Разходомери занасипни материали
Чрез измерване на ниво(ултразвуково, диференциалноналягане, с поплавък и др.)
Метод на скоростите иплощите (витлови иултразвукови скоростомери)
Електромагнитни
Използване натрасиращ метод
Други методи
Таблица 1
Таблица 2
- 9 -
3. Първоначален избор
Освен общите критерии за избор на разходомерни устройства исравнението на различни измервателни системи, крайният потребител сенуждае и от ръководство за избор и приложение.
Фирмите производители на измервателни средства, най-честопредоставят информация за съмвестимостта на използваните в конструкциятаматериали спрямо вида и качествата на флуида (чистота, температура,вискозитет, налягане и др.).
Някои качества са важни само за някои от измервателните системи (напр.проводимостта на флуида по отношение на магнитоиндуктивнитеразходомери). Тези качества са изрично подчертани за дадена технология наизмерване.
Невъзможно е да се определи какъв е обхватът на употребата за всякаедна система. Около 95% от разходомерите са инсталирани на тръбопроводи сдиаметър от 25 до 500 мм.
Изборът на диаметъра на разходомера зависи от вискозитета на течносттаи допустимата загуба на налягането. Общото правило е 2 до 3 м/сек затечности, 20 до 30 м/сек за газове. За най-добър избор на диаметъра наразходомера се използват приложни програми на фирмите производители.
- 10 -
4. Терминология
Измерване на разхода на флуидиРазходът представлява количество вещество, протичащо през дадено
сечение за единица време. Единиците за измерване на разход по системата СИса kg/s при масов разход и m3/s при обемен разход на флуиди.
Връзката между обемния Qv и масов Qm разход e:
Qm = Qv r ,
където r е плътността на флуида. Настоящата книга основно разглежда измервателни системи
предназначени за монтиране на тръбопроводи. На практика, системите заизмерване на разход обикновено се използват за мониторинг и управление напроцесите. При горивните процеси се регулира съотношението на разходите нагориво и въздух. При процесите с периодичен характер се налага дозиране намасови или обемни количества, които се явяват интегрални значения наразхода.
Измерване на количествоИнтегрираният разход за даден интервал от време се нарича количество
или непрекъснато броене на константни частични обеми или маси на течениятаза продължителен период от време.
Измерване на скоросттаСкоростомерните устройства определят скоростта на флуида в дадена
точка от напречното сечение на течението. Те се използват за определянето наскоростния профил на течението. Също така служат и за разходомери или заброячи на активния обем, като измервателната сонда се позиционира наопределено място по диаметъра на тръбопровода, където може да се измерисредната скорост (напр. термоанемометър, тръби на Prandtl, различниултразвукови измервателни устройства).
Измерване на обемен разходОбемните разходомери измерват директно и индиректно протичащия
обем за единица време през тръбопровод или открит канал. В таблици 1 и 2 епоказан относителният дял на използваните средства за измерване в отворени изатворени системи и са систематизирани конкретните методи които ще бъдатразгледани подробно.
- 11 -
Измерване на масов разходМасовите разходомери измерват масата на протичащият флуид за
единица време в определен тръбопровод. Устройството на масовитеразходомери е базирано на различни методи:
1. Измерване чрез Кориолисовата сила.2. Измерване на обемния разход и плътността.3. Измерване на обемния разход, налягането и температурата.4. Чрез претегляне с везна (не е непрекъснат процес).
Метод 2 и 3 обикновено се използват при газовете и парите. Масовитеразходомери са от 3 до 10 пъти по-скъпи от тези за измерване на обема иобикновено се използват за измерването на скъпи флуиди (горива, втечненигазове, спирт и др.).
- 12 -
II. УРЕДИ ЗА ИЗМЕРВАНЕ НА РАЗХОД
1. Магнитоиндуктивно измерване на разход
Магнитоиндуктивният принцип за измерване на разход в тръбопровод беразработен през 1939 година в швейцарската фирма Father BonaventuraThurlemann.
Техните конструктивни и измервателни характеристики ги превръщат видеалните уреди за измерване разход на проводими течности.
Предимствата им са добре познати и няма област в която да не сеупотребяват. Непрекъснатите технически усъвършенствания се отнасят както заелектрониката (транзистори, интегрални схеми, полупроводникови елементи идр.) така и за сензорната част по отношение на електроди, изолационниматериали и присъединителни стандарти.
Конвенционалният магнитоиндуктивен разходомер (фиг.1) се състои отсензор, през който преминава флуида и вследствие на скоростта му сеиндуктира електродвижещо напрежение, електронен блок който изработвапроменлив ток за магнитното поле, усилвател на сигнала на електродите ипроцесорна част за изработване на изходни сигнали, управление на дисплея ибутони за управление.
фиг. 1 Конструкция на магнитоиндуктивeн разходомер
- 13 -
Последното поколение магнитоиндуктивни разходомери са смикропроцесорен контролиращ модул, който замества дискретния хардуер отминалото и има универсални функции.Посредством функционални бутони магнитоиндуктивните разходомери могатда се настроят бързо и лесно и едно от най-големите им предимства е тяхнатауниверсалност, т.е. един и същ електронен блок може да бъде използван завсички видове от съответната серия.
Принцип на измерването
Законът на Фарадей за електромагнитната индукция е в основата приизмерване с магнитоиндуктивни разходомери (фиг.2). Когато един проводниксе премества в магнитно поле, в него се индуктира електродвижещонапрежение:
(1) Ue = B.L.v
B - силата на магнитна индукция;L - дължината на проводника (разстояние между електродите)v - скорост на проводника (средна скорост на течението)
L
Електрическаизолация
I
Ue
v
Електромагнит
фиг. 2 Принципна схема на магнитоиндуктивенсензор за разход на течност
- 14 -
При измерване скоростта на потока, проводника се явява течността, коятосе движи напречно на магнитното поле и генерираното напрежение се отнемаот електродите. Измерванията показват, че напрежението, което се генерирамежду две противоположни точки на вътрешната стена на тръбата (където саразположени електродите) до голяма степен не зависи от профила на скоростта.Следователно формула (1) може да се използва за измерване средната скоростна потока. Магнитното поле се създава от две бобини, които се захранват с правили променлив ток. Индуцираното напрежение Ue се получава от дваелектрода, електрически изолирани от корпуса на сензора. Изолацията навътрешната стена на сензора е необходима и се постига с помощта наподходящи материали (гума, тефлон, полиуретан, керамика).
Оста на разположение на електродите, магнитните силови линии ипосоката на потока са взаимно перпендикулярни. Индуцираното напрежение Ueе пропорционално на индукцията B (Т), на скоростта на флуида v (m/s) и наразстоянието между електродите L (m). Като се има в предвид, че индукцията Bи разстоянието между електродите L са постоянни величини, получавамеследното уравнение:
(2) VQ = v. ALB
UA e
.=
Qv – обемен разход, m3/s; v – скорост на флуида, m/s;А – сечение на тръбопровода, m2;Uv – електродвижещото напрежение.
Сензор
Сензорът на магнитоиндуктивните разходомери се състои от:- тръба от не магнитен метален материал (месинг, високо легирана
стомана), която е електрически изолирана по вътрешността й;- една или две бобини с магнитопровод, разположени външно на тръбата;- два електрода, монтирани срещуположно в тръбата за контакт с
измерваната течност.
КонструкцияИзмервателната тръба най-често е от неръждаема стомана (304 SS, 1.430)
стандарти ANSI, DIN, SA, ASA, BS или JIS. Могат да бъдат използвани ипластмасовите тръби.Изолационният материал отделя тръбата от измерваната течност. Товаизискване не се отнася за пластмасовите тръби. В зависимост отпредназначението им, от температурата и измервания материал стандартнитеизолационни материали са от твърд или мек каучук, полиуретан, тефлон, емайлили керамика (AI2O3).
- 15 -
Електродите отнемат генерираното напрежение в течността, следователнотрябва да са електрически изолирани от тръбата и са в допир с измерванататечност .
Трябва да се използват материали за електроди, които се устойчиви накорозия, като например неръждаема стомана, тантал, титаний, платина/иридий,платина/родий пластмаси или графит.
Усилвател
Генерираното напрежение върху електродите на сензора е в диапазон от0.1 до 20 mV и зависи от организацията на магнитното поле (поле, захранвано симпулсен прав или променлив ток).
Електрохимическо интерферентно напрежениеТо се генерира поради електрохимическите особености на течността,
състоянието на потоците и използваните материали (електроди, изолационниматериали, тръби). Разликата в честотата между измервания сигнал (напр.честота на магнитното поле) и обхватът на честотата на електрохимическотоинтерферентно напрежение е относително голяма. Следователно, тезиинтерферентни напрежения могат да бъдат подтиснати чрез филтриразположени между електродите и усилвателя.
Индуктивно интерферентно напрежениеПрисъединителните проводници на електродите образуват вторична
намотка на бобината, в която променливото магнитно поле, генериранапрежение в присъединителните краища, което е дефазирано на 90о относнополезния сигнал.
Капацитивно интерферентно напрежениеВ проводниците на електродите се индуцира и капацитивна съставяща на
интерферентно напрежение, където фазовия ъгъл зависи от конструкцията наприбора и проводимостта на течността. Този ефект би могъл да се намалипосредством прецизно екраниране на проводниците или чрез калибриране принулев разход.
Магнитоиндуктивен разходомер с променливо магнитно поле
Бобините създаващи магнитно поле през сензора се захранват директночрез синусоидално напрежение с честота на мрежовото напрежение 50/60 Hz.При проектиране на усилвателя на прибора, трябва да се има предвид еднакватачестота на измерваното напрежение, което е функция от скоростта на флуида ииндуктивното интерферентно напрежение. За да се намали това влияние сеизползват електрически вериги за фазова компенсация на сигнала (фиг.3).
- 16 -
220/110 V
220/110 V
4
TEST
21S1
0...2
kH
z
+ 24 V (нестабилизирано)
+ 15 V- 15 V
+ 15 V
X
VFC
ZERO
M
+S2
F
0...2
0 m
A
f/n
FI
Un
фиг. 3 Блок-схема на магнитоиндуктивен разходомер с променливомагнитно поле 50 Hz MAGPAC (FLOWTEC AG)
Магнитоиндуктивен разходомер с биполярно поле на прав ток(Автоматична корекция на нулата)
На границата на измервателната среда и електродите на сензоравъзникват напрежения вследствие на галваничния ефект. Той зависи от вида насредата, температурата,налягането и вида на материала на електродите. Тезиелектрохимични напрежения не са константни величини и са различни придвата електрода.
Принципа на автоматичното нулиране позволява разделянето нагенерираното напрежение Ue вследствие от скоростта на потока отелектрохимичното интерферентно напрежение Us. Капацитивните ииндуктивните съставящи на интерферентното напрежение са незначителни притакава схема на организация на магнитното поле.
За всеки полупериод на захранващото напрежение на бобините сеизработват контролни импулси за промяна на полето, автоматично нулиране ипредаване на измерената стойност.Напрежението за автоматична нулева компенсация се поддържа за всекипериод. Дължините на полупериода не се измерват. По време на измерване наполезния сигнал, той не трябва да се променя.
- 17 -
В процеса на измерване имаме седем характерни периода: Т0, Т1, Т2, Т3,Т4, Т5, Т6 и Т7 със следните основни величини:
Uм - измервано напрежение;US - интерферентно напрежение;UЕ - входно напрежение на компенсираща верига;UА - изходно напрежение на компенсираща верига;UК - компенсиращо напрежение.
Основната тактова честота се изработва от управляваща електроника и есъс стойност от 1...25 Hz в зависимост от типа на магнитоиндуктивнияразходомер, (фиг. 4 а).
По тази честота се управлява превключването на постояннотонапрежение, захранващо електромагнитната система - фиг. 4 е.
Измереното напрежение на електродите UM се явява отместено спрямонулата с напрежението на интерференция US - фиг. 4 f.
За да се компенсира интерферентното напрежение US е необходимасистема за автоматичното му подтискане. Действието на такава система еследното:
Системата изработва помощни импулси за всеки полупериод от тактоватачестота - фиг. 4 b.
T4
0
0
T1T0 T2 T3
0
0
T6T5 T7
g)
f )
e)
c)
d)
a)
b)
фиг.4 Време – диаграма на процеса на измерване намагнитоиндуктивен разходомер
- 18 -
Тези импулси управляват верига за автоматично подаване накомпенсиращо напрежение UK.
UK = - (US + UM)
Това напрежение се измерва предварително когато имаме установенпроцес на генериране на напрежение върху електродите.
В периода на действие на помощния импулс до момента Т0,напрежението UK се подава на входа на усилвателя и се поддържа до следващияполупериод.
В момента Т0, входа на усилвателя се превключва към измеренотонапрежение от електродите и до момента Т1 е характерно експоненциалнотонарастване до стойност 2UM.
В периода Т1 Þ Т2 измерваното напрежение е постоянно вследствие нанасищане на магнитопровода.
В момента Т2 се измерва напрежението на електродите и се изработванапрежение за компенсация за следващия период, където UK = US - UM.
Това напрежение се подава в компенсиращата верига и се държипостоянно през периода Т4 до Т7.
В периода Т4 Þ Т5 имаме установяване на генерираното електродвижещонапрежение на електродите до ниво 2UМ.
В момента Т6 се измерва напрежението, което на изхода на авто-компенсиращата верига е:
UА = (+US + UM) - (+US -UM) = +US +UM - US + UM
UА = 2UМ Þ напрежението на изхода на компенсиращата верига се явяваувеличено с 2UМ.
В този момент от време Т6 (при положителния полупериод) измеренотонапрежение 2UМ се запомня вследствие на управляващия импулс “Sample –Hold” - фиг. 4 с.
В края на положителния полупериод, напрежението UК = - (+US + UM)отново се подава на входа за автоматична компенсация на нулата и в тозимомент всички процеси описани до тук се повтарят.
На фиг. 5 е показана блок-схемата на магнитоиндуктивен разходомер.
- 19 -
електромагнит
измервателна тръба
50/60 Hz
захр
анва
щбл
оксериенрезистор
- 15 V
+ 15 V
1/2 Н ключ
1A1-25 Hz
+ 20 V
- 20 V
2мрежовфилтър 50/60 Hz
24 V DC48 V DC25 VA
3
110/120 Vзахранване
1
автоматичнонулиране
ТР2х 5ТР1
х 100EPROM
DRAM
EEPROM
A P
контрол за пълентръбопровод
17 изход RS485комуникатор
DCDC
18
Магнитоиндуктивен разходомер, контролиран посредствоммикропроцесор
При тези системи, магнитното поле се генерира с положителна иотрицателна посока на прав ток, подобна на магнитоиндуктивните разходомерис двуполярно магнитно поле породено от прав ток. Те се отличават в това, чемикропроцесорът управлява системата и “определя времето”.
Коефициентът на усилване се променя в зависимост от скоростта напотока в сензора.
Всички функции и настройки на разходомерите се програмират лесно.Въвеждането на данни се осъществява в диалогов режим посредствомфункционални бутони, разположени под дисплея.
Параметри, които са програмируеми:· измервателен диапазон;· посока на флуида спрямо сензора;· диапазон на изходния токов сигнал 0…20 / 4...20 mA;· коефициент на импулсния изход;· времева константна на изходния токов сигнал 0,5…100 s;· подтискане на сигнала при малки разходи 0…100 %;· активиране на шумови филтри.
В процесора се съхраняват минимални и максимални стойности напараметрите, в зависимост от конкретния диаметър и при неправилно
фиг. 5 Блок - схема на магнитоиндуктивен разходомер
- 20 -
функциониране и въвеждане на стойности извън допустимия обхват, те не севъзприемат. Въвеждането на параметрите е възможно само чрез потребителскии сервизен код. Данните се съхраняват в енергонезависима памет при отпаданена захранването на разходомера (фиг. 6).
DC -15V
Бобина
DC
Опция
DC
AC
AC Н-схема
0 + 24V
IMPA
P
Захранване
AC
Ток от ел.магнита
S/H
U-опорно
50/60Hz
+15V+15V
AZ-верига
Измервателен сигнал
AD
Задание
4...20mA
IMPA
0...20mA
EEPROM
Дисплей
фиг. 6 Блок – схема на прибор VARIOMAG (FLOWTEC AG)
Област на приложение на магнитоиндуктивните разходомери
С магнитоиндуктивни разходомери може да се измерва вода, водниразтвори, отпадни течности, утайки, сокове, киселини, основи и други.
Необходимо е да се избере версия на магнитоиндуктивен разходомерсъобразена с минималната проводимост на измервания флуид.Нефтопродуктите - нефт, бензол, дизелово гориво не могат да бъдат измерваничрез магнитоиндуктивния метод, поради ниската им проводимост. За тезифлуиди следва да се подбере друг метод на измерване: – механичен, вихров,кориолисов.
Точността на магнитоиндуктивният метод не се влияе от температурата,налягането, плътността и вискозитета на течността. Скоростният профил нафлуида влияе минимално върху точността на измерването, тъй-като магнитното
- 21 -
поле е разположено по такъв начин, че всяка точка по диаметъра на сензора взоната на електродите допринася за генерираното електродвижещо напрежение.
Диапазонът за измерване на скоростта е от 0,5...10 m/s. Няма ограничениеза разположението на сензора в инсталацията. Препоръчително е вертикалноторазположение от гледна точка на газови включвания във флуида, способстващиза изолиране на електродите. Разходомерите се инсталират на разстояние от 3до 5 прави диаметъра на тръбата след съоръжения, които създаваттурбулентност (например: клапани, регулиращи вентили и др. арматури).
Какво може да се измерва с магнитоиндуктивни разходомери?
Химикали киселини, алкални разтвори, разтворители, добавки къмохлаждащи течности (гликолни);
Храни вода, бира, вино, алкохол, мляко, кисело мляко, сирена,сокове, меласа, захарни и солени разтвори, кръв, пълнеж засалами;
Металургичнапромишленост
управление на помпи, охлаждаща вода, циркулационна вода;
Отпадъчнитечности
отпадъчни течности, необработена утайка, пречистена утайка,неутрализиращи химикали, варно мляко, флокуланти;
Питейна вода резервоари и помпени станции, консуматори на питейна вода;Дървопреработване измерване и дозиране на лепила;Текстил химикали, бои, избелващи вещества;Фотография емулсии;Енергетика диференциално измерване на топлоснабдителни мрежи,
измерване количеството на топлината;Селскостопанскипродукти
вода, меласа, течни храни;
Измерване натоплина
магнитоиндуктивен разходомер в комплект с изчислителноустройство (топломер) за определяне на топлиннатаконсумация на база обемен разход и температурна разлика натоплофикационни и охладителни инсталации.
Магнитоиндуктивни разходомери за специални цели
Специфичните предимства на магнитоиндуктивните разходомеридоведоха до предпочитаното им използване в сравнение с “механичните”измервателни съоръжения.
Ø Дозиращи разходомериПри необходимост от точно измерване за кратък период от време, при
бързо протичащи процеси се използва конструкция на магнитоиндуктивенразходомер със сканираща честота 240 Hz с време на реагиране 4 ms безусредняване.
- 22 -
ØМагнитоиндуктивни разходомери от серията PromagТези разходомери имат по-съвременна конструкция и са подобрени по
отношение на настройка, индикация и изходни сигнали. Те притежават удобенматричен дисплей с три бутона и програма, улесняваща диалога припрограмирането им и работата с тях. На цифровия дисплей (фиг.7) сеизобразява не само стойността на измерваната величина, но и размерността й.Много лесно може да се премине от една измервателна система в другаизмервателна система. С помощта на двата бутона могат да се въведат редицапараметри като:
- обхват на измерване на обема ml; l; dm3, m3
- обхват на моментния разход l/min; l/h; m3/s; m3/min- избор на аналогов изход 0/4…20 mA- честота на импулсите 0…10 000 Hz- честота на сканирането 2…240 Hz- времеконстанта 10 ms…100s
Тези разходомери имат възможност да променят програмно означенатапосока на измервания флуид и спестяват разходи при монтаж и демонтаж.Притежават също така и възможности за извеждане на параметри презкомуникационен интерфейс RS 232/RS 485 Profibus DP/PA / HART, (фиг. 8).
Тези възможности позволяват да се направи диагностика на измервателнапозиция от сравнително далечно разстояние чрез модем и мрежа.
Предимства:· почистване на електродите чрез електрически ток;· конструкция без подвижни части;· възможност за настройка за различни диапазони;
фиг. 7 Дисплей и бутони занастройка на Promag
разходомерите
- 23 -
· измерва в две направления;· регистриране на броя на циклите на дозиране;· лесно пускане в експлоатация.
Магнитоиндуктивни разходомери за взривоопасни среди(ЕЕх – изпълнение)
Строгите изисквания за безопасност при съхранението, транспортиране иобработката на огнеопасни, взривни и високо реактивни материали са главнатапричина за класифициране на зоните и условията за работа на измервателнитеприбори.
В резултат на това се повишава необходимостта от производство наприбори, които са вариво защитени и взрив обезопасени.
Идеалният електронен измервателен уред за една ЕЕх зона имасъответното определение за степента му на защита (Искробезопасност нанеговите електрически вериги). Това става като за целта се използват елементис ниска електрическа консумация и ценерови бариери, които ограничаватнивото на електрическата енергия в електрониката на приборите и взахранващите и комуникационни линии под прага на създаване на опасенелектрически разряд.
До скоро това изискване не можеше да бъде изпълнено замагнитоиндуктивни разходомери с собствена консумация от 30 VA доняколкостотин VA.
фиг. 8 Promag 23 P- двупроводен магнитоиндуктивен разходомер
Основни параметри на двупроводните разходомери са:- номинален диаметър DN 25 … 200 (1”… 8”);- изолация от PTFE или PFA;- с PFA изолация максималната температура на флуида е до 180 °C
съответно 360 °F;
- 24 -
- за EEx среди максималната температура на флуида е до 150 °Cсъответно 300 °F;
- размерите на сензорите са съгласно стандарта DVGW и ISO;- точност на измерване ± 0.5 %;- защита на корпуса, IP 67, с отделена секция за клемореда;- “Touch Control” - конфигуриране чрез бутони без отваряне на корпуса
специално за EEx среди;- комуникация посредством HART протокол;- EEx сертифицирани за зона 1 (ATEX, FM, CSA, и други);- захранване на трансмитера 12 ... 30 V DC.
Предимства:· висока степен на надеждност;· само една захранваща и сигнална линия (намалени разходи за
инсталация);· експлоатационните параметри могат да бъдат променяни по
желание;· продължителна автоматична самодиагностика на измервателните
инструменти;· възможно е “конфигуриране” на приборите без да се променя зоната
на класификация.
Въпроси и отговори
Въпроси: Отговори:1.По какъв начин влияятследните физически параметри приизмерване с магнитоиндуктивенразходомер?а) проводимостта на флуида? Минималната проводимост на измерваните
флуиди е 5 ms/см. Съществуват специалнисерии с възможност за измерване на флуиди спроводимост 0,5 ms/см.
б) температура, налягане ивискозите?
Тези параметри нямат влияние върхуточността на измерването.
в) от скоростния профил на потока? Ако при монтажа се спазят необходимите заправи участъци пред и след разходомера,нямаме влияние върху точността.
2.Каква система за създаване намагнитно поле (АС или DС) и закакви приложения?
Съвременните магнитоиндуктивниразходомери с бързо променящо се магнитнополе (до 240 Hz) намират все по-широкоприложение. Приборите с АС – магнитно поле50 Hz се използват в хартиената,пречиствателната и други промишлености.
3.Какви са предимствата инедостатъците на един
Един магнитоиндуктивен разходомер скапацитивен принцип на отнемане на сигнала
- 25 -
магнитоиндуктивен разходомер скапацитивни електроди?
се прилага за течности с много малкапроводимост и за приложение с характерниотлагания по стените на сензора. Поотношение на слабия сигнал, който есъизмерим с шумовия сигнал от индустриалнисмущения и собствения шум на използванитеелектронни усилватели, води до по-нестабилни показания в сравнение сконвенционалните магнитоиндуктивниразходомери. Също така това измерване ечувствително и към промяната натемпературата на флуида. Точността прикапацитивно отнемане на сигнала е по-лошав сравнение с точността намагнитоиндуктивните разходомери селектроди в контакт с течността. Тези системине се използват за диаметри по-малки от 25mm и разходите за приложението са по-високи в сравнение със стандартнитеелектроди.
4. Какво ще се случи приизмерването на разход с единмагнитоиндуктивен разходомерако:а). в измервателния сензор сенамали проводимостта?
При поляризация на електродите и отлаганена магнетит е необходимо да се извършидеполяризация на електродите и почистванетоим. Това става автоматично посредствомвградена в разходомера система за електроннопочистване с променлив ток (ЕСС – схеми).
б). се получат отлагания посензора?
Електродите ще бъдат шунтирани вследствиена тези нежелателни отлагания и показаниятаще са недействителни. Решението напроблема е чрез правилно оразмеряване иповишаване на скоростта на флуида визмервателния участък, за да се получи ефектна самоотчистване. Възможно е използванетона конструкции със сменяеми електроди.
в1) имаме газови включвания? Газовите включвания създават грешка приизмерването, която е пропорционална напроцентното им съдържание в течността. Припо-големи количества на въздух или газове евъзможно напълно изолиране наизмервателните електроди. Измерваниятфлуид трябва да не съдържа газовивключвания. При монтирането наразходомерите трябва да се държи сметка заположението на сензора в инсталацията.
- 26 -
в2) има твърди включвания визмервания флуид?
Един магнитоиндуктивен разходомеризмерва1 дм3 твърд материал, както 1 дм3
вода. Вие можете да измерите както шлам,утайки или хартийни включвания. Единственотрябва да се съобразяваме със скоростта нафлуида от гледна точка на абразивнотоизносване и скоростта на витаене(хидравлична едрина).
г) измервателният сензор не еизпълнен по цялото сечение стечност?
Ако имаме непълно запълване наизмервателната тръба, ще се получи грешкапри измерването, която е пропорционална насъдържанието на въздуха.
д) предписаните прави участъципред и след разходомера не саизпълнени спрямо инструкцията?
Това ще доведе до повишаване грешката приизмерване >1 %.
5. Колко важно е заземяването накорпуса на магнитоиндуктивнитеразходомери?
Ниското генерирано напрежение върхуелектродите на разходомера трябва да бъдеизолирано от силните утечни токове, коитопротичат през тръбопроводите. Отвежданетона този ток става посредством допълнителнипроводници и шини, изпълнено съгласноинструкцията за монтаж и експлоатация.
Предимства при използване на магнитоиндуктивни разходомери:· измерването не се влияе от физическите качества на измерваната
течност като температура, налягане, вискозитет;· няма механични движещи се части, следователно няма износване,
не е необходимо да се поддържа;· няма намаляване на диаметъра, следователно няма допълнителна
загуба на налягане;· идеални за силно замърсени течности, утайка, носени от течението
твърди компоненти;· широк диапазон от диаметри;· добра линейност в широк динамичен обхват;· силно независим от профила на течението;· не изисква дълги участъци в тръбопровода, където се монтира;· висока надеждност на измерването;· може да се почисти на място.
Ограничения при използване на магнитоиндуктивни разходомери:· могат да се измерват само проводими течности. Минималната
проводимост трябва да бъде > 1 ms/см;· ограничения относно температурата на флуида < 180 oC..
- 27 -
2. Вихрови разходомери
Принцип на измерване
Вихровите разходомери (фиг. 9) използват явлението, наречено “Вихровоизхвърляне”, което става, когато дадено течение (пара, газ или течност) енасочено срещу препятствие, наречено обтекаемо тяло. Граничният слой нафлуида не може да следва определените контури на обтекаемото тяло и сеоткъсва от неговата повърхност, при което се образуват вихри, които се отнасятот течението (Karman Vortex Street). Вихрите се откъсват последователно отвсяка страна на обтекаемото тяло с честота, пропорционална на среднатаскорост на течението в тръбопровода.
Сензорните елементи като термистори, пиезокристали, мембрани,капацитивни вибриращи котви, и ултразвукови сензори разпознават полученитеимпулси на скоростта или налягането, които са генерирани при изхвърлянетона вихрите. Полученият сигнал обикновено се усилва и преобразува отелектронна апаратура. В резултат се получава унифициран аналогов иличестотен изходен сигнал, който е пропорционален на скоростта на течението.
фиг. 9 Външен вид навихрови разходомери
- 28 -
Произвежданите от различни фирми вихрови разходомери се различаватпо формата на обтекаемото тяло, вида на сензора и електрониката.
Вихровите разходомери се използват за измерване в промишлеността от1970 г., но едва през последните години този метод се разви. Обтекаемите телабяха развити в посока подобряване съотношението на сигнала - шум, асензорите бяха подобрени значително.
Специалистите считат, че вихровите разходомери са бъдещото решениеза измерване на непроводими течности. Сега има технически решения за замянана дроселиращите разходомери за измерване на течности, газове и пара.Относителният дял в продажбите на вихрови разходомери в Европа, САЩ иЯпония непрекъснато нараства.
Вихров път на Карман
Теодор фон Карман назова с името си картината на вихрите, които сесъздават при обтичането на телата. През 1912 г. той открива, че между двавихъра съществува фиксирано съотношение, съответстващо на разстоянието“а” и дължината “t”, показано на фиг. 10 а.
При цилиндричното отвесно тяло a / t = 0.281През 1513 г. Леонардо да Винчи описал наблюденията си върху вихъра,
образуван във вода, обтичаща даден обект.
t
v
Струхал започнал научните си наблюдения през 1878 г. Той открил, чеедна струна започва да трепти при обтичането й от въздух. Честотата натрептенията е пропорционална на скоростта на флуида. Това явление може дасе наблюдава при автомобили и сгради, където свистенето на въздуха зависи отскоростта на вятъра (фиг. 10 б).
фиг. 10 a Вихров път на Карман
- 29 -
фиг. 10 б Реално заснет вихров път на Карман
Критерий на Струхал (St)
vf.dSt =
f - честота на вихрите;d - диаметър на обтичаното тяло;v - скорост на флуида.
Скоростта на флуида се увеличава до най-големия диаметър наобтичаното тяло. В зоната на разширение на течението, се създават условия заоткъсване на вихри, които са в резултат на обратното течение на граничнияслой.
Контур
Заден поток
Точка наоткъсване
Граниченслой
фиг. 11 Генериране на вихри
- 30 -
Идеалният вихров разходомер трябва да има такова смущаващотечението тяло, при което стойността на критерия на Струхал да се запазвапостоянно при широк диапазон на изменение на стойността на Рейнолдс.Честотата на вихрите не се влияе при промяна на налягането, температурата иплътността на флуида, което ги прави подходящи за използването на един исъщ вихров разходомер за използване на разход на пара, газове и течности.
Конструкция на вихров разходомерНа фиг. 12 и фиг. 13 са показани основните компонентите и сензора на
вихров разходомер.
1 - обтекаемо тяло (преграда);2 - сензор;3 - измервателна тръба;4 - предусилвател;5 - преобразувател на сигнала.
1
2
4
53
фиг. 12 Компоненти на вихровразходомер
фиг. 13 Сензор на вихров разходомер
- 31 -
Обтекаеми тела
Вихърът се образува в задната част на обтичаното тяло. Линейността накоефициента v » f (скоростта е пропорционална на честотата на вихъра) зависиот формата и размерите на отвесното тяло. Това обикновено се изобразява сдиаграма, която посочва числата на Струхал, съпоставени с критерия наРейнолдс, или относителното отклонение от калибровъчния фактор, въвфункция от Рейнолдс (фиг.14).
0.1
210100
104103
Str
0.3
0.2
Re106105 107
Кръгли обтекаеми телаПървоначално обтичаните тела са били с цилиндрична форма. Точката на
откъсване на вихрите се е движела напред и назад по повърхността на тялото, взависимост от скоростта на флуида. Поради това честотата на вихрите не е биланапълно пропорционална на скоростта.
Трапецовидни обтекаеми телаТестовете, провеждани в продължение на много години показват, че
зависимостта между скоростта и честотата на вихрите е линейна. Ръбът натрапеца, явяващ се точка на откъсване е ясно регламентиран. Точността наизмерване не се нарушава при промяна в налягането, вискозитета или другисъстояния на течението. Съществуват много разновидности на трапецовидни итриъгълни тела, които се използват днес.
Инженерите от НАСА също задълбочено са изследвали трапецовиднитеобтичани тела при различни флуиди.
фиг. 14 Изменение на критерия на St във функция от Re за кръгло итриъгълно сечение
- 32 -
Сензори
Съществуват няколко метода за измерване на честотата на вихрите. Засега не съществува универсален сензор, който да отговаря на всичкиизискванията на процеса.
1. ТерморезисториТерморезисторите са чувствителни на топлината и притежават висок
температурен коефициент. Охлаждането на тези захранвани с електричествотерморезистори води до промяна в електрическото съпротивление. Генерира сесигнал на променлив ток.
Недостатъци:· чувствителност към мръсотия в зависимост от разположението на
терморезистора;· обикновено показват непоносимост към резки изменения на
температурата.
Приложения:· За чисти газове и отчасти за течности.
2. Сензори, използващи наляганеСъздаването на вихъра е съпроводено с промяна в налягането. Това
колебание в налягането въздейства върху една мембрана. Между мембраната иизолирания електрод има масло, което позволява измерването чрез промяната вкапацитета. Някои производители измерват промяната в напрежението,генерирано от пиезоелектрически кристал.
Проблеми:· температурата е ограничена до 150 °С (300 оF), възможно е
пропукване на мембраната;· в зависимост от вида е необходима голяма сила на деформацията,
следователно няма чувствителност при ниските скорости.
Приложения:· Течности, частично при газове и пара с ниско налягане.
3. Механични сензориЛесен метод със странични отвори, който свързва и двете части на
отвесното тяло. Вътре в него един диск вибрира с амплитуда 0,01 инча (0,2 мм).Движението се улавя от прост магнитен датчик.
Проблеми:· може да блокира от мръсотия;
- 33 -
· при наситена пара, движението на механичните части може да сезабави от кондензацията;
· при резки температурни промени е възможно лагера или диска да сеизмести навън или да се напука.
Приложения:· За гореща вода, пара и течности с ниска температура.
4. Сензор, измерващ напрежениетоЗа привеждане на отвесното тяло в движение могат да бъдат използвани и
разликите в налягането. Изместването е приблизително 0.0004 инча (10 mm). Вотвесното тяло има електрод, върху който се разполагат тензорезистори.Поради динамичното въздействие върху електрода, съпротивлението натензорезисторите се променя и произвежда електрически сигнал.
Проблеми:· температурни ограничения за тензорезисторите;· по-големите диаметри (4 инча, 6 инча), (100 мм, 150 мм) са
чувствителни на вибрации, тъй като масата на сензора се увеличава.Необходимо е, обаче изместване само от порядъка на 0,0004 инча (10 mm) за дасе създаде сигнал.
Приложения:· за газове и течности
5. ПиезоелементиВ отвесното тяло може да се сложи кварцов кристал, който да замени
тензорезисторите за измерване на механичните напрежения. Това води догенерирането на електрически заряд при промяната на напрежението наповърхността.
Теоретично, може да се използва и втори кристал, който да компенсиравъншните вибрации чрез наслагване на сигналите като изходния сигнал ерезултат само от въздействието на вихрите на потока.
Проблеми:· допустима температура на флуида: - 40…+ 300 °C (- 40…+ 570 oF);· чувствителни към температурни шокове > 100 oС за 0.5s (180 oF за
0.5 s);· деликатно поддържане на сензора.
Приложения:· Течности, газове и пари до 300 oC (570 oF).
- 34 -
Сензорна система с диференциален капацитет
Сензорната система с диференциален кондензатор е почти същата катопиезоелектрическата и измерващата напрежението, поради използването наедин сензор за всички разходомери. Сензорът се прикрепя към тялото наразходомера, докато специално уплътнение изолира измерваната течност отоколната среда. Долната част на сензора предава вибрациите на капацитивнатасистема на сензора (разработена от Flowtec). Това осигурява добра защита насензора срещу ударни натоварвания. Конструкцията на сензора може да сеприеме за твърдо тяло. В ниския обхват на скоростта, изместването на върха насензора е по-малко от 1/20 от дължината на вълната на видимата светлина. Наносач се поставят два електрода. Те се разполагат симетрично спрямоподвижния електрод. Между тези електроди се образуват два еднаквикондензатора. Разликите в налягането на вихрите въздействат на електродите, ипроменят електрическия им капацитет. Тази разлика в заряда се измерва отподходяща предусилвателна верига.
Вибриращият елемент е балансиран динамично за да предотвратяватнежелателните въздейства върху сензора. Двете части се движат в абсолютенсинхрон, независимо от оста на вибрацията. Компенсират се дори ротационнитевибрации. Уникалната конструкция позволява измерването при големитемпературни диапазони: -200…+400 oС (– 328 …+750 oF).
Приложения:· Наситена и прегрята пара, газове, течности и криогенни течности.
фиг. 15 Механизъм на преобразуване на вибрациитес капацитивен сензор
- 35 -
Ултразвукова системаЗад обтекаемото тяло се монтират ултразвуков предавател и приемник.
Вихрите изменят честотата, пропорционално на скоростта на течението(фиг.16).
Разработката на този метод е била предназначена за Мицубиши, заизмерване разхода на въздух и регулиране на съотношението с впръскванотогориво. В резултат се постига оптимален разход на гориво за двигателите свътрешно горене.
Проблеми:· често пъти е необходима облицовка за предпазване от постоянните
вълни;· източниците на звукови колебания, често могат да влияят върху
измерванията.
Приложения:· При газове и течности се използват различни сензори.
Измервателна тръба
Габаритите на обтекаемото тяло трябва да бъдат с такава големина, че даподхождат на вътрешния диаметър на измервателната тръба. Това тяло имаразлични измерения за всеки един диаметър, поради което всичкипроизводители на вихрови разходомери доставят малко видове с различниразмери. Стандартните диаметри са: 15, 20, 40, 50, 80, 100, 150, 200, 250 и 300мм. Видът на сензора определя дължината на сензорното тяло. Например,дължината за инсталиране на сензорна система с кондензатор е много по-малка, отколкото дължината необходима за инсталирането на ултразвуковсензор.
фиг. 16 Ултразвуков детектор
- 36 -
Употреба на различни видове сензори
Тер
мор
езис
тор
Сен
зор
нана
ляга
нето
Мех
анич
енсе
нзор
Сен
зор
наиз
мер
ване
на
напр
ежен
ието
Пие
зо с
ензо
р
Улт
разв
уков
сенз
ор
DSC
–ди
фер
енци
але
н ка
паци
тиве
нсе
нзор
Висока скорост ▲ ▲ ▲ ▲ ● ● ●
Ниска скорост ● ▲ ▲ ▲ ▲ ● ○
Висока температура ▲ ▲ ● ▲ ● ▲ ●
Ниска температура ▲ ▲ ● ▲ ▲ ▲ ●
Температурни шокове ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ●
Леко замърсяване ▲ ● ▲ ● ● ● ●
Течности ○ ● ● ● ● ○ ●
Газове ▲ ▲ ○ ▲ ● ▲ ●
Газове с ниска плътност ● ○ ▲ ○ ○ ● ○
Газове със средна или по-висока плътност ● ○ ▲ ● ● ● ●
● Идеално приложение ○ Ограничено приложение ▲ Невъзможно приложение
Предусилвател
Предусилвателят на вихров разходомер се състои главно от филтри.Програмно се избира честотния диапазон на вихрите, в зависимост от вида нафлуида газ или течност.
При повечето видове сензори се формира диференциален сигнал (за да сепремахне влиянието на температурата и външни механични вибрации).
Всеки производител прилага свои методи за различаване на сигналите отзвука. Самият предусилвател консумира минимално количество енергия ипозволява взривобезопасно изпълнение
- 37 -
Преобразуване на сигнала
В електрониката на вихровите разходомери измерената честота сепреобразува в сигнал по разход, като предварително са въведени вида флуида,диаметъра, и калибрационния фактор.
Предаването на сигнала се извършва чрез галванично разделени импулси,честота или посредством аналогов сигнал 4...20 mA.
За случаите на измерване на свиваеми флуиди вихровия разходомеробикновено се допълва с компютър за измерване на масовия разхода.Допълнително се измерват налягането и температурата и се извършватизчисления в реално време по стандартни методики.
Предимства:· малки разходи за монтаж;· голям динамичен обхват > 50 : 1;· висока точност = 1 %;· дълготрайна стабилност;· линейна зависимост между първичния сигнал и изходния сигнал;· линейността не зависи от плътността, вискозитета и налягането;· импулсен и аналогов изход;· за течности, газове и пари;· лесна подмяна на елементи при сервизиране;· ниски загуби на налягане.
Недостатъци:· намалена точност при стойности на Рейнолдс < 20000
Ограничения при употребата:· течности с висок вискозитет;· диаметри под 1 инч (25 мм), налични са и по-малки диаметри, но
обхвата на измерването е ограничено от числата на Рейнолдс;· силна пулсация.
- 38 -
3. Ултразвукови разходомери
Принцип на измерването
Ултразвуковите разходомери се базират на два принципа:· измерване на време за преминаване на ултразвуков импулс;· Доплеров ефект.
Както е изобразено на фиг. 17 и фиг. 18 ултразвуковият предавател (А) и(Б), представляват пиезоелектрически кристали преобразуващи електрическиколебания в механични вълни и обратно. Тези сигнали се разпространяват всреда, чиято скорост искаме да определим. Съгласно посочените принципи,сигналите се предават и се приемат от сензорите (А или Б). Приемникътпревръща ултразвуковите сигнали в електрически сигнали. Информацията отсигналите се обработва с помощта на електронен модул и се превръща в сигналза разход.
Измерване на времето за преминаванеСкоростта на разпространението на ултразвука в движещи се флуиди
зависи от скоростта им. При разположение на сензорите (фиг. 17), скоростта наултразвуковия импулс се определя чрез уравненията
(1) а1 = а + V.cosq от А към Б
(2) а2 = а - V.cosq от Б към А
където:V/a <<1;
а1 - скорост на разпространението на звука по посока на скоростта нафлуида;
а2 - скорост на разпространение на звука по посока противоположна наскоростта на флуида;
а - скорост на разпространение на ултразвука в неподвижна среда (вода,типично 4900 фута/сек (1500 м/сек);
v - локална скорост на флуида;q - ъгъл между свързващите абсциси (конвертор-конвертор) и посоката
флуида.
- 39 -
aa1
A
v
L a2
va
B
Средната скорост на потока се определя както следва:
(3) ò=L
m v.dL1/L.v
vm - средната скорост на потока по пътя от А към B;L - разстоянието между двата ултразвукови сензора (предавател и
приемател).
След заместване в уравнения (1) и (2):
(4) а1 = а + vm.cos q = L/t1
(5) а2 = а - vm.cos q = L/t2
t1 - време за преминаване на ултразвуков импулс по посока на скоросттана флуида;
t2 - време за преминаване на ултразвуков импулс срещу скоростта нафлуида.
Средната скорост на потока може да бъде изчислена след като сеопределят времената t1 и t2 и се заместят в уравнения (4) и (5).
(6) ÷÷ø
öççè
æ-=
21m t
1t1.
2cosθLv
Доплеров ефектАко едно движещо се тяло отразява звукова вълна се осъществява
преместване на честотата (Доплеров ефект). Този принцип може да бъдеизползван при измерване на скоростта на флуиди (фиг. 18).
фиг. 17 Измерване на времеза преминаване
- 40 -
Теоретично
1f
ff1
21 <<-
и тогава можем да изведем уравнението
(7) /aθcos.2.v.fff 121 =- ,
където:a - скорост на звука в средатаv - скорост на отразяващата зонаf1 - излъчена честота на предавателяf2 - честота на приемането
A
f 1 f 2
Скоростта на отразяващото тяло може да бъде определена от разликата вчестотите, а оттам може да бъде изчислена скоростта на потока.
При измерванията, посредством метода на Доплеровия ефект енеобходимо течността, която се измерва да съдържа частици, от които сеотразяват звуковите вълни. За да се получи чувствителна независимост отскоростния профил е необходимо предавателите да бъдат подредени поопределен начин.
Най-важни методи
Метод 1Както е изобразено на фиг.17, предавателите А и B предават
едновременно импулси или високочестотен пакет от импулси. След това теприемат пристигналите по различно време импулси. Това позволява да сеопределят времената t1 и t2.
Изчислителният модул определя и образува изходен сигнал, който споредформула (6) е пропорционален на vm.
фиг. 18 Доплеровефект
- 41 -
(8) (t2 – t1) / (t1 . t2)
За да се подтиснат фалшивите сигнали са необходими времеви прозорции детектори на прагови стойности за приетите сигнали. Честотата на сканиранее максимално 1 kHz. Възможно е в измервателния участък да се монтират двеили повече измервателни пътеки (траверси) и по този начин да се наблюдаватособеностите в скоростния профил. Увеличаването на броя на траверсите водидо повишаване на точността на измерване.
Метод 2Принципно, разходомерът има две независими измервателни пътеки,
всяка от които има предавател (А или А*) и приемател (В или В*) - фиг. 19.Всяка измервателна пътека е настроена по такъв начин, че при получаването наедин импулс от приемателя се излъчва следващият импулс.
Тази технология се нарича “биене” или технология на честотата наимпулсния поток. Тази честота на предадения импулс е пропорционална начестотата на звука и обратно пропорционална на изминатото разстояние.
A
v
B*
f 1
A*
B
f 2
При скорост vm тя е:
(9) vm = L (f1 – f2) / (2.cos q )
Ако поради затихване се изгуби сигнал, електронните устройстваавтоматично произвеждат нов предавателен импулс. Честите затихваниянарушават качеството на измервания сигнал.
фиг. 19 “Честотнобиене”
- 42 -
Други методи
Пряко измерване на преходното времеПредавателите на фиг. 17 едновременно предават импулсни сигнали.
След това и двата предавателя са превключени в режим на приемане и отчитатразликата във времената между два ултразвукови сигнала, съгласнозависимостта (10).
(10) vm = a2 (t2 – t1) / (2L.cos q )
Диференциално измерване на фазатаОтносителното положение на фазата на предадените и приетите сигнали
се определя от звуковите вълни, разпространяващи се в посока, обратна натечението на потока.
Диференциалният ъгъл на фазата е пропорционален на диференциала напреходното време (формула 10). Изчислението се извършва също съгласно (10).
Метод на изместванетоЗатихването на ултразвукова вълна, която е разположена диагонално на
посоката на потока е пропорционално на vm и обратно пропорционална на а:Намаляването на сигнала при приемателя е индикация за изместване. Скоросттана звука се определя от акустичното съпротивление.
Метод на Доплеровия ефектКонфигурацията е посочена на фиг. 18. Възможно е да се настроят версии
с два предавателя. Електронните изчисления се извършват според формула (6).
Метод на взаимната корелацияДве измервателни пътеки са разположени на точно определено
разстояние една от друга, перпендикулярно на посоката на потока на ниво,паралелно на абсцисата на тръбата. Посредством измерване на абсорбацията наенергия се получават два сигнала, които се предават на взаимен корелатор,който изчислява скоростта на потока на течността.
Конструкция на разходомера
ПредавателиПредавателите са направени от поляризирани пиезоелектрически
керамични материали (PbZr-титанит), които са поставени в подходяща кутия.Процесната температура варира от 100 oC (210 o F) до 160 oC (320 oF). При по-високи температури се получава по-бързо стареене (деполяризация).
Сензорите са в контакт с течността или са прикрепени външно върхутръбата.
- 43 -
Измервателни тръбиИзмервателните участъци най-често е снабдена с сензори, които са
монтирани неподвижно и са калибрирани в заводски условия (мокър монтаж).Това води до по-висока точност на измерване.
При версиите на „сух монтаж” ултразвуковите сензори се монтиратвъншно на тръбопровода и измерването може да се проведе по време на работана инсталацията. Това е най голямото им предимство в сравнение с останалитеметоди.
Технически данни
Точност:
За метод с пряко измерване на времето на преминаване и за сензори,които са в контакт със средата:
± 0.2% от цялата скала Профилът на потока не влияе върхуизмерването.
± 1% от пълната скала По DIN 1952 е възможно 15 пъти диаметъра натръбата за входен участък и 5 пъти диаметърана тръбата на изхода.
± 2% до пълната скала За промишлена употреба.± 1...5% от пълната скала За външно закрепени сензори.
За метода на Доплеровия ефект:
³ 2% от пълната скала Предавателите са в съприкосновение стечността.
Обхват на измерването 0…1 m/s до 0 …10 m/s (0…3 ft/s до 0…30 ft/s).
Загуба на налягане Пренебрежимо малка.Обхват на диаметъра (0.25-80 при / DN 6...2000). При по-малки
диаметри измервателната пътека трябва дабъде по протежението на оста на тръбата.
Температурен диапазон от – 40 до 170 оC (в зависимост от версията)
Налягане PN 10 – 40 bar (140 … 580 psi)
- 44 -
Предимства:· големи диаметри до 6000 мм;· не се получава загуба на налягане;· дълъг срок на експлоатация;· бърза реакция: от 1 до 20 ms при висококачествените инструменти;· могат да бъдат инсталирани в тръбопроводи под налягане;· експресен начин за измерване.
Недостатъци:· относително зависими от профила на тръбата за акуратно измерване,
тъй като скоростта се определя само върху малка площ. Зависи отпринципа на детектирането;
· средна до ниска степен на точност, зависеща от качеството натечността. Течността трябва да бъде достатъчно акустично-прозрачна;
· методът на Доплеровия ефект е възможен да се използваограничено;
· висока цена за ограничени възможности.
Ограничения при употребата:· повишени изисквания за точността;· силно замърсяване и натрупване на отлагания по вътрешните стени;· висока температура;· нарушен профил на потока.
- 45 -
4. Измерване на разхода на флуиди чрез дроселиращи устройства
Теоретични основи
Методът за измерване е основан на зависимостта на разликата наналягане пред и след неподвижното дроселиращо устройство, поставено втръбопровода, от разхода на измерваната среда. Това устройство трябва да серазглежда като първичен преобразувател на разхода. Създаваният вдроселиращото устройство пад на налягане се измерва с диференциалниманометри, скалата, на които се градуира в единици за разход. Принеобходимост от дистанционно предаване на показанията диференциалниятманометър трябва да бъде снабден с преобразувател.
Разглежданият принцип на измерване се заключва в това, че като протичапрез отвора на дроселиращото устройство, флуидът увеличава скоростта си.Увеличаването на скоростта, а следователно и на кинетичната енергия намалявапотенциалната енергия и съответно и статичното налягане. Разходът може да сеопредели по разликата на налягане Dр, което се измерва с диференциалнияманометър в съответствие със статичната характеристика Dр = f(mt) илиDр=f(vt). Приложението на този метод на измерване е възможно, ако саизпълнени следните условия: течението трябва да бъде турбулентно истационарно; флуидът трябва да бъде еднофазен и да запълва цялото сечение натръбопровода; фазовото състояние на флуида не трябва да се променя припреминаването му през стесняващото устройство; не трябва да се образуватутайки пред и след стесняващото устройство; на повърхността на стесняващотоустройство не трябва да се натрупват отлагания, които довеждат до промяна нагеометрията му.
Дроселиращите устройства се разделят условно на стандартни инестандартни. Стандартни се наричат тези устройства, които са изработенисъгласно с нормативните документи на дадения стандарт. Статичнитехарактеристики на стандартните устройства могат да се изчислят безиндивидуална градуировка. Статичните характеристики на нестандартнитестесняващи устройства се определят чрез индивидуална градуировка.
Като дроселиращи устройства за измерване на разхода на течности,газове и пари се използват бленди, дюзи и дюзи на Вентури. Блендите (фиг.20а)представляват тънък диск с кръгъл отвор, оста на който съвпада с оста натръбата. Предната (входна) част на отвора има цилиндрична форма с диаметърd, а след това преминава в конично разширение. Предният ръб трябва да бъдеостър, без закръгления и издатъци. Стандартните бленди се изработват затръбопроводи с диаметър, по-голям от 50 mm.
- 46 -
D
P1
a
P2P1
d
D
б в
P1P2
d d
P2
Дюзите (фиг.20 б) имат плавно стесняваща се входна част и цилиндричнаизходна част с диаметър d. Изходният ръб трябва да отговаря на същитеусловия както предния ръб на блендите. Той се предпазва от случайни повредичрез защитния праг, образуван на изходната част на дюзата. При измерване наразхода стандартните дюзи се използват за тръбопроводи с диаметър, по-голямот 50 mm.
Тръбата на Вентури има стесняваща се входна част, цилиндричен участъки конична разширяваща се изходна част (фиг.20 в). Минималният диаметър натръбопровода за стандартните тръби на Вентури е 50mm.
На фиг.20 с р1 и р2 са отбелязани точките за отвеждане на наляганетокъм диференциалния манометър за преобразуване на разликата р1-р2 в сигналпропорционален на обемния разход .
На фиг.21 е показан профила на течението, което преминава през бленда,и разпределението на налягането по дължина на стената на тръбопровода(плътната линия) и по оста на тръбата (прекъсната линия). След сечението Аструята се свива и средната скорост на потока се увеличава. В резултат наинерционността струята продължава да се свива до определено разстояние следблендата, като мястото на най-голямото свиване се намира в сечението В.Увеличаването на скоростта в участъка АВ е съпроводено със съответнонамаляване на статичното налягане от първоначалната му стойност рА доминималната му стойност рВ. След сечението В започва разширяване наструята, което завършва в сечението С. Този процес е съпроводен снамаляването на скоростта и увеличаването на статичното налягане. Всечението С скоростта придобива първоначалната си стойност, но наляганеторс е по-малко от налягането рА в резултат от на загубата на налягане встесняващото устройство. Загубата на налягане се определя от загубата наенергия в мъртвите зони, които се намират зад блендата, където се създавасилно вихрообразуване.
фиг.20 Стандартни дроселиращи устройства
- 47 -
P1
P1
PA
P
A
PC
PB
P2
P2
P3
B C
фиг.21. Характер на течението и разпределение на статичното налягане
При определяне на общата зависимост между разхода и пада на наляганепървоначално се приема, че плътността на флуида не се изменя припреминаването му през стесняващото устройство, няма топлообмен с околнатасреда и тръбопроводът е хоризонтален. В този случай законът за запазване наенергията за сеченията А и В може да се запише във вид на уравнението наБернули:
(1) 2vξ
2vk
ρp
2vk
ρp 2
B2B
BB
2A
AA ++=+ ,
където kА и kB са поправъчните коефициенти за неравномерността наразпределение на скоростите в сеченията А и В; vА и vВ - средните скорости напотока в сеченията А и В; x е коефициента на съпротивление в участъка АВ,отнесен към скоростта vВ.
Масовият разход Qm на непрекъснатата струя несвиваема течност сплътност r, която се движи със скорост v в тръба със сечение F, може да сеизрази с уравнението:
(2) Qm = rv F.От (2) лесно може да се получи:(3) FAvА = FB vB ,
- 48 -
където FA и FВ са площите на струята в сеченията А и В.Отношението на площта на отвора на стесняващото устройство F0 към
площта на тръбопровода F се нарича относителна площ (модул) настесняващото устройство:
(4) 2
20
Dd
FFm == ,
където d и D са диаметри на стесняващото устройство и на тръбопровода.Отношението
(5)0
B
FFμ =
се нарича коефициент на свиване на струята.
След като се вземат предвид (4) и (5), от (3) се получава:(6) v А =m mvB.
След заместване на стойността за vА от (6) в (1) се получава:
(7) )p(pρ2
mμkkξ1v BA22
AB
B --+
=
Разликата на налягане се измерва непосредствено преди и следстесняващото устройство Dр = р1 - р2. Тази разлика се различава по стойност от(рA - рB). Ако отношението им се изрази чрез коефициента
(8)21
BA
ppppψ
--
= ,
за vВ се получава:
(9) )p(pρ2
mμkkξψv 2122
ABB -
-+= .
След като се отчете, че(10) 0BBBm μFρvFρvQ == ,
за масовия разход се получава окончателно:
(11) )p2ρρ(αF)p2ρρ(Fmμkkξ
ψμQ 21021022
AB
-=--+
=m .
Коефициентът a се нарича коефициент на разхода и се определя отзависимостта:
(12) 22AB mμkkξ
ψμα
-+= .
За обемния разход изразът има вида:
(13) )p(pρ2αF
ρQQ 210
mv -== .
- 49 -
Формулите (11) и (13) са валидни за несвиваеми флуиди. При измерванена разхода на реални газове и пара, плътността r се променя при преминаванена стесняващото устройство в резултат на промяната на налягането. Заотразяването й във формулите се включва коригиращият множител e, койтоотчита разширението на измервания флуид в зависимост от пада на налягане. Втози случай за масовия Qm и обемният Qv разход се получава:
(14) )p(p2ραεFQ 210m -= ,
(15) )p(pρ2αεFQ 210v -= ,
където r е плътността на флуида в сечението А.Изразите (14) и (15) са основни уравнения на разхода за разходомери със
стесняващи устройства. Те се използват както за свиваеми, така и за несвиваемифлуиди, като за несвиваеми флуиди e = 1. Използването на тези уравненияпредполага, че стойностите на r, F0, a и e не зависят от разхода. Тогава темогат да се запишат във вида:
(16) ΔpkQ mm = ,
(17) ΔpkQ Vv = ,където km и kv са постоянни коефициенти.
Съществуващите конструкции дроселиращи устройства осигуряватпрактически постоянна стойност на a само в определен ограничен интервал наизменение на разхода или по-точно в определен интервал на изменение начислото на Рейнолдс (Re).
Коефициента на разхода a слабо зависи от Re при стойности > 15 000.Ето защо, дроселиращите устройства могат да се използват само при стойностина Re > Remin зададени в методиката.
Коригиращият множител e зависи от отношението Dр/р1, а тъй-като сизменение на разхода се изменя и Dр, e също зависи от измерения разход. Приградуировката на разходомера обикновено се приема e = eср, което съответствана най-вероятната стойност на разхода, наречен среден разход. Обикновенотози разход характеризира номиналния режим на работа на съоръжението.
Квадратичната зависимост между разхода и пада на налягане встесняващото устройство позволява скалите на диференциалните манометри дасе градуират в единици на разхода. Такива диференциални манометри сенаричат разходомери. За получаване на линейна скала в кинематичната илиелектронна схема на диференциалния манометър се включват устройства,които коренуват изходния сигнал. Грешките от преобразуване надопълнителните устройства е един от недостатъците на този метод за измерванена разхода.
Друг сериозен недостатък на метода е стесненият обхват на измерване завсеки конкретен разходомер, който обхваща интервала от 30 % ¸ 100 % отмаксималния измерван разход. Това означава, че използването на разходомера
- 50 -
в интервала от 0 ¸ 30 % от неговата скала не се препоръчва, тъй-като в тазиобласт не може да се гарантира достатъчна точност на измерването. Точносттана разходомера се гарантира само в границите на скалата от 30 % ¸ 100 %.
При експлоатационни условия плътността r на флуида може да сепроменя, което оказва влияние върху стойностите коефициентите km и kvна статичната характеристика. Съществено изменение на плътността на средатаобикновено се наблюдава при изменение на температурата и налягането нагазовете и парите. Ако изменението на плътността на флуида е съпроводено и сизменение на множителя e, което се наблюдава при промяна на налягането нафлуида, показанията на масовия разходомер трябва да се умножават скорекционния множител
(18)гргр
m ρρ
εεc = ,
а на обемния разходомер – с множителя
(19) ρρ
εεc гр
грv = ,
където r и rгр, e и eгр са действителните и градуировъчните стойности наплътността и e.
Обикновено изменението на e се пренебрегва и се използваткоригиращите множители
(20)гр
m ρρc = ,
(21) ρρ
c грv = .
При значителни и чести колебания на плътността трябва да се използватразходомери с автоматична компенсация на грешката.
Определяне на статичната характеристика на стесняващитеустройства:
Уравненията на разхода (14) и (15) се преобразуват във вида:
(22) ρΔpαεmD3,998.10ρΔpαεd3,998.10Q 2323m
-- == ,
(23) ρΔpαεmD3,998.10
ρΔpαεd3,998.10Q 2323
v-- == .
- 51 -
Влизащите в тези уравнения величини трябва да имат следнитеразмерности: d и D - mm; r - kg/m3; Qm- kg/h; Qv- m3/h.
За определяне на обемния разход на газа Qvн при нормални условия Jн иpн в зависимост от измерения обемен разход на газа Qv при работни условия Jи p трябва да се използва уравнението:
(24) kTpp.TQQ
н
нvv,н = ,
където k е коефициентът на свиваемост на газа, който характеризираотклонението му от идеалния газ.
Определянето на статичната характеристика на дроселиращотоустройство е свързано с определяне на числените стойности на a, e, d, r заработни условия при известни стойности на диаметрите на отвора d20 и натръбопровода D20 за нормални условия. След като чрез (22) и (23) се установиколичествено съотношение между разхода и разликата на налягане, е възможноопределянето на разхода при използване на диференциален манометър.
Коефициент на разхода
В съответствие с теорията на подобието коефициентите на разхода на двестесняващи устройства ще бъдат равни, ако те са геометрично подобни и акосъществува хидродинамично подобие на протичащите през тях потоци.
Две дроселиращи устройства са геометрично подобни, ако имат еднакваформа и модулите им m са равни. Две течения са подобни, ако имат еднаквистойности на числото на Рейнолдс и еднакви профили на скоростите. От тукследва, коефициентът a за даден вид стесняващо устройство е функция на m ина Re. Установено е, че при стойности на Re, по-големи от дадена стойностRemin коефициентът на разхода a не зависи от свойствата на измервания флуид,слабо зависи от стойността на Re и основно се определя от стойността намодула m. Влияние върху течението оказва грапавостта на тръбопровода, катостепента на това влияние се определя от диаметъра на тръбопровода. Освентова за реалните бленди входните ръбове не са идеално остри, което правиневъзможно идеалното геометрично подобие на две бленди с еднакъв модул m.Затова се въвежда понятието изходен коефициент на разхода aи койтопредставлява коефициентът на разхода на идеално стесняващо устройство,поставено в гладък тръбопровод при предположение, че Re > Remin.Следователно изходният коефициент на разхода aи зависи само от m и Re, притова aи расте с увеличаването на m и намаляването на Re.
Експериментално е установено, че при големи числа на Рейнолдскоефициентът на разхода aи практически зависи само от m и почти не сепроменя при изменение на Re, ако Re е по-голямо от дадена гранична стойностReгр.
- 52 -
Коефициентът на разхода a, който влиза в (22) и (23) се наричаизчислителен. Той характеризира реалните условия на работата надроселиращото устройство: наличие на грапавост и неострота на входния ръб.Стойностите на a могат да се пресметнат чрез aи с използване на коригиращимножители за грапавост на тръбопровода и неострота на входния ръб.
Реално съществуваща грапавост на тръбопровода заостря профила наскоростите и увеличава коефициента на разхода, особено при малки стойностина диаметъра на тръбата. Това се отчита чрез умножаване на изходниякоефициент на разхода с коригиращия множител k2. За всички видовестесняващи устройства стойността на k2 се увеличава при намаляване надиаметъра на тръбопровода и увеличаване на модула m. Тръбите с диаметър D³ 300 mm имат малка относителна грапавост и затова при тях k2 = 1. Трябва дасе знае, че при тръбопроводи с груби неравности и израстъци на вътрешнатаповърхност точно измерване на разхода не е възможно.
Изменението на a, предизвикано от неостротата на входния ръб, сеотчита чрез коригиращия множител k3, чиято стойност зависи от диаметъра натръбопровода и модула m. Изчислителният коефициент на разхода a при Re >Remin се определя от формулите:
(25) a =aи k2 k3 - за бленди,
(26) a =aи k2 - за дюзи.При пресмятане на статичната характеристика Dр = f (Qm) или Dр = f (Qv)
е целесъобразно да се задават стойности на разхода, по които да се определятстойностите на коефициента a (при известни стойности на m). При товастойностите на km и kv в (16) и (17) зависят от разхода. Ако не се изисквависоката точност на измерването, a може да се определи за средната стойностна разхода. Стойностите на коефициента a могат да се определят само за тезиразходи, при които Re > Remin (за бленди при 0,05 £ m £ 0,20, Remin = 5.103;при 0,20 < m £ 0,59, Remin = 104; за 0,59 < m £ 0,264, Remin = 2.104; за дюзипри 0,05 £ m < 0,20, Remin = 7.104; при 0,20 £ m < 0,60, Remin = 2.104).
По-удобно на практика е Re да се определя не по скоростта, а по разходана измервания флуид:
(27) DμρQ0,354
D.Q0,354Re vv ==
n ,
(28) DμQ0,354
.DQ0,354Re mm ==
nr ,
където: Qv е обемният разход, m3/h; Qm – масовият разход, kg/h; r - плътносттана флуида, kg/m3; D – вътрешният диаметър на тръбопровода, mm;
m - динамичният вискозитет на флуида, Pa.s; n - кинематичниятвискозитет на флуида, m2/s.
- 53 -
Коригиращ множител e
Коригиращият множител e зависи от отношението на пада на налягане Dркъм абсолютното налягане р на флуида пред стесняващото устройство, модулаm, вида на стесняващото устройство и показателя на адиабатата À на флуида.
(29) ÷÷ø
öççè
æÀ= m,,
pΔpfε .
Степента на изменение на плътността на флуида при преминаването мупрез стесняващото устройство зависи основно от отношението Dр / р, като приувеличаване на отношението стойността на e намалява. При малки стойностина Dр / р стойността на e е близка до единица. В повечето случаи Dр / р £ 0,05,при което за дюзи e > 0,94 и за бленди e > 0,97.
При изменение на разхода се изменя и падът на налягане Dр, аследователно и отношението Dр/р и множителят e. При определяне настатичната характеристика, за всяка стойност на разхода може да се определистойността на множителя e. Основно в (22) и (23) се използва стойността eср,която отговаря на средната стойност на разхода. В този случай необходимото заопределяне на eср отношение Dрср / р се определя (за всички диференциалнипреобразуватели, без камбанните) от
(30)2
гv,
срv,н
2
гm,
срm,нср
pΔp
pΔp
pΔp
÷÷ø
öççè
æ=÷
÷ø
öççè
æ= ,
където Qm,ср, Qv,ср са средният масов обемен разход; Qm,г, Qv,г е горнатаграница на измервания разход; Dр – граничният номинален пад на налягане надиференциалния манометър, който съответства на разхода Qm,г или Qv,г .
При използването на (30) Dр и р трябва да имат еднаква размерност.Често Dр се изразява в kgf/m2, a p - в kgf/cm2. Ако се използват тезиразмерности, уравнението ще има вида:
(31)2
гv,
срv,4
н
2
гm,
срm,4
нср
p10Δp
p10Δp
pΔp
÷÷ø
öççè
æ=÷
÷ø
öççè
æ= .
Очевидно е, че при този метод за определяне на eср при всички разходи,които се отличават от средния ще се появи допълнителна грешка в резултат наотклонението на действителната стойност на e от средната стойност. Тазигрешка зависи от отношението Dрср / р и намалява с намаляване на товаотношение.
Диаметри на стесняващото устройство и на тръбопроводаСтойностите на диаметрите на дроселиращото устройство и на
тръбопровода обикновено се задават при стойност на температурата 20 оС и сеозначават с d20 и D20. Входящите в уравненията на разхода диаметри приработна температура се определят от уравненията:
- 54 -
(32) '20kdd J= ,
(33) ''20kDD J= ,
където'
Jk и''
Jk са коригиращи множители на разширението на материала надроселиращото устройство и тръбопровода.
Коригиращите множители зависят от материала и температурата нафлуида и се определят по формули или таблици. Ако температурата на флуидае в интервала от – 20 ... 60 оС обикновено се приема '
Jk = ''Jk = 1.
Плътност на измервания флуидПлътността на флуида се определя по състоянието му преди
дроселиращото устройство, затова чувствителния елемент за измерване натемпературата на флуида се поставя пред стесняващото устройство и на таковаразстояние от него, че да не се получи изкривяване на скоростния профил (наразстояние от 5D20 до 20D20 в зависимост от m и диаметъра на сензора затемпература). Измерване на температурата след дроселиращото устройство седопуска само тогава, когато съществува пълна увереност, че температурата нафлуида не се променя при преминаването му през дроселиращото устройство.
Свръхналягането рм трябва да се измерва непосредствено пред отвора настесняващото устройство, като отворът за отвеждане на налягането не трябва дасе използва за измерване на пада на налягане. Абсолютната стойност наналягането на флуида се определя като сума от свръхналягането рм ибарометричното налягане pd. За течности pd се приема равно на 0,1 МРа, загазове то се приема също равно на 0,1 МРа, ако е изпълнено условието:
(34) 0,001р
рδ0,1
м
£-
,
където pd и рм са измерените стойности на барометричното налягане исвръхналягането, МРа.
От измерените стойности на налягането и температурата по таблици сеопределя плътността на флуида. Ако плътността rн на течността е дадена втаблицата за нормалните условия Jн, стойността на плътността r при работнатемпература J се определя от уравнението:
(35) )]β([1ρρ нн JJJ --= ,където b е средният коефициент на обемно разширение на течността в [deg -1].
Плътността на сухия газ при температура J и работно налягане p може дасе определи по известна плътност rн на газа при нормални условия.
(36) kТppТρρ
н
нн= .
- 55 -
Методични указания при използване на дроселиращи устройства
Конкретният вид на дроселиращото устройство се избира в зависимост отнеобходимата точност на измерване и загубата на налягане. Точността наизмерване на разхода на газове и пари при използването на дюзи е по-висока,отколкото при използването на бленди. Освен това изменението илизамърсяването на входния профил на дроселиращото устройство в процеса наексплоатация оказва по-малко влияние върху коефициента на разхода надюзите. При монтирането на дроселиращите устройства трябва да се спазватредица условия, които оказват силно влияние на грешката при измерването.Дроселиращите устроиства трябва да се поставят перпендикулярно на оста натръбопровода. Отклонението от правия ъгъл не трябва да превишава 1о. Оста настесняващото устройство трябва да съвпада с оста на тръбопровода.Изместването на оста на отвора на дроселиращото устройство по отношение наоста на тръбопровода не трябва да бъде по-голямо от
(37) 220
2,3m0,10,005Dδ
+= mm,
където D20 е диаметърът на тръбопровода при 20 оС, mm.Участъкът от тръбопровода с дължина 2D20 до и след стесняващото
устройство трябва да има цилиндрична форма, да бъде гладък и да няманикакви издатъци. Най-често този участък се обработва на струг заедно споставеното на него стесняващо устройство.
За осигуряване на установен режим на движение на потока е необходимправ участък преди и след дроселиращото устройство. На тези участъци нетрябва да се монтират устройства, които биха нарушили хидравличния режим.Голямо значение има равномерността на скоростния профил преддроселиращото устройство и в по-малка степен след него, поради което сепрепоръчва вентилите, особено регулиращите, да се монтират следизмервателните устройства.
В таблицата са дадени относителните дължини на правите участъци преддроселиращите устройства L1/D20 в зависимост от m за някои видове местнисъпротивления.
Минимална относителна дължина L1 / D20 на правия участък преддроселиращото устройство
mВид на местното съпротивление
0,05 0,3 0,5 0,64Коляно или тройник 10 16 28 46Група колена в една равнина 14 22 36 50Група колена в различни равнини 34 44 62 80Напълно отворен вентил 12 14 20 30Конусни стеснявания 10 10 14 34Конусни разширения 16 20 30 54
- 56 -
Гилза на термометър с диаметър 0,03 mm 5 5 5 5Дължината L2 на правия участък след дроселиращото устройство зависи
само от модула m. За m = 0,05, L2 = 4D20 и при m = 0,64, L2 = 8,2D20 .
На фиг.22 са показани схеми за извеждане на сигнала по налягане.Импулсните линии за р1 и р2 обикновено се отвеждат чрез отделницилиндрични отвори (фиг.22а) или чрез две камери, всяка от които сесъединява с вътрешността на тръбопровода чрез пръстеновиден отвор (фиг.22б)или с група равномерно разположени по окръжност отвори.
Пръстеновидните камери осигуряват изравняване на налягането, коетопозволява по-точно да се измерва падът на налягане при скъсени правиучастъци на тръбопровода, правилен монтаж и надеждна експлоатация настесняващото устройство. На фиг.22а, б, налягането се отвежда непосредственопреди и след дроселиращо устройство. Възможно е наляганията да се отвеждаттака, както е показано на фиг. 22 в, при използването на бленди. В този случайотворите са разположени на разстояние l1 = l2 = 25,4 mm, а коефициентът наразхода aи има различна стойност.
D20
a
D20
б в
D20
Z1 Z2
Диференциалният манометър се свързва към дроселиращото устройствочрез две съединителни линии (импулсни тръби) с вътрешен диаметър, не по-малък от 8 mm. Допуска се дължина на съединителните линии до 50 m, нопоради възникването на големи динамични грешки не се препоръчва да сеизползват линии с дължина, по-големи от 15 m.
Налягането, което се създава допълнително в съединителни линии, трябвада бъде еднакво, за да има равенство на диференциалното налягане придроселиращото устройство и на входа на преобразувателя. При реални условияе възможно това равенство да се наруши, ако има различни количествакондензат и газова фаза в съединителните линии. За да се избегне това,
фиг.22 Изводи за налягане при разходомерна бленда
- 57 -
съединителните линии трябва да са вертикални или под наклон с ъгъл не по-малък от 1:10, като в края на наклонените участъци трябва да се монтиратутаителни съдове или газосъбирателни съдове. Освен това двете импулснилинии трябва да бъдат разположени една до друга, за да се избегненеравномерното им нагряване или охлаждане в резултат, на което плътносттана запълващата ги течност може да се окаже различна и да доведе додопълнителна грешка. При измерването на разхода на пара е важно да сеосигури равенство и постоянно ниво на кондензата в двете импулсни тръби,което се постига чрез изравнителни съдове.
Към едно дроселиращо устройство могат да се включат няколкодиференциални манометъра. При това всеки диференциален манометър трябвада има независими една от друга съединителни линии, които се свързват чрезотделни отвори към пръстеновидната камера на стесняващото устройство. Нафиг. 23 е показано разположението на четири двойки отвори в пръстеновиднатакамера на дроселиращо устройство при измерване на разхода на вода и пара вхоризонтални и вертикални тръбопроводи.
a б в
фиг.23 Разположение на четири двойки отвори за отвеждане на наляганиятапри измерване на разхода на вода (а и в) и пара (б и в)
- 58 -
Измерване разхода на течности
При измерване на разхода на течности се препоръчва диференциалниятманометър да се поставя по-ниско от стесняващото устройство 1, коетоизключва попадането на газ в съединителните линии (фиг.24а). Прихоризонтални и наклонени тръбопроводи съединителните линии трябва да севключват чрез спирателните вентили 2 към долната половина на тръбата.
Ако диференциалният манометър е поставен над дроселиращотоустройство (фиг.24 б), в най-високата точка на съединителните линии трябва дасе монтират газосъбирателите 4, снабдени с вентили за продухване. Акосъединителните линии се състоят от няколко отделни участъка,газосъбирателите се монтират в най-високата точка на всеки участък.
a
ДМ
1
5
3
2
2
3
б
1
ДМ
2
4
1 3
в
2
1 3
фиг.24. Схеми на съединителните линии при измерване на разхода на течности
При измерването на разхода на течности с висока температура (J ³ 100 оС) заизключване на допълнителната грешка от промяната на средната температура вимпулсните тръби се монтират изравнителните съдове 3 (фиг.24 в), коитопредставляват вертикални цилиндри с достатъчно голямо сечение.Голямотосечение позволява да се намали изменението на височината на стълба течност всъединителната линия, чиято температура се изменя и съответно да семинимизира допълнителната грешка.
- 59 -
При измерването на разход на агресивни течности в съединителнителинии, по възможност по-близо до дроселиращото устройство, се включватразделителни съдове. Включително на разделителните съдове 5 в случая, когатоплътността на контролираната течност е по-малка от плътността наразделителната течност е показано на фиг.24 а. Разделителната течност сеизбира така, че да не взаимодейства химически с контролираната среда, да не сесмесва с нея, да не предизвиква отлагания и да не е агресивна по отношение наразделителния съд, съединителните тръби и диференциалния манометър. Най-често като разделителна течност се използват вода, минерално масло, глицерин,водо-глицеринова смес.
Измерване на разхода на газове
При измерване на разхода на газове се препоръчва диференциалниятманометър да се разполага над дроселиращото устройство 1, за да можекондензатът, който се образува в съединителните линии, да се стече втръбопровода (фиг.25а).
ДМ1
ДМ
2
3
4
1
2
5
6
a б
фиг.25 Схеми на импулсните линии при измерване на разхода на газове
Съединителните линии се включват чрез спирателните вентили 2 къмгорната половина на тръбопровода. Ако не е възможно да се използват самовертикални съединителни линии трябва да се изпълняват с наклон къмтръбопровода или към утаителните съдове 5, когато диференциалниятманометър е разположен по-ниско от стесняващото устройство (фиг.25б).Съединителните линии се продухват с вентилите 3, 4, 6.
- 60 -
Измерване на прегрята водна пара
При измерване на разхода на пара, диференциалният манометър серазполага под дроселиращото устройство 1 и изравнителните(кондензационните) съдове 2 (фиг.26 а), за да може въздухът да се отдели по-лесно от съединителните линии. Възможно е диференциалният манометър дабъде разположен над стесняващото устройство 1, но в този случай в най-високата точка на съединителните линии трябва да се поставятгазосъбирателите 5 (фиг.26 б). С позиция 3 са отбелязани спирателнитевентили, а с 4 – вентилите за продухване.
1
ДМ
ДМ
2
2
1
4
32 4
1
3
5
a бфиг.26 Схеми на импулсните линии при измерване на разхода на пара
При измерване съединителните линии са запълнени с кондензат и за да сеелиминират допълнителните грешки, които бяха възникнали при промяната нанивото и на температурата на кондензата, близо до дроселиращото устройствосе включват изравнителните (кондензационните) съдове 2.
- 61 -
Оценка на грешката при измерване на разхода
При измерване на разхода на течности, газове и пари чрез пада наналягане в стесняващото устройство трябва да се отчитат неизбежните грешкипри определяне на отделните величини, които влизат в уравненията на разхода
)p(p2ραεFQ 210m -= и )p(pρ2αεFQ 210v -= , тъй-като общата грешка при
измерване зависи от грешките на тези величини. Средноквадратичнатаотносителна грешка при измерване на разхода с показващ диференциаленманометър се определя от уравнението:
(38) 2ρ
2Δp
2d
2ε
2αQ σ
41σ4σσσσ ++++= .
Ако са известни средноквадратичните грешки sa , se , sd , s Δp , dr наотделните величини от (38), може да се определи средноквадратичната грешкана измервания разход. Независимо от простотата на уравнението, неговотоизползване за оценка на грешката изисква определени допускания. Тезидопускания се налагат от обстоятелството, че Qm и Qv съдържат две групивеличини, които се различават по метода на получаване на стойностите. Къмпървата група се отнасят a и e, чиито стойности се получават чрез обработкана голям брой измервания и за които са известни средноквадратичните грешкиsa и se. Към втората група се отнасят d, r и Dp, които се определят чрезеднократни измервания и максималните им грешки dd, dr, dDp са известни.Сумирането на средноквадратичните грешки с максималните грешки по (38) енедопустимо. Затова при използването на (38) се приема, чесредноквадратичната грешка за втората група величини е равна на половинатаот максималната грешка.
При изработването на разходомерните устройства се приемат многомалки стойности на допуските на диаметъра на отвора d, поради коетостойността на sd е пренебрежимо малка в сравнение с останалите съставящи иможе да бъде изключена. В този случай (38) придобива вида:
(39)2ρ
2Δp
2ε
2αQ σ
41σσσσ +++= .
Максималната относителна грешка на разхода dQ се определя катоудвоена QQ σ2δ = .
Не е правилно тази грешка да се определя чрез класа на точност навторичния уред kву и неговата горна граница на измерване Qm,г позависимостта dQ = kв.у Qm,г /Qm, тъй-като класът на уреда определямаксималната грешка на изходната величина на вторичния уред. Тази грешка есъставяща на грешката s Δp при измерване на пада на налягане.
- 62 -
5. Скоростомерни тръби
Теоретични основи
Пневматични методиАко флуидът обтича тяло със специален профил или протича през
намиращия се в него канал, в различни точки на повърхността на това тяловъзниква пад на налягането, който може да се използва за мярка за скоростта напотока.
Налягането, което ще се измери от сонда, която се движи заедно с флуидас равна на него скорост, се нарича статично налягане ( стр ).
Ако флуида (течност или газ), адиабатно и изоентропно се приведе всъстояние на покой, налягането ще достигне максимална стойност, която сенарича пълно налягане ( пр ). Разликата между пълното налягане и статичнотосе нарича динамично налягане ( др ). За несвиваеми флуиди съгласно суравнението на Бернули:
(1) 2ρvррр
2
стпд =-= .
За газови потоци с голяма дозвукова скорост при (М > 0,3), динамичнотоналягане се определя от зависимостта:
(2)2
ρv1Ма2
1к1кМа
2р1Ма2
1к1ррр21к
к
22ст
1кк
2стпд ú
ú
û
ù
êê
ë
é-÷
øö
çèæ -
+=úú
û
ù
êê
ë
é-÷
øö
çèæ -
+=-=-- ,
където Ма е числото Мах; k – отношението на специфичните топлини(показател на адиабатата), за въздух k = 1,405.Множителят rv 2/2 се нарича кинетично налягане.
За измерване на пълното налягане в повечето случаи се използватпоставени срещу течението отворени тръби (тръба на Пито). При малкистойности на числото на Рейнолдс (Re), т.е. при измерване на малки скоростиили на скорости на разредени газове, налягането в тръбата на Пито превишавапълното налягане със стойност, която зависи от вискозитета на флуида.
При измерване на скоростта на флуид, който се движи със свръхзвуковаскорост (Ма > 1) пред тръбата на пито се образува зона на компресия, коятоопределя пълното налягане. При Ма > 1 налягането в тръбата на Пито пр сеопределя от зависимостта:
(3) ст
1к1
2
222
п р1)2(ккМа4
Ма1)(кМа2
1кр-
úû
ùêë
é--
++= .
- 63 -
Разликата между налягането в тръбата на Пито и статичното налягане еприето да се нарича динамично налягате на уреда ( уд,р ). На фиг. 27 е даденазависимостта на отношението на динамично налягане на уреда къмкинетичното от стойността на числото на Мах.
1,01,11,21,31,41,51,61,71,8
0,0 1,0 2,0 3,0 4,0
M
Pдин
. / P
кин
.
фиг.27 Зависимост на отношението на динамично налягане на уреда към кинетичното налягане от числото на Мах
Най-прост уред за измерване на пълното налягане е тръбата на пито. Тъй-като сондите за измерване на пълното налягане най-често са комбинирани съссондите за измерване на статичното налягане, формата на тези сонди е различна(фиг.28).
1,28 D
0,5
D 8 D
0,56
D
в
4,2 D
б1,6 D
25 D
0,3
D
3 D
а
D
9,1 D
0,24 D
4 D
5,3 D
3 D
d = 0,12 D
е
D
2,1 D
д
0,16
7 D
D
г
1,93 D 5,9 D
D
8,13D
фиг.28 Видове тръби на Пито
- 64 -
Тръбата на Прандтл (фиг.28а) и Г-образната напорна тръба (фиг.28б)имат полукръгла глава и се отличават само по своята форма. Тръбата на Брабе епоказана на фиг.28в, а тръбата с елипсовидна глава – на фиг.28г. Сондата саеродинамична форма (фиг.28д) е снабдена с дълга дръжка и е предназначена заизмерване на скоростни профили в тръби с големи сечения. Предимството нацилиндричните сонди (фиг.28е) се състои в удобството, което създават припоставянето им в тръбопровода.
Използват се три вида сонди за измерване на статичното налягане нафлуида: сонди тръби, при които направлението на течението съвпада с оста натръбата; цилиндрични сонди, при които оста е перпендикулярна нанаправлението на течението; дискови сонди, които се поставят така, ченаправлението на течението да съвпада с плоскостта на диска. На външнатаповърхност на сондата тръбата има отвори, които са разположени надостатъчно разстояние от главата на сондата. Използването на сонди сполуелипсовидна глава изключва откъсването на потока от главата на сондата.При цилиндричните сонди отворите за отвеждане на налягането трябва да саразположат под ъгъл 72,8 о един спрямо друг.
Напорните тръби се използват за измерване на динамичното налягане(напора) и представляват комбинация от сондите за измерване на пълното истатично налягане (фиг.28). Изработваните по данни на Прандтл напорни тръбиимат полукръгла глава с централен канал с диаметър 0,3 D за отвеждане напълното налягане и пръстеновиден отвор за отвеждане на статичното налягане,който е разположен на разстояние 3 D от главата на тръбата (фиг.28). Тъй-катонеточностите при изработването на пръстеновидния отвор са неизбежни, най-често той се заменя с редица отвори. Тези тръби са предназначени заизследване в областта на дозвуковите и свръхзвуковите скорости съответно пристойности на числото на Мах до 0,9 и до 3, при което отклонение отзакономерностите не са наблюдавани.
Показанията на напорните тръби зависят от направлението на течението.Тази зависимост е най-малка при тръбата на Прандтл, тъй-като при неявлиянията върху пълното и статичното налягане взаимно се компенсират.
В някои случаи се използват усилватели на напора, при които статичнотоналягане се заменя с разреждане, създавано от дюза. Чрез обикновена дюзаскоростният напор може да се увеличи от 4 до 5 пъти, а при използване надвойна дюза – увеличението е от 8 до 14 пъти. Коефициентът на усилванесилно зависи от направлението и скоростта на потока.
Основен недостатък на тръбите на Пито е това, че не отчитатнеравномерността на скоростта по сечението на тръбопровода (канала). Заизбягването на този недостатък се използват за промишлено приложениескоростомерни тръби с по-голям брой отвори, които осредняват сигнала подинамично налягане.
Тези скоростомерни сонди също се наричат тръби на Пито, но серазличават по конструкция от описаните по-горе и са предназначени застационарен монтаж. Измервателният принцип на тези тръби е разликата вналягането, която се създава в предната и задната част на обтичаното от флуид
- 65 -
тяло. Конструкцията на ITABAR-пито сензор е показан на фиг.29 и основно сеизползва за измерване на обемен разход на течности, газове и пара втръбопроводи с размери от DN 20 до DN 12000.
Някои от конструкциите с успех се използват за непрекъснато измерванес цел управление или дозиране в промишлени процеси за горива, въздух, пара идр., като се отличават с висока точност и надеждност.
Основното предимство спрямо другите измервателни принципи е, че прискоростомерните тръби се осъществява лесен монтаж, като се пробиватръбопровода и в него се вмъква сензора.
Има конструкции на скоростомерни тръби, които позволяват да сеизвърши монтажа по време на работа на тръбопроводите, без да се спирапроцеса (фиг.30). Друго предимство е, че не създават загуби на налягане иизмерват скоростта с точност ± 1 % в широк диапазон на изменение настойността на Рейнолдс.
Точността и стабилността на преобразуването на сигнала са доказани припроверка от много независими институти и лаборатории.
фиг. 29 Монтаж на скоростомерна тръба в тръбопровод
фиг.30 Монтаж на скоростомерна тръба без прекъсване на дебита
в тръбопровода
- 66 -
Принцип на измерване на скоростомерни тръби на Пито
Изхождайки от закона на Бернули за запазване на енергията, която е сумаот потенциалната, кинетичната и енергията на налягане на един флуид взатворен тръбопровод, в условията на стационарен разход без триене, се запазвавъв всяко време и във всяка част на тръбопровода.
(4) рст. + рдин. = const.,където:
рст. е статичното налягане, разпределено във всички посоки;рдин. – представлява динамичното налягане и е свързано с посоката на
скоростта на флуида.
За флуид в хоризонтална тръба със скорост по-малка от скоростта назвука (Ма << 1), динамичното налягане на флуида при определена скорост v,плътност r и коефициент на съпротивление z се изчислява по формулата:
(5) 2дин v
2ρζр = .
Поставяйки тяло, което да се обтича от флуида, дефинираме точките S1 иS2, така както са показани на фиг.31.
(6) рS2 = рст. + рдин.
Точката S1 е подложена на въздействие само на статичното налягане натечението.
(7) рS1 = рст.
Разликата между двете налягания е диференциалното налягане Dр, коетое функция на скоростта на потока, обтичащ скоростомерната тръба – фиг.32.
(8) Dр = рS2 - р S1 = рдин.
Точката S2 се явява точка назаприщване, при която скоросттаv = 0 и в нея може да бъдеопределено пълното налягане натечението.
фиг.31 Обтичане на скоростомерна тръба
- 67 -
За диференциалното налягане Dр можем да запишем:
(9) 2v2ρζΔр =
Обемният разход трябва да се изчислява като произведение от площта насечението А на тръбопровода и средната скорост на течението.В таблица 1 са дадени конкретните формули, използвани за определяне наобемните и масови дебити за газове, пара и течности.
Таблица 1Измервани величини Формула №
Обемен разход за газове пристандартни условия
nbbn
nnbvn PZTρ
TZPΔp2A εk(...)=Q 1
Обемен разход за газове приработни условия
bv ρ
Δp2A εk(...)=Q 2
Масов разход за газове и параbm ρΔp2Aεk(...)Q = 3
Масов разход за течностиbm ρΔp2Ak(...)Q = 4
Обемен разход за течности
bv ρ
Δp2Ak(...)Q = 5
фиг.32 Измерване на наляганетоDр от скоростомерната тръба
- 68 -
Използваните означения във формулите в таблица 1 са съгласносистемата SI и са показани в таблица 2.
Таблица 2
Зависимост от таблица 1Означение 1 2 3 4 5pD Диференциално налягане на
сензораPa Pa Pa Pa Pa
nr Средна плътност при стандартниусловия
kg/Nm3 - - - -
br Средна плътност при работниусловия
kg/m3 kg/m3 kg/m3 kg/m3 kg/m3
e Коефициент на разширение 1 1 1 - -
A Площ на сечението натръбопровода
m2 m2 m2 m2 m2
iD Вътрешен диаметър натръбопровода
m m m m m
k к-фактор 1 1 1 1 1
bP Работно налягане Pa - - - -
nP Абсолютно налягане на газ пристандартни условия
Pa - - - -
Qm Масов разход - - kg/s kg/s -
Qv Обемен разход - m3/s - - m3/s
Qv,n Обемен разход при стандартниусловия
Nm3/s - - - -
bT Температура на газа при работниусловия
K - - - -
nT Температура на газовете пристандартни условия
K - - - -
bZ z - фактор на реален газоветепри работни условия
1 - - - -
nZ z - фактор на реален газ пристандартни условия
1 - - - -
К – факторът на скоростомерните тръби, на практика се определя опитнов калибрационните лаборатории на фирмите производители.
Конструкция на разходомерна сонда за измерване разход на пара вкомплект с изравнителните кондензни съдове е показана на фиг. 33.
- 69 -
За измерването на масов разход и енергията на потока е необходимо да сеизмерват и някои допълнителни физически величини – температурата иналягането при работни условия. На фиг. 34 е показана схема на свързването насигнала по обемен разход от скоростомерната тръба 1, свързана сдиференциалния преобразувател на налягане 2 и двата сигнала за корекция потемпература 3 и налягане 5. Сигналите, преобразувани в унифициранелектрически ток 4...20 mA се преобразуват от изчислителният блок 6 (Flowcomputer) в реални физически величини, на базата на които се определяплътността на флуида за работни и изчислителни условия и съответно имасовия дебит.
фиг.33 ITABAR – сонда за измерване разход на пара
фиг.34 Система за измерване и изчисляване на разхода на енергия и маса
- 70 -
6. Обемни разходомери
Посредством свръхналягане на входа, течността задвижва стените наподвижната камера на разходомера, вследствие на което се отделя и придвижвакъм изхода частичен обем (принцип на положителното изместване).
Разходомер с цилиндрично бутало
Приборът се състои от корпус от неръждаема стомана и подвижноцилиндрично бутало (фиг. 35).
Корпусът може да бъде отворена за почистване или за отстраняване набуталото. Наличните материали за изработване на буталото са: тефлон,алуминий, бронз, титан, твърд каучук, норил (полипропилен) и въглерод.
А дисплейВ редукторС измерваща част1 зъбни предавки2 горен корпус3 изходящ фланец4 ос на измервателния механизъм5 гарнитура6 капак на ротора7 предавателен механизъм8 измервателна камера9 цилиндрично се бутало10 направляващ канал11 щифт на камерата12 ос на буталото13 къса ос на буталото14 филтриращ елемент15 зегер шайба16 фланец на входа17 магнитен куплунг18 сменяеми зъбни колела19 монтажен фланец
фиг. 35 Разходомер с ротационно бутало
- 71 -
Ротационното бутало е особено подходящо за точното измерване на малкиобеми. Измерването много слабо се влияе от вискозитета (от загряване на маслодо замръзване). Ограничителните фактори са пропуските и максималнодопустимата загуба на налягане. Принципът на работа е посочен на фиг. 36(поз.1 до 4).
Поз. 1) Течността минава през входа(Е) и минава във вътрешната част набуталото 2, което се премества по посокана стрелката със скорост, която зависи отсъздаденото диференциално налягане.
Поз. 2) Обемът извън буталото сеизмества и излиза от отвора (А). Течностминава и през входа (Е) и минава в левиявъншен обем. Вътрешната площ набуталото V2 е напълно изолирана.Течността, втичаща се във външната площпремества буталото по-нататък.
Поз. 3) Обемът в буталото V2 изтичапрез изход (A).
Поз. 4) Външният обем визмервателната камера V1 е запълненизцяло и е затворен към отворите (E) и (A).Буталото се придвижва към позиция 1.
фиг. 36 Принцип на работа на разходомер с цилиндрично бутало
- 72 -
Измерване на обемаСумата от обемите V1 и V2 преминали през камерата създават пълен
цикъл на подвижното бутало и завърта с един оборот оста на измервателниямеханизъм.
Разходомер с овални зъбни колела
Овалният измервателен механизъм се състои от корпус и две зъбниовални колела (фиг. 37). Корпуса, овалните колела, валовете и лагерите саизработени от различни материали за да са подходящи за съответния флуид.
Зъбите на овалните колелета са зацепени и поради малката междинамежду двете колелета се предотвратява загуба, предизвикана от пропуски.
фиг. 37 Принцип на работа при овални зъбни колела
Високият въртящ момент спомага за преодоляване на триенето,необходимо за намаляване на пропуските в обратна посока. Уредът се влияеслабо от вискозитета. Възможен е вискозитет от 0,4 …20 mPa.s.
Други версииВъзвратно постъпателно бутало, измервателно бутало, ротационен диск,
турбина и др.
Технически характеристики
Бутало Разходомер с овалниколела
Точност ± 0,5…1 % v.M ± 0,5…1 % v.MОбхват на измерването 10 : 1 10 : 1Диференциално налягане max. 5 bar max. 5 barДиаметър 1”…4” (25 – 100 mm) 14” (350 mm)Налягане PN 40 PN 40
- 73 -
Предимства:· висока точност;· слабо се влияе от вискозитета.
Недостатъци:· продължителността на живота на съоръженията зависи от
измерваната течност;· загуба на налягане при уредите и филтрите;· чувствителност към пренатоварване;· ограничена продължителност на живот, поради движещите се
части;· при механична повреда се затлачват тръбите;· висока цена на уреди и поддръжката им.
Ограничения в употребата:· при мръсни или агресивни флуиди;· висока температура;· висока загуба на налягане;· импулсен поток;· цена: индуктивните разходомери имат по-конкурентни цени;· вибрация при овалните измервателни уред.
- 74 -
7. Разходомери с променлива площ (ротаметри)
Измервателен принцип
При течности с нисък вискозитет и висока скорост, вихърът или челнотосъпротивление на даден обект по посока на течението е с няколко порядька по-високо от съпротивлението на триенето. Следователно, ако се преценят самосилите, съпротивлението на триенето е минимално.
А А
2
1
В В
Ротаметърът (фиг.38) се състои от конусовидна измервателна тръба (1) ипоплавък (2). Съпротивлението cw, зависи от разположението на поплавъка визмервателната тръба при протичането на флуид през нея.
Между силата, произтичаща от диференциалното налягане, минаващопри поплавъка Fw и силата на неговото тегло Fg се постига баланс.Положението на поплавъка по височината на конусовидното тяло е сигнал застойността на дебита и равенство на силите.
(1) Fw = Cw . Ak rм.v2/2
(2) Fg = g (rk - rм) Vk
Fw - силата на обтичане при поплавъка;Cw - коефициент на съпротивлението (зависи от геометрията на
поплавъка и числото на Рейнолдс);Ak - площта на пръстеновидната част на отверстието;rм - плътностт на флуида;v - скорост на потока;Fg - тегло на поплавъка, като се приспадне Архимедовата сила;g - земно ускорение;
фиг. 38 Принцип на ротаметър
- 75 -
rk - плътност на поплавъка;Vk - обем на поплавъка.
За скоростта на флуида се извежда уравнението:
(3) v =м
мκ
kW
k
ρ)ρ(ρ.
A.CV.g2. -
Площта на отвора Ак между конусовидната тръба и поплавъка е линейнафункция на височината на позициониране h. От което следва:
(4) v = f (h) , при постоянна плътност на потока rм .Прозрачните конусовидни измервателни тръби са разграфени по
височина, за да може директно да се отчете обемния разход.
ВерсииВътрешната част на измервателната тръба е с конусовидна форма и има
насочващи ленти за поплавъка. От външната част има скала, по която се отчитастойността на разхода.
Фиг. 39 Конструкция на ротаметри за промишлена употреба
Ротаметри със стъклена тръба
Ротаметър с металнаизмервателна тръба
- 76 -
При металните версии (фиг.39) положението на поплавъка може да бъдепредавано посредством магнити към индикаторен измервателен уред или дабъде преобразувано по индуктивен начин в електрически сигнал (далечнаиндикация).
Обикновено за измервателната тръба се използват стомана, неръждаемастомана, пластмаси (полипропилен, тефлон), стъкло или твърд каучук (същотака и вътрешна облицовка).Най-добрите версии са снабдени с електронни дисплей, аналогов и дискретенизходен сигнал.
Видове поплавъциа) въртящ се - възможен е за пряко отчитане;б) поплавък, който не се влияе от вискозитета;в) конвертиран поплавък;г) поплавък с разширен обхват на измерване: + 30%, но е по-чувствителен
към изменението на вискозитета на флуида.
Поплавъкът се стабилизира от собственото си въртене, спрямовътрешната стена или от направляващите оси, минаващи през него.
За поплавъка се използват няколко вида материали – неръждаемастомана, тантал, PVC, твърд каучук), монел-метал, никел и Hastelloy C.
Технически характеристики
Точност 1…5% от пълната скала, обикновено 2% отпълната скала
Загуба на налягане 10 … 500 mbar; обикновено 100 mbarДиаметър DN 0,16 …100 mm, (max. 200mm)Температурен обхват 100 oC, 150 oC (max. 200 oC )Вискозитет < 200 mPa .s
> 700 mPa .s (фабрично калибриран)
Предимства:· икономична версия за измерване;· лесна за монтаж и подържане;· може лесно да се подменя;
Недостатъци:· зависи от физическите параметри на течението: плътност,
вискозитет, температура и др.;· механични повреди за течности със съдържание на твърди частици;· трудно е да се различи износването;· максимална точност до 1 %;
- 77 -
· скъпи за версиите с големи диаметри и изнесени индикации,особено при верссиите с дисплей, аналогов и дискретен изходенсигнал.
Ограничения при употреба:· течности с твърди частици;· променящи се течности: различни физически свойства;· вискозитет > 200 mPa.s;· цената и функцията за DN 25 с унифициран изход е сравнима с тази
на магнитоиндуктивните разходомери.
- 78 -
8. Турбинни разходомери
Турбинните разходомери или известни още като водомери са основани назависимостта между разхода на флуида и скоростта на движение на тялопоставено в тръбопровод.
В повечето случаи, преобразувател на разхода се явява турбина, ротор,топче и др., които се завъртат от движението на потока.
Ако валът на турбината или друг вид преобразувател е свързан чрезредуктор към броячен механизъм, тогава имаме устройство за измерване наколичество.
Такива прибори широко се използват за измерване на количестватечности и газове.
Значително по-късно намират приложение тахометричните разходомери.При тях основен елемент е устройството за измерване скоростта на въртене наподвижния елемент, състоящо се от две самостоятелни части: тахометриченпреобразувател на скоростта на въртене на вала в честота на импулси (най-често електрически) и честотомер на тези импулси.
фиг.40 Турбинни разходомери с индуктивни сензори
- 79 -
Преобразувателят на честотата на въртене, представлявамагнитоиндуктивен сензор, който не затормозява въртящия елемент иизработва електрически импулси с честота, съответстваща на честотата напреминаване на елемент от въртящата се турбина през магнитното поле насензора.
Точността на преобразуване с тези разходомери е ± 0,5 %, докато приразходомерите с механично предаване на честотата на въртене, точността им е± 2 %.
Турбинните разходомери се произвеждат за диаметри на тръбопроводи отDN 4…DN 750 и за максимално налягане до 250 Мра.
При турбинните разходомери, флуидът преминаващ през измервателнататръба предизвиква въртенето на турбината. При фиксирани условияротационната скорост на турбината е пропорционална на скоростта натечението. Честотата на въртене на турбината се възприема и преобразува всигнал, пропорционален на дебита или обема.
фиг. 41 Разположение на магнитоиндуктивния сензор
- 80 -
Конструкция на турбинните разходомери
Конструкцията на турбинните разходомери основно бива два вида:r аксиални (фиг. 42 а), при които оста на турбината е по осевата
линия на тръбопровода;r радиални (фиг. 42 б), при които оста на турбината е разположена
напречно на течението.
а) аксиален тип2 4 3
1
5
б) радиален тип
1
Основни елементи:1. тяло на разходомера2. опори на вала на ротора с хидравлични връзки (фланци);3. вал на турбината4. турбина (ротор)5. индуктивен сензор за определяне честотата на въртене
Скоростта на въртене на турбината, която се измерва с броя на оборотитеn за единица време, зависи от обемния разход на флуида V, имащ кинематиченвискозитет n и плътност r , от съпротивителния момент на триене в опоритеМ, от диаметъра на тръбопровода D, от размерите и броя на лопатките натурбината, от осевата дължина на турбината l и от стъпката на винтовататраектория.
За оразмеряване на турбинните разходомери се използват безразмерникритерии за подобие. По този начин се правят изводи за качественитехарактеристики и вида на градуировъчните зависимости.
Зависимостта между идеалната ъглова скорост на въртене wi на еднатурбина и разхода Qv може да се определи чрез геометричното съотношениефиг.43.
фиг. 42 Турбинен разходомер
- 81 -
s
v
r. I
vE
r.
v
tgβ.n.A.r.π2.Qv = ,където:
Qv - обемен разход (m3/min);r - среден радиус на турбината (m);A - площ на напречното сечение при измервателната тръба (m2);b - ъгъл на атака на лопатките на турбината;n - брой на оборотите (min-1).
В действителност, турбините срещат съпротивление при своето въртене иреалната им скорост на въртене е от 2 ¸ 5 % по-ниска от идеалната.
Хидравличните загуби, които се определят от вискозитета на измерванияфлуид, могат да повлияят на коефициента на преобразуване и затова се въвеждакалибровъчен коефициент – К-фактор.
Фирмите производители на турбинни разходомери дават подробноинформация за стойността на калибровъчен коефициент в зависимост откритерия на Рейнолдс.
фиг. 43 Разположение на скоростите
- 82 -
Разновидност на турбинните разходомери
Характеристики на измерването
Точността на измерване на турбинните разходомери обикновено сеопределя от линейността и повторяемостта на предавателната имхарактеристика. Линейността е отклонението на максималния и минималния K-фактор спрямо средния К-фактор за определен измервателен обхват. Припрецизните турбини може да се постигне линейност от ± 0,15 % до ±1 %.Повторяемостта е в границите от ± 0,05 % до 0,5 % .
Обикновено турбините имат добри динамични характеристики, имат самонезначително време на изоставане и се произвеждат с големина на диаметърамежду 3 и 60 mm. Конкретните измервателни диапазони зависят от диаметъра ивискозитета на флуида.
НаляганеТъй-като скоростта на въртене на ротора се измерва посредством
неконтактни методи, високото налягане не е проблем и е възможно да сеприлагат до 640 bar, в зависимост от диаметъра на тръбата и материалите, от
По-голяма част от конструкциите натурбинни разходомери се предлагат сизмервателен участък (тръба), която еоформена за присъединяване къмтръбопроводите с помощта на холендриили фланци, съответстващи на DIN илиANSI стандарти.
За експресното определяне наскоростта или скоростния профил нафлуида в тръбопроводите се предлагат иконструкции – тип сонда (Insertion) фиг. 44,които намаляват разходите за монтиране ипозволяват присъединяването без спиранена инсталациите.
фиг. 44 Турбинен разходомер – тип сонда
- 83 -
които е направена. Налични са специални видове за по-високо налягане.Загубата на налягане в турбината е обикновено по-малко от 1 bar.
Температура на процесаМаксималната температура зависи от материалите, от които са
изработени разходомерите. Обикновено температурата варира от - 20 … +350oC. Предлагат се и турбини, които могат да бъдат подгрявани (пара, вода,електричество) за вискозни флуиди
Материали за изработкаРезистентността към агресивните течности (напр. киселини, електролити)
зависи от избраните материали, от които са изработени уредите. Роторът,статорът, измервателната тръба и лагерите, влизат в съприкосновение спротичащия флуид.
Обикновено за измервателната тръба, ротора и статора се използванеръждаема стомана (напр. 304; 316 SS или 1.4305; 1.4571). За лагерите сеизползват керамични материали (напр. алуминиев оксид), а PTFE се използва засъединения с метали или други материали.
Предимства:· висока точност при определен вискозитет или измервателен обхват;· измерване на течности при много ниски температури криогенни
течности до - 220 oC;· измерване на течности при много високи температури до +350 oC;· измерване при много високо налягане до 640 bar;· измерване на течности, които не се проводими;· измерване на вискозни флуиди, при които сензорът се подгрява.
Недостатъци:· необходимо да се знае вискозитета на флуида.
Ограничения при употреба:· необходими са прави участъци пред и след разходомера, съответно
(10 x D) и на тръбопровода (5 x D);· турбините не трябва да бъдат излагани на въртящо се течение;· флуидът не трябва да съдържа твърди вещества, особено влакнести
материали. В противен случай е необходимо да се монтиратфилтри;
· тръбопровода да се изолира за механични вибрации;· не бива да се надвишава обхвата на измерването. Една турбина за
течности не трябва да се използва за измерване разхода на газове(свръх обороти) и да не се почиства с компресиран въздух.
- 84 -
9. Напречни корелатори
Често пъти физическите свойства на потока не са константни величини,обикновено те се влияят от флуктуациите или от “шума на потока”. Моделът нафлуктуация се формира и този ефект се използва от корелационнискоростомери и разходомери. Те измерват специфичното свойство с двасензора, които са разположени в потока един след друг на разстояние d(фиг.45). Изходните сигнали y(t) и x(t) от сензорите, които най-често саелектрически се подават на входа на двуканален корелатор.
Абсолютната величина на измерените сигнали не е съпоставима.Сигналът от първият сензор се забавя във времето така, че да се получимаксимална взаимно корелационна зависимост със сигнала от втория сензор.Счита се, че физическите свойства на флуида, измерени от първия сензор ще сеповторят след време t при втория сензор. Това дава основание да се изчислискоростта на течението като се знае разстоянието между двата сензора d ивремето на забавяне tm.
m
dtvt
=)(
разстояние d
КОРЕЛАТОРv(t)
y(t)
1
движение напотока
измервателенсензор
електрическисигналx(t)
2
Много физически характеристики на флуидите са в основата наизмерването на скоростта на течението с взаимни корелатори. За да се използваметода е необходимо да се знае:
· какво е нивото на смущенията във физическите свойства на флуида;· дали може да се определи флуктуацията на потока.
Подходящите физически свойства са: плътност, отражателното свойствона повърхността, пропускливост, разпределение на частиците и абсорбция насветлина, електро-магнитни вълни или акустични сигнали. За измерването намногофазен поток са особено подходящи корелативните измервателни техники,
фиг. 45 Напречен корелатор
- 85 -
като например хидравличен или пневматичен транспорт на твърди компоненти(вещества).
Корелаторът представлява измервателна система за измерване скоросттана течности или частици със скороста на течението, изчислявайкивзаимокорелационната връзка на сигнала, получаван от два сензора.
Корелаторът MICORVIT ZA 270 се управлявя от микропроцесор. Тойизчислява взаимната корелационна функция с резолюция 256 точки.Измерването се извършва с помощта на интерактивен диалог между оператораи корелатора, като се използва видео дисплей и контролни бутони.
Корелаторът направлява оператора с помощта на различни софтуернименюта. Изчислената корелационна функция се визуализира и това дава наоператора важна информация и помага да се оптимизира измерването.Посредством циклични стъпки корелаторът може да подобри съвместимосттана сензорите и да настрои предварително параметри, необходими заизмерването.
Корелаторът Correlux Pl се използва за локализиране на повреди поводопроводи за чиста вода. При изтичане на вода от мястото на повредата сесъздава шум, който се разпространява към двата края на тръбопровода. Шумътсе регистрира от два сензора, които са прикачени към тръбата (към хидрант,спирателен кран, към самата тръба и т.н), усилва се и се предава къмкорелатора. Correlux P1 сравнява двата сигнала (извършва корелация) иизчислява точното разстояние до повредата на база на времезакъснението наполучените сигнали, разстоянието между сензорите и скоростта наразпространение на сигнала.
фиг. 46 Корелатор Correlux Pl
Характеристики на корелатор Correlux Pl:• Усилен корпус и намалени размери• Голям с висока разделителна способност LCD - дисплей.• Предавател с възможност за прослушване на получавания шум с
помощта на слушалки. Графичен и цифров дисплей за по лесно следене напараметрите.
- 86 -
• <500 mW радио мощност за по голям обхват на работа, дори и при липсана пряка видимост.
• Възможност за едновременно зареждане от мрежата или с помощта наавтомобилен адаптер на всички апарати посредством специално създаденият зацелта куфар. Възможност за зареждане на всеки един от апаратите по отделнопрез входа за слушалките.
• Оптимално свързване на сензорите и антената - без нужда отразглобяване при транспорт.
• Едновременно показване на корелационното трасе и кохерентнияспектър на сигнала (FFT анализ). Възможност за оптимизиране на честотнияфилтър без използване на меню.
• Автоматична и ръчна настройка на честотния филтър 0…4000 Hz.• Авто-корелация за локализиране на повреди при крайни отклонения.• Възможност за измерване при смесени материали с избор до 6
материала.• Измерване на скоростта на разпространение на сигнала при неизвестен
материал.• Оптимално показване на корелационното трасе за по добър анализ.• Активни пиезо акселерометъри, много добри за пластмасови тръби.• Вътрешна памет и PC софтуер за копиране и архивиране на данни.• Възможност за комуникация през RS 232 интерфейс порт.
Предимства на метода:· възможно е стационарно измерване;· някои от физическите свойства могат да бъдат измерване
безконтактно;· характеристиките на сензорите не са критични (напр. чувствителност,
дрейф, линейност);· хидравличните съпротивления не се отразяват на точността и не се
изискват прави участъци.
Недостатъци:· необходим е предварителен експлоатационен опит за работа с
корелатора;· сравнително скъпи;· скоростта на измерване оскъпява допълнително корелационните
разходомери.
Ограничения при употреба:· измерването при “липса на течение” е неопределено;· областите на употреба зависят от вида на използвания сензор
(температура, налягане и др.).
- 87 -
10. Термоанемометрични разходомери
Описание на метода
Метода се основава на промяната на интензивността на топлообмена наедно нагрята тяло във функция от скоростта.
Най-често се използват термоанемометри с нагрята нишка (фиг.47).Нишките на термоанемометрите са изработени от волфрам-платина илиплатино-иридиева сплав с диаметър d стотни или хилядни от милиметъра идължина l » 1 mm. Тази нишка е закрепена на вилка, за да може да бъде вкаранаперпендикулярно на потока, движеща се със скорост v и температура Т. Презнишката се пропуска ток I, който я загрява до температура по-висока оттемпературата на течението ТW. Отделената топлина основно е в резултат наконвективен топлообмен с движещия се поток и частично разсеяна топлина,чрез излъчване и топлопроводност по конструктивните елементи на сензора.
1
2б)
3 4
1 2
3
a)
4
фиг. 47 Конструкция на термоанемометрични сензори
В стационарни условия температурата на нишката, свързана с тока й,протичащ през нея и пада на напрежението U в краищата на нишката е дадено суравнението:
(1) I2 Rw (Тw) = I.U = h.A (Tw – Тf) + Qзаг,където:
Rw (Тw) е електрическото съпротивление на нишката в зависимост оттемпературата на нагряване Тw;
h - коефициент на топлоотдаване при напречно обтичане на нишката,зависеща от скоростта на течението v;
А – площ на сензора (нишката);
- 88 -
Тf – температурата на флуида;Qзаг – топлинни загуби.Съпротивлението на металната нишка се променя в зависимост от
температурата, съгласно:(2) Rw = R0 (1 + a Tw),
където:a е температурен коефициент на съпротивление на сензора;R0 – съпротивление на сензора при 0°С;Коефициентът на топлоотване h от уравнение 1 е функция на скоростта
на потока в от закона на Кинг:(3) h = a + bvc,
където а, b и c са коефициенти получени при калибриране.Ако пренебрегнем Qзаг, можем да изведем зависимост за скоростта на
течението v:
(4) )T(TA)αT(1RI
)TA(TRIbva
fww
w02
fw
w2
c
-+
=-
=+ ,
/c1
fww
w02
ba
b)T(TA)αT(1RIv ú
û
ùêë
é-
-+
= , където с » 0,5.
Изходен сигнал за термоанемометъра се явява тока през нишката илипада на напрежение върху нея (фиг. 48).
в)a)
б)
U
г)0 v
v0
v
I0
I
U
Rw (Tw)
0 v
Rw (Tw)
VA
НИ
A
R R
R
фиг. 48 Електрически схеми на термоанемометри
- 89 -
При схемите Тн = const., за да се подържа постоянна температура серегулира тока през сензора. Скоростта на потока v се определя от стойността натока I, като се използва градуировъчната характеристика (фиг. 48в).
В схемите I = const., изходен сигнал се явява пада на напрежението V, закоето използвайки градуировъчната характеристика (фиг.48г) се определяскоростта на течението v.
Термоанемометрите с нагрята нишка се използват за определяне наскоростния профил на течението и за измерване на пулсиращи стойности наскоростта.
При потоци, за които е известна посоката на скоростта се използватедноточкови сензори (фиг. 47а), а при потоци с неизвестно разпределение наскоростите се използват термоанемометри с две взаимно перпендикулярноразположени нишки (проводници), което позволява определянето на двесъставящи на вектора на скоростта.
Приложение на термоанемометрите
По-разпространени схеми са Тн = const., които позволяват изменениетона пулсациите на скоростта с висока честота и силно променяща се амплитуда.
За термоанемометри за стационарен монтаж се въвежда допълнителентерморезистор за измерване температурата на потока Rt, а нишката е заменена сминиатюрен платинен съпротивителен сензор Rh, през който се подържа ток,загряващ сензора с температура от 40...60 оС по-висока от тази на течението,(фиг.49 и фиг.50).
+
-A1
R R
Rd
Rt Rhm
А
фиг. 49 Разположение насензорите спрямо течението
фиг. 50 Разположение насензорите в мостовата схема
- 90 -
Термосъпротивителните термометри Rt и Rh са включени в двете раменана мостовата схема. Балансирането на моста се извършва посредствомдопълнителен резистор Rd, който компенсира по-високото електрическосъпротивление на Rh, вследствие на нагряването от тока протичащ през него.При увеличаване скоростта на течението, охлаждането на загретия сензор Rhпредизвиква разбалансиране на моста. Посредством усилвателя на сигнала наразсъгласуване А1, автоматично се повишава тока през сензорите Rh и Rt задостигане ново равновесно състояние. Тока на изхода от усилвателя е сигнал,явяващ се пропорционален на масовия поток обмиващ сензора Rh.
Градуировъчните характеристики се определят по опитен път законкретни флуиди. Затова съвременните конструкции на термоанемометри сапознати като масови разходомери за газове (фиг. 51).
фиг. 51 Конструкции на термоанемометрични разходомери
За измерване на скоростта в течности се използват термоанемометри снанесен тънък слой от платина или никел върху стъклена подложка склиновидна или цилиндрична форма.
Температурата на нагряване на сензора трябва да е съобразена снедопускане на изпаряване или кипене по повърхността му.
- 91 -
Особености при монтажа
При стационарен монтаж на разходомерите е задължително да сесъздават условия за равномерен скоростен профил в измервателния участък.
Фирмите производители на разходомери задължително указват условиятаза монтаж и минималните дължини на правите участъци в тръбопровода предии след сензора (фиг.52).
фиг. 52 Условия за равномерен профил на скоростта
При серия от колена в тръбопроводи, разположени в различни равниниили при регулиращи вентили, скоростния профил е силно деформиран, коетоизисква дълги прави участъци (20 ...50) х DN пред разходомера.
Тези правила са валидни за всички разходомери, измерващи скоростта напотока.
- 92 -
За да се редуцират дължините на тези участъци е възможно да сеизползва (ламиниращ токов трансформатор на течението) изравнителнарешетка, която представлява диск с множество отвори (фиг.53) за създаване наравномерен скоростен профил по цялото сечение на тръбопровода.
фиг. 53 Сборен чертеж за монтаж на изравнителнарешетка пред разходомерите
Правият участък пред рзходомера е с дължина 15 х DN при използване наизравнителната решетка фиг. 54.
фиг. 54 Редукция на правия участък пред разходомерачрез изравнителна решетка – поз.2
Загубите на налягане в изравнителната решетка могат да бъдатопределени чрез следното уравнение:
1 - изравнителна решетка2 - уплътнения3 – центриращ отвор
- 93 -
(5) 4
2m
D1.
ρQ.KΔp = ,
където:Δp - загуби на налягане, mbar;Qm – масов разход, kg/h;ρ - плътност на флуида, kg/m3;D - диаметър на тръбопровода, mm;K - константа на изравнителната решетка = 1876 за Endress + Hauser.
Допълнителните хидравлични загуби в изравнителната решетка сасъизмерими със загубите в дългите прави участъци, когато не е предвидена.
фиг. 55 Позициониране на сензорите в тръбопровода
При определяне на потопяемата дълбочина на сензора в тръбопровода,трябва да бъдат взети в предвид три параметъра:
А – вътрешния диаметър на тръбопровода и височината или широчинатана канала, в зависимост къде е монтиран сензора;
В – дебелина на стената на тръбопровода или канала;С – височина на монтажното приспособление.
В зависимост от избрания модел на присъединяване за Endress + Hauserстойността на С е от 100 до 250 mm.
Цилиндричния участък към който са монтирани термосъпротивителнитесензори е градуиран в милиметри или инчове, така както е показано на фиг. 55.
Потопяемата дълбочина се изчислява по следната зависимост:mmCBA 2)3.0( +++´
- 94 -
Технически характеристики на термоанемометричните разходомери
Високата чувствителност при ниски скорости на измервания флуид,позволява измерването на течове и газове.
Основно се използват за измерване на масов разход на широка гамагазове като:
· компресиран въздух;· природен газ;· въглероден диоксид;· биогаз и аериращ въздух;· производството на технически газове (Ar, N2, CO2, He, O2).
Приложението на метода е разширен и за измерване на дебит натечности, като се използват защитени с метален корпус термосъпротивителнисензори.
Тези конструкции имат и сертификат за взривобезопасно изпълнение и саподходящи за точното измерване на масов разход на горими газове, метан,водород, въглероден окис и газови смеси до 8 компонента (Biogas).
Основни характеристики на произвежданите термоанемометричнимасови разходомери са:
· незначителни хидравлични съпротивления;· динамичен диапазон по-добър от 100:1;· захранващо напрежение от 85 ¸ 265 V AC или от 16 ¸ 62 V AC/DC;· консумирана енергия от 8 ... 14 W;· изходен сигнал 4...20 mA HART, RL < 700 W:
- импулсен и честотен изход 2...100 Hz;- PROFIBUS DP – интерфейс IEC 61158;- MODBUS RS-485- интерфейс;- релеен изход, конфигуриран за грешки или лимитни стойности;
· точност ± 1,0 % от диапазона.
По-голяма част от конструкциите на разходомерите са предназначени заприсъединяване с фланци. Измервателните диапазони за размери отDN15…DN100 са показани в табл. 1.
Таблица 1
- 95 -
Минималните и максималните стойности на разхода за потопяемисензори са показани в табл. 2 (Endress + Hauser).
Таблица 2
- 96 -
11. Измерване на масов разход - кориолисови разходомери
Принципът на измерване с кориолисови разходомери коренно серазличава от скоростните.
Този метод се използва след 1980 г. Кориолисовите сензори иматхарактерен профил на движението на флуида. Типичните конструкции са с една“S” или две “U” образно огънати тръби, за да е изпълнено условието за кръговодвижение.
Масата на едно тяло на земята обикновено се определя посредствомизмерването му. Масата може също така да бъде определена като се измериускорението, причинено от външна сила, както при втория закон за движениетона Нютон:
Силата = Масата х Ускорението
При измерването на масовия разход на течности в тръби е много труднода се измери точно силата и ускорението. Поради това, масовият разход многопъти се изчислява от скоростта на течението, плътността или налягането итемпературата.
фиг. 56 Кориолисови разходомери - модел Promass
Редица опити да се измери масовият разход посредством измерването насилата и ускорението са завършили с неуспех. В индустрията е приет само единпринцип – измерване на масата с помощта на жироскопичния принцип исъздаването на кориолисови сили.
При всички системи, които се въртят спрямо точка се образувакориолисова сила, при радиално движение на масата в системата. Това еизобразено на фиг. 57. Ако едно тяло (маса) е разположено върху въртящ се
- 97 -
диск и се движи от центъра към периферията, то може да измине радиално най-краткия път, ако реагира на силата, която се опитва да отклони тялото отправия път. Кориолисовото ускорението създава сила, която отклонява тялото.
Fc m
vFc
v
m
Кориолисовата сила се определя от уравнението:v.ω.m2.a.mF cc == ,
където:m – масата на движещото се тяло, kg;w – ъглова скорост на тялото, rad/s;v – радиална скорост на тялото, m/s;ac – кориолисово ускорение, m/s2.
Принцип на измерване
Принципът, използван при тези измервателни уреди се базира нажироскопичния принцип и действието на кориолисовата сила.
Измерваният флуид преминава една или две тръби, които вибрират срезонансна честота фиг. 58.
фиг. 58 Принцип на работа на сензорите
фиг. 57 Условия засъздаване на кориолисова
сила
- 98 -
Създаването на вибрациите е изкуствено посредством електромагнитнасистема в центъра на тръбата. В началото и края на трептящите тръби катовъзприемащи сензори се използват диференциали трансформатори за линейнопреместване А и В (LVDT). Тези сензори измерват преместването привходната и изходна част на течението и сигналите им служат за измерванетона фазовата разликата Δφ в двете точки. Тази разлика е пропорционална намасовата скорост на течението. Сензорите, оформени като “U” или ”S” -образна конфигурация се използват за механично усилване на фазовотоизместване на сигнала в точките А и В.
Макар че, кориолисовите разходомери работят много добре и предлагатизключително голяма точност, те все пак имат някои особености:
1. ”S” - образните и ”U” - образните конструкции на сензорите иматсравнително висока маса. Това води до ниска резонансна честота на вибрациите(обикновено от 80 до 100 Hz), което прави тези системи чувствителни намеханични вибрации, причинени от външни източници при променливинапрежения в конструкцията. Диапазонът на вибрациите е с обхват под 100 Hz,което води до отклонение на нулата, следователно и до грешки приизмерването.
2. Външните сили, упражнявани върху тръбата на сензора, могат дапреместят нулевата точка, което води отново до грешки при измерването (приусловия, в които няма движение на флуид, индикаторът показва наличие намасов дебит. В таблицата по долу са дадени максималните отклонения нанулата за разходомери с прави тръби.
3. Повечето от измервателните уреди, които се продават днес, използватлегирана стомана 316 за сензори. Този материал не е идеален за многоагресивни течности и корозията може да доведе до разрушения, вследствие наумора на метала от продължителна вибрация. Някои производители предлагат
- 99 -
тръби от Hastelloy C и титан за някои случаи на употреба с по-голямонапрежение.
4. Конструкции на масови разходомери имат по големи физическиразмери в сравнение с скоростните, което води до значителни инсталационнипроблеми при вграждането им.
5. Конструкцията на сензора създава по големи хидравличнисъпротивления и стойностите се дават от фирмите производители (фиг. 59).
фиг. 59 Загуба на налягане на разходомери с прави тръби DN8 … DN 250, за вода; r = 1000 kg/m3
Конструкция на кориолисови разходомери с прави тръби
Течението на измервания флуид се разпределя да премине през двееднакви тръби, успоредно разположени.
Тази система от тръби се привежда в резонанс посредством възбуждане.При вибриране на тръбите на сензора, масата на протичащия флуид притежаваи ъглова скорост, причиняваща кориолисова сила.
На две съвършено различни места на входа и изхода на тръбната системасе поставят инфрачервени сензори, за да разграничат фазата на трептенетофиг.60.
Когато през тръбната система не преминава маса, фазата на двата сигналасъвпада. Масата на течността, протичаща през системата на тръбата ще получистранично ускорение. Неговата инерция ще изкриви формата на вибриране привхода на тръбата. Когато частицата преминава през тръбата, тя ще предадеабсорбираната енергия обратно в тръбата и трептенето при изхода на тръбатаще се засили.
- 100 -
фиг. 60. Принцип на работа
Двата оптични сензори измерват фазовата разлика, която е правопропорционална на масовата скорост. Посредством използването на двеизмервателни тръби, които трептят противофазно, е възможно чувствителнияелемент да се направи устойчив към външни влияния и да не се предаватмеханични вибрации извън сензора.
5 6 7
4
1
8 9 10
23
фиг. 61 Конструкция на кориолисов разходомер с две прави тръби
1-оптически сензори; 2 - захранващ блок; 3-усилвател; 4-уплътнение (Витон); 5-колектор; 6- измервателни тръби; 7- носеща тръба; 8- електромагнитна възбуждаща
система; 9- корпус; 10-фланец.
- 101 -
Поради много малката фазова разлика, тъй като честотата на резонанса емежду 600 и 1000 Hz, са необходими сензори с резолюция в наносекунднияобхват. Те са пригодени за работа с инфрачервена светлина, която се променяот трептенето на тръбите. Самите измервателни тръби са от титан.
Титанът притежава идеално отношение на модула на еластичност наЮнг, сравнен с плътността на материала и коефициента на разширението.Освен това, титанът предлага много висока химическа устойчивост към редицакорозивни среди. Титанът е много реакционно активен метал в резултат накоето се образува тънък и силно прилепнал окислен слой, когато е изложен наатмосферното влияние или наличие на кислород. Изключително важно закориолисовите разходомерите е, че механичните напрежения са много подграницата на еластичност за метала (типично на 20%).
Важно е също целият сензорен елемент да бъде защитен срещу външнимеханични напрежения. Това се постига посредством масивна тръба, коятоедновременно с това се явява и контейнер за налягането. Разбира се, една отнай-важните характеристики е това, че тръбите са прави и паралелни (можетеда гледате през тях), което прави чистенето по-лесно, позволява на сензора даизсъхне изцяло и загубата на налягане е в приемливи граници.
Освен горепосочените технически особености, електрониката наразходомерите позволява лесното конфигуриране на диапазоните наизмерваните величини, вътрешни тотализатори и изходни сигнали.
Между основните модули кодовете и данните се предават покомуникационен път и практически не се влияят от външна намеса. Отелектронната система се предават данните за масовия дебит, плътността итемпературата, които са директно измерени. От измерените величинидопълнително се преизчисляват приведени обеми и плътности, а интегриранитепо време количества се записват в програмни броячи.
Сензорният елемент на разходомера е конструиран така, че да отговаря наизискванията за вътрешно безопасна работа (PTB, EM CENELEC). Тъй като сеизползват схеми с ниско захранване, електрониката консумира минималнаенергия. Използването на кориолисовият принцип опростява техническиизмерването на масовия разход и като цяло е по-икономичен от комбиниранотоизмерване на обема и плътността. Високата точност, надеждността иизпълнението се постигат посредством въведените нови технологии.
Характерни особености на сензорите с прави тръби:· лесни за почистване;· минимално хидравлично съпротивление;· титанът като материал, използван при конструкцията, предлага
отлични механични свойства и добра химическа устойчивост;· нееластичната външна тръба служи като защитен съд и прави уреда
нечувствителен към външни сили;
- 102 -
· резонансната честота на титановите тръби е по-висока от 600…1000Hz, т.е. изключително кратко ответно време за реакция при промяна натечението и ниска чувствителност към вибрациите, причинени отиндустриални механични вибрации (50 … 100 Hz).
Приложение на кориолисовите разходомери
Общо, кориолисовите разходомери не се влияят от дължината натръбопровода на входа и изхода на разходомера (не са необходими правиучастъци).
Принципът на измерването не зависи от свойствата на флуида катоплътност, вискозитет и температура.
В бъдеще, масовите разходомерите ще заменят PD измервателнитесистеми при търговското измерване и дозирането на флуиди. Те ще осигуряватна потребителите система на измерване, притежаваща редица предимства присравнително ниска цена за разлика от продължителното претегляне с везни, иявяваща се лесна за поддържане.
Понастоящем съществуват около 11 производителя на кориолисовиразходомери. Повечето от тях предлагат уреди с големина на тръбите 80 mmили по-малки, макар че се предлагат и големини от 150…200 DN. В бъдеще щесе предлагат за по-големи диаметри.
Като цяло можем да кажем, че през последните години не съществувадруг измервателен принцип при измерването и контрола, който да е направилтолкова значима стъпка напред. Повечето от производителите на разходомериинвестират важна част от фондовете си за разработване и усъвършенстване наметода.
Предимства:· пряко измерване в процеса на работа без компенсация на налягане и
температура;· измерването в определени граници не се влияе от проводимостта,
вискозитета, плътността, съдържанието на газове и твърди частици втечността;
· едновременно измерване масата на потока, плътност и температурав едно устройство.
· Широк динамичен диапазон 1000 : 1 и минимална грешка 0.1%
- 103 -
фиг. 62 Максимално допустима грешка на кориолисов разходомер DN 25
Недостатъци:· сравнително скъпи спрямо останалите методи;· чувствителни към външни вибрации ако съвпадат с резонансната
честота на сензора;· високи инсталационни разходи*;· необходима е периодична настройка на нулата.
Ограничения при употребата:· температура по висока от 200 °С;· вибрации*;· газови включвания в течностите и неправилно подбрано място за
инсталиране фиг. 63.
*В зависимост от специфичната конструкция на сензора.
фиг.63 Изисквания при монтаж накориолисовите разходомери
- 104 -
фиг. 64 Габаритни размери на масов разходомер модел Promass на E+H
Присъединителни размери на стандартни DIN фланци на масовитеразходомери
- 105 -
12. Измерване на разход в открити канали
До тук бяха разгледани важни методи на измерване на дебити в затворенитръбни системи.
Следващият раздел разглежда една система, която е широко приложимапри отворените канални системи. Използва се един нов метод за измерване наразходи, който придобива значение при отворените и затворените системи.
Отворените системи се срещат особено често при водоснабдяването изаводите, третиращи отпадъчни води. При тези системи няма налягане, тъй катоте са подложени на атмосферното влияние. При строго канализираните системинивото на водата е функция на скоростта на потока.
Отворените канали, ограничени с преливници се използват стотицигодини за измерване на разходи. Познати са няколко различни видапреливници, показани на фиг. 65.
прав преливник
без рестрикция
триъгълен преливник
трапецообразенпреливник
отворен вентури(Khafagi)
фиг. 65 Преливници за измерване на разходи
Много от тези преливници все още се използват при някои специалниприложения, но преливникът тип Вентури е заменил другите видове приповечето приложения.
Каналът тип Кафаги–Вентури понастоящем е най-точната система заизмерване на разход (фиг. 66).
- 106 -
L2
поглед отгоре RL1
b1 Qb2
най-тесен участъкx b2
b1
b3 b1
H h1
Ако при изграждането на канала е спазено отношението b2/b1 = 0,4,измервателната грешка е от порядъка на +/- 2 %.
Отношението между нивото на водата и скоростта на течението е точноопределено, което позволява да се изчислява дебита:
Q = 0,01744 . b2 . h13/2 + 0,0009 . h1
5/2, l/s
където:b2 - широчина на стеснението, сm;h1 - височина на напора, сm.
За да се измери нивото на течността, се използват модерни ултразвуковии радарни системи, които се разполагат над канала и не са в контакт сизмерваната среда.
фиг. 66 Кафаги-Вентури
- 107 -
фиг. 67 Разположение на ултразвуков сензор за измерване на дебит
В електронният блок на тези системи са програмирани функции заизчисляване на моментните и интегрирани стоиности на дебита. Типът иразмерите на използваният преливник също са програмирани предварително,което улеснява пускането на и експлоатацията на системата. На таблицата подолу са показани характерните размери на стандартизирани вентуриеви каналина Endress + Hauser които са програмирани със съответен код в менюто нанивомерите FMU 862.
- 108 -
фиг. 68 Кафаги - Вентуриев канал модел QV 3xx на Endress + Hauser
5 8
1
4
2 3
7
6
1- ултразвуков сензор; 2- усилвател; 3- изчислителен блок за дебит; 4- индикатор; 5-регистратор; 6- интегриращ блок; 7- електронен брояч; 8- принтер
фиг. 69 Основни модули на ултразвукова система за измерване
- 109 -
Предимства:· безконтактен метод за измерването на ниво;· не са чувствителни към мръсотия;· много малка загуба на напор;· лесни за поддръжка.
Недостатъци:· високи инсталационни разходи;· ограничена точност;· скъп електронен модул.
- 110 -
13. Лазерен Доплеров анемометър
След откриването на лазерната светлина, принципът е основно използванвъв военната промишленост. Днес лазерната технология има широкоприложение за научни и промишлени цели.
Кохерентната лазерна светлина със стабилна дължина на вълните,приблизително от 600 - 1200 nm може да се използва за измерване на дебити.
С помощта на много фини лазерни лъчи се определя вектора на скоросттав дадена точка и се изчислява средната скорост на потока по протежението надиаметъра на тръбата и дебита на протичащия флуид.
Принцип на измерване
Методът се основава на ефекта на Доплер при който има относителнодвижение между източника на излъчване на електромагнитни вълни иприемника. Честотата на вълните, регистрирана от приемника се различава оттази на източника и е свързана с относителната скорост.
Поради сравнително ниската скорост на течението при течности (max.10…15 m/s) и много високата честота на лазерния лъч (250 000 …500 000 GHz),използването на прекия Доплеров метод не е практично. Поради товапосредством комбинирането на два лазерни лъча с еднаква честота се генерираинтерферентна светлинна бариера с възможности за филтриране.
Движещ се флуид съдържащ естествени или изкуствено въведени частицисе облъчва със сноп от лазерен източник. В схемата, изобразена на фиг. 70 саизползвани два разделени лазерни лъча, които се фокусират в изследвана точкана течението.
Пресичането на двата лъча, създава малка пространствена зона (илиобласт), в която се намира движеща се частица. От движението на частиците сеизлъчва разсеяна светлина, която носи информация за скоростта. Приположение, че тази скорост е равна на тази на флуида, може да се определи искоростта на потока в дефинираната зона. За определяне на разликата вчестотата на директното и разсеяно излъчване и съответно за определяне наскоростта, се използват различни оптични схеми.
- 111 -
Огледало
f = f(v)фотоумножител
VЛАЗЕР
Скоростта се изчислява по измерената честота на разсеяно излъчване fvпо следната зависимост:
2αsin
λvcos2fv
j= ,
където:l е дължина на вълната на лазерния източник;v – скорост на частицата;a - ъгъл на пресичане на лазерните лъчи;j - ъгъл между вектора на скоростта и перпендикулярът към
ъглополовящата на лазерните лъчи.Ако този перпендикуляр съвпада с оста на тръбата, в която се изследва
течението, то стойността на произведението v.cosj е равно на проекцията наскоростта по оста на тръбопровода.
Точността на измерване на скоростта по този метод е в интервала от3...0,2 %.
Методът е изключително важен и полезен за измерване на скоростите вграничния слой, тъй-като обема на формираната зона е по-малък от 1 mm3.
Предимства:· измерване на профила на течението;· векторът на скоростта може да бъде измерен;· много висока точност;· няма нужда от калибриране.
Недостатъци:· течността трябва да бъде прозрачна;· измерва се само скоростта;· скъпа инсталация.
фиг. 70 Лазерен-Доплеров анемометър
- 112 -
14. Сигнализатори за поток (Flow switch)
Сигнализаторите на течението измерват скоростта му и извеждатдискретен сигнал при достигането на зададена стйност. Изходният сигнал найчесто е релеен със свободен превключващ контакт. Заданието за нивото насработване по скорост се установява предварително в сигнализатора(скоростно реле).
Технологията, използвана при разходомерите може да бъде използванапри сигнализаторите на скорост, т.е. ротаметри, напорни дискове,ултразвукови, термоанемометричен и магнитни принципи.
Сигнализатори за скорост при малките диаметри
Тук най-често се използват ротаметри. Версията, изобразена на фиг. 71 есъс свързващи диаметри R3/8” … R1” за сигнализирането на дебит от 0,25...40dm3/min. Повторяемостта на превключване е < 3 %. Аларменото състояниезадейства релеен превключващ контакт. Сигналът за превключване се формираот индуктивни или капацитивни сензори, реагиращи на положението напоплавъка в ротаметъра.
фиг. 71Сигнализатор модел А6100
- 113 -
По-големи диаметри
При диаметри > 40 мм. могат да бъдат инсталирани магнитоиндуктивнисензори изцяло потопени в потока. На фиг. 72 е показан магнитоиндуктивенсигнализатор за скорост MAGPHANT, който представлява компактен прибор,състоящ се от магнитен сензор и електронно устройство. Устройството семонтира в тръбата посредством заварен адаптер. Същото устройство може дабъде използвано при тръби с различни диаметри.
фиг. 72 Монтиран на тръбопровод магнитоиндуктивен сигнализатор за скорост MAGPHANT
Точката на превключване (заданието) може да се регулира между 0,2 и 10m/s. Алармената индикация се осъществява посредством релеен контакт.Максималното работно налягане е 64 bar. Максималната температура нафлуида е +70о C (160о F) при компактните версии и +150 оC (300о F) приразделена версия. Аларменото реле има вградено устройство за задържане навремето за сигнализация, което може да се настройва от 1 – 20 s.
- 115 -
ІII. ПРИЛОЖЕНИЯ
Списък на таблиците
Таблица 1. Обобщени характеристики на методите за измерване на разход на флуидиТаблица 2. Конверсия от Енглерови градуси към mm2/s (cst)
Таблица 3. Характеристики на газовете
Таблица 4. Характеристики на водата
Таблица 5. Съвместимост на флуидите с конструкционни материали
- 116 -
Обобщени характеристики на методите за измерване на разход на флуиди Таблица 1/1
ПОКАЗАТЕЛИМАГНИТО
ИНДУКТИВНИразходомери
МАСОВИКОРИОЛИСОВИ
разходомери
ВИХРОВИVORTEX
разходомери
ДРОСЕЛНИразходомери
(бленди)
Разрешаващаспособност
±0,2 – 0.5 % отобхвата
±0,1 – 0,2 % отобхвата
< ± 1 % отобхвата заRe > 4000
± 0,5 – 2 % отн. грешка
Възпроизводимост ± 0,1 отобхвата 0,1 – 0,2 % ± 0,2 % ± 0,5 %
Динамичен диапазон 1000:1 1000:1 40:1 4:1
Минимална скорост 0,1 m/s < 0,1 m/s течности0,4 m/s Re > 10000
Максимална скорост 12,5 m/s 10 m/s 9 m/s течности75 m/s газове
8 m/s течности60 m/s газове
Загуби на налягане нямат 1 - 2 4 – 61 % от Pstat.
DN 2,0 – 2500 mm 3 – 150 mm 15 – 300 mm 25 – 2000 mm
Изходни сигнали
АналоговИмпулсенЧестотенПрофибус
АналоговИмпулсенЧестотенПрофибус
АналоговИмпулсенЧестотенПрофибус
Аналогов
Предназначени заПроводими
течности> 1 mS/cm
Течности и газове Течности, газове ипара
Течности, газове ипара
Температурен диапазон - 40 до 180 оС - 60 до 200 оС - 200 до 400 оС - 200 до 1000 оСМаксимално налягане 16 /40 Bar 40 Bar 250 Bar 420 Bar
- 117 -
Таблица 1/2
ПОКАЗАТЕЛИОБЕМНИ
разходомери овалнизъбни колела
ТУРБИННИразходомери
РОТАМЕТРИс постоянен пад на
налягане
УЛТРАЗВУ-КОВИ
разходомери
Разрешаващаспособност
± 0,5 – 1,0 % отобхвата
± 0,2 – 1 % отобхвата
± 2 %отн. грешка ± 1 – 2 % отн. грешка
Възпроизводимост ± 0,02– 0,05 % ± 0,05– 0,2 % ± 1 % ± 0,5 %Динамичен диапазон 10:1 10:1 10:1 20:1Минимална скорост 0,2 m/s 0,8 m/s 0,5 m/s 0,1 m/s
Максимална скорост 5 m/s течности30 m/s газове
9 m/s течности50 m/s газове
8 m/s течности30 m/s газове
10 m/s течности60 m/s газове
Загуби на налягане 1 – 21…5 Bar 1 - 2 1 – 2
10…500 mBarDN 6 – 500 mm 5 – 600 mm 3 – 100 mm 6 – 6000 mm
Изходни сигнали ИмпулсенЧестотен
ИмпулсенЧестотен Импулсен
АналоговИмпулсенЧестотенПрофибус
Предназначени за Течности Течности и газове Течности и газове ТечностиТемпературен диапазон 10 до 180 оС - 200 до 350 оС 10 до 150 оС - 40 до 170 оСМаксимално налягане 40 Bar 640 Bar 10 Bar -
- 118 -
Таблица 2
Конверсия от Енглерови градуси към mm2/s (cst)
E cSt E cSt E cSt E cSt
1.00 1 1.93 11 2.99 21 5.35 401.06 1.5 1.98 11.5 3.11 22 6.65 501.12 2 2.02 12 3.23 23 7.95 601.17 2.5 2.07 12.5 3.35 24 9.26 701.22 3 2.12 13 3.47 25 10.58 801.26 3.5 2.17 13.5 3.59 26 11.89 901.31 4 2.22 14 3.71 27 13.20 1001.35 4.5 2.27 14.5 3.83 28 19.80 1501.39 5 2.33 15 3.96 29 26.40 2001.44 5.5 2.38 15.5 4.08 30 33.00 2501.48 6 2.43 16 4.21 31 39.60 3001.52 6.5 2.49 16.5 4.33 32 46.20 3501.57 7 2.54 17 4.46 33 52.80 4001.61 7.5 2.59 17.5 4.59 34 66.00 5001.65 8 2.65 18 4.71 35 79.20 6001.70 8.5 2.71 18.5 4.84 36 92.40 7001.74 9 2.76 19 4.97 37 105.60 8001.79 9.5 2.82 19.5 5.09 38 118.80 9001.83 10 2.88 20 5.22 39 132.00 1000
- 119 -
Таблица 3
Свойства на газовете
плътност абс. вискозитетГаз Химическаформула kg/m3 lbm/ft3 cP (deg С) cP (deg F)
Ацетилен C2H2 1.717 0.073 0.009 32.017Етан C2H6 1.357 0.080 0.008 32.015Етилен C2H4 1.260 0.074 0.009 32.016Амоняк Nh3 0.771 0.045 0.009 32.017Аргон Ar 1.784 0.111 0.021 32.038n-Бутан n-C4H10 2.732 0.158Хлор Cl2 3.214 0.201 0.012 32.022Хелий He 0.178 0.011 0.019 32.033Въглероден диоксид CO2 1.977 0.123 0.014 32.025Въглероден оксид CO 1.250 0.781 0.017 32.030Криптон Kr 3.744 0.232 0.023 32.042Метан CH4 0.717 0.042 0.010 32.018Неон Ne 0.900 0.056 0.030 32.053Въздух 1.293 0.081 0.017 32.031Пропан C3H8 2.010 0.118 0.008 32.014Кислород O2 1.429 0.089 0.019 32.034Серен диоксид SO2 2.926 0.183 0.012 32.021Азот N2 1.251 0.078 0.017 32.030Водород H2 0.090 0.006 0.008 32.015Хсенон Xe 5.896 0.365 0.021 32.038
- 120 -
Таблица 4
Свойства на водата
Температура плътност Налягане на насищане Абс. вискозитет (m)оС оF kg/m3 Рн ; PSIA Рн ; Pa CP (оС) Cst (оF)0 32.0 999.8 0.08858 610.7 1787 1.7872 35.6 999.8 0.10235 705.6 1671 1.6714 39.2 1000.0 0.11794 813.1 1562 1.5626 42.8 999.9 0.13561 934.9 1464 1.4648 46.4 999.8 0.15557 1072.5 1376 1.37510 50.0 999.7 0.17805 1227.5 1305 1.30712 53.6 999.4 0.20336 1402.0 1226 1.22714 57.2 999.2 0.23178 1597.9 1161 1.16316 60.8 998.9 0.26362 1817.4 1104 1.10618 64.4 998.5 0.29924 2063.0 1052 1.05320 68.0 998.2 0.33899 2337.0 1002 1.00422 71.6 997.7 0.38337 2643.0 955 0.95724 75.2 997.2 0.43255 2982.0 911 0.91426 78.8 996.6 0.48738 3360.0 872 0.87528 82.4 996.1 0.54801 3778.0 834 0.83730 86.0 995.7 0.61517 4241.0 797 0.80132 89.6 994.9 0.68944 4753.0 764 0.76834 93.2 994.2 0.77139 5318.0 741 0.74536 96.8 993.4 0.86147 5939.0 700 0.70538 100.4 992.8 0.96069 6623.0 680 0.68540 104.0 992.2 1.06962 7374.0 653 0.65845 113.0 990.2 1.38976 9581.0 598 0.60450 122.0 988.0 1.78909 12334.0 548 0.55455 131.0 985.7 2.28314 15740.0 505 0.51260 140.0 983.2 2.88947 19920.0 467 0.47565 149.0 980.6 3.6278 25010.0 434 0.44370 158.0 977.8 4.51988 31160.0 404 0.41375 167.0 974.8 5.61056 38550.0 378 0.38880 176.0 971.8 6.86975 47360.0 355 0.36585 185.0 968.6 8.38412 57800.0 334 0.34590 194.0 965.3 10.16973 70110.0 315 0.32695 203.0 961.8 12.26141 84530.0 298 0.310
100 212.0 958.4 14.69687 101320.0 282 0.295150 302.0 916.9 69.0457 476000.0 186 0.205200 392.0 864.6 225.57347 1555100.0 136 0.161250 482.0 799.2 578.33029 3987000.0 109 0.140300 572.0 712.4 1246.3039 8592000.0 89 0.132
- 121 -
Таблица 5 /1
Съвместимост на флуидите с конструкционни материали
Конструкционни материалиизолационни материали метали проводимост
mS /cm
Флуид К
онце
нтра
ция
при
20oС
Твъ
рд к
аучу
к (H
G)
Мек
кау
чук
(WG
) E
PDM
PT
FE
PHA
Е
маи
л
Al2
O3
ке
рам
ика
1.
4571
(316
SS)
Х
асте
лой
C-2
76
Тит
ан
Тан
тал
PT
/RH
пла
тина
род
ий
< 1
1
-4,9
5
-19,
9
> 20
Отпадна вода 1 1 1 1 1 1 1 1 1 v2 3 1 1 1 1 1 1 1 1 1 vАцетон
CH3COCH3
100
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 vЕтилов алкохолC2H5OH
1 1 1 1 1 1 1 1 1ЕтиленC2H4
1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1Алуминиев окисAl2O3
50 1 1 1 1 1 1 3 1 1 1 1 vАлуминиев сулфатAl2 (SO4)3
10 2 2 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1 vAmeisensaureHCOOH
10 2 1 1 3 3 1 1 1 1 1 1 1 vАмонячна водаNH3+H2O
50 1 1 1 1 1 1 2 1 2 1 1 vАмониев нитратNH4NO3
100 2 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1 vАмониев сулфат(NH4)2SO4
100 2 3 2 1 1 1 1 1 1 1 1АнилинC6H5NH2
37 3 3 1 1 1 1 1 3 3 3 1 1 vСярна киселинаH2SO4Бира 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 vБирена шира 1 1 1 1 1 1 1 1 1 vБитум 3 3 3 1 1 1 1 1 1 1 vКръв 1 1 1 1 1 1 1 1 1 v
Легенда: 1- устойчив; 2- сравнително устойчив; 3- неустойчив
- 122 -
Таблица 5 /2
Конструкционни материалиизолационни материали метали проводимост
mS /cm
Флуид К
онце
нтра
ция
при
20oС
Твъ
рд к
аучу
к (H
G)
Мек
кау
чук
(WG
) E
PDM
PT
FE
PHA
Е
маи
л
Al2
O3
ке
рам
ика
1.
4571
(316
SS)
Х
асте
лой
C-2
76
Тит
ан
Тан
тал
PT
/RH
пла
тина
род
ий
< 1
1
-4,9
5
-19,
9
> 20
Борна киселинаH3BO3 50 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1Масло 3 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 v
100 1 2 3 1 1 1 1 1 1 1 1 vМаслена киселинаC3H7COOHМасло 3 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 v
3 3 3 1 1 1 2 1 1 1 vХлорна водаCl+A32 + H2O
3 3 3 1 1 1 2 1 1 1 1ХлорбензолC6H5Cl
3 3 3 2 1 1 2 1 vХлороформCHCl3Хлорофил 1 1 1 1 1 1 1 1
3 3 3 1 1 1 3 2 1 1 1Хлорна киселинаHCl+A53O3Холестерин 1 1 1 1 1 1 1 1
3 3 3 1 1 1 2 1 1 1 1ХлорбензолC6H4Cl2
100 3 3 3 1 1 1 2 2 1 1 1ХлоретанCH2Cl-CH2Cl
100 3 3 3 1 1 1 2 1 1 1ХлоретиленC2H2Cl2Хлорбензол 3 3 3 1 1 1 2 1 1 1 1
50 1 1 1 1 1 1 1 3 1 1 3 vФерихлоридFeCl3
30 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1Железен сулфатFe2(SO4)3Природен газ 1 1 3 1 1 1 1 1 1 1 v
Легенда: 1- устойчив; 2- сравнително устойчив; 3- неустойчив
- 123 -
Таблица 5 /3
Конструкционни материалиизолационни материали метали проводимост
mS /cm
Флуид К
онце
нтра
ция
при
20oС
Твъ
рд к
аучу
к (H
G)
Мек
кау
чук
(WG
) E
PDM
PT
FE
PHA
Е
маи
л
Al2
O3
ке
рам
ика
1.
4571
(316
SS)
Х
асте
лой
C-2
76
Тит
ан
Тан
тал
PT
/RH
пла
тина
род
ий
< 1
1
-4,9
5
-19,
9
> 20
Ферихлорид 50 1 1 1 1 1 1 1 3 1 1 3 vФлороводороднакиселина(Flusssaure) HF
40 3 3 3 1 1 3 3 1 1 1 v
100 3 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1Фреон 12Cl2F2CПлодов сок 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 vФлороводороднакиселина 40 3 3 3 1 1 3 3 1 1 1 v
50 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 vГликолCH2OH-CH2OH
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1ГлицеринCH2OH-CHOH-CH2OHХидразин 25 1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 v
100 1 2 1 1 1 1 1 1ИзобутилалкохолC4H10O
100 1 1 1 1 1 1 1 1 1ИзопропилалкохолC3H8O
1 2 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1ЙодI2 + H2Oмляко 1 1 1 1 1 1 1 1 v
50 1 2 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1 vКалиева основаKOH
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 vКалиев карбонатK2CO3
50 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 vКалиев нитратKNO3
25 1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1Калиев нитритK2NO2
Легенда: 1- устойчив; 2- сравнително устойчив; 3- неустойчив
- 124 -
Таблица 5 /4
Конструкционни материалиизолационни материали метали проводимост
mS /cm
Флуид К
онце
нтра
ция
при
20oС
Твъ
рд к
аучу
к (H
G)
Мек
кау
чук
(WG
) E
PDM
PT
FE
PHA
Е
маи
л
Al2
O3
ке
рам
ика
1.
4571
(316
SS)
Х
асте
лой
C-2
76
Тит
ан
Тан
тал
PT
/RH
пла
тина
род
ий
< 1
1
-4,9
5
-19,
9
> 20
Калиев перманганатKMnO4
all 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 V
КалиевсулфатK2SO4
20 2 1 1 1 1 1 1 1 1 V
50 1 1 1 1 1 1 1 3 1 1 1 3Меден хлоридCuCl2 x H2O
25 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1Меден сулфатCuSO4Ликьор 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1Малц 1 1 1 1 1 1Меласа 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 VMетан 3 2 3 1 1 1 1 1 1 1 1CH4
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 v VMетанолCH3OHметилов алкохол 100 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 vМляко 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 V
konz 1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1 vМлечна киселинаH6C3O3
15 1 1 1 1 2 1 1 1 1 1 1 VНатриев бикарбонатNaHCO3
15 1 1 1 1 1 1 3 1 1 1 1Натриев бисулфатNaHSO4
sat. 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 VНатриев карбонатNa2CO3
25 1 1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1 VНатриев хлоридNaCl
10 3 3 1 1 1 1 3 1 1 1 1Натриев хлоритNaClO2
Легенда: 1- устойчив; 2- сравнително устойчив; 3- неустойчив
- 125 -
Таблица 5 /5
Конструкционни материалиизолационни материали метали проводимост
mS /cm
Флуид К
онце
нтра
ция
при
20oС
Твъ
рд к
аучу
к (H
G)
Мек
кау
чук
(WG
) E
PDM
PT
FE
PHA
Е
маи
л
Al2
O3
ке
рам
ика
1.
4571
(316
SS)
Х
асте
лой
C-2
76
Тит
ан
Тан
тал
PT
/RH
пла
тина
род
ий
< 1
1
-4,9
5
-19,
9
> 20
50 1 2 1 1 1 1 1 2 1 1 2 1 VНатриев хидроксидNaOHНатриев нитратNaNO3
80 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 V
Натриев силикатNa4SiO4
1 1 1 1 1 1 2 2 1 1 1
3 2 3 1 1 1 1 2 1 1 1Карбонова киселина(COOH)2
100 3 3 3 3 3 1 1 1Oleum H2SO4 + SO3(концентрирана сярнакиселина)
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1КислородО2Парафин 1 3 1 1 1 1 1 1 1Петрол 100 2 1 3 1 1 1 1 1 1 1 v
100 3 3 3 1 1 1 1 1 1 1 1 1 vФенолC6H5OH
80 2 2 1 1 1 1 1 2 1 2 1 1 VФосфорна киселинаH3PO4
1 1 3 1 1 1 1 1 1 1 1ПропанC3H8
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 VЖивакHg
65 3 3 3 1 1 1 1 2 1 1 1 1 VАзотна киселинаHNO3
3 3 1 1 1 1 3 3 2 1 1 VСолна киселинаHClШоколад 1 1 1 1 1 1 1 1 v v v
sat. 2 3 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1 vСерен диокситSO2
Легенда: 1- устойчив; 2- сравнително устойчив; 3- неустойчив
- 126 -
Таблица 5 /6
Конструкционни материалиизолационни материали метали проводимост
mS /cm
Флуид К
онце
нтра
ция
при
20oС
Твъ
рд к
аучу
к (H
G)
Мек
кау
чук
(WG
) E
PDM
PT
FE
PHA
Е
маи
л
Al2
O3
ке
рам
ика
1.
4571
(316
SS)
Х
асте
лой
C-2
76
Тит
ан
Тан
тал
PT
/RH
пла
тина
род
ий
< 1
1
-4,9
5
-19,
9
> 20
Серниста киселинаH2SO3 sat. 2 3 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1Сярна киселинаH2SO4 60 1 1 1 1 1 1 1 3 3 3 3 1 VМорска вода 1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 VСолов разтвор 1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1 V
1 1 1 1 1 1 vАзотN2Терпентин 100 2 3 3 1 1 1 1 1 1 1 v
3 3 3 1 1 1 1 1 1 1 1ТрихлоретиленC2Cl4Трансформаторномасло 1 2 3 1 1 1 1 1 1 1 v
3 3 3 1 1 1 1 1 1 1 1ТрихлоретанC2H3Cl3
100 3 3 3 1 1 1 1 1 1 1 1ТрихлоретиленCHCl=CCl2Вазелин 3 2 3 1 1 1 1 1 1 1 v
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1ВодаH2O
2 1 1 1 1 1 2 1 1 1ВодородH2
30 3 3 2 1 1 1 1 2 1 1 1ПерхидролH2O2Вино 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 V
1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 vВинена киселинаC4H6O6Целулозен лак 1 1 1 1 1 1 1 1 1Цинков хлорид 60 2 2 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1
Легенда: 1- устойчив; 2- сравнително устойчив; 3- неустойчив
- 127 -
Литература:
1. Flow Handbook 1. Edittion 1989 english. Endress+Hauser Flowtec AG
ISBN 3_905615_02_9.
2. А. Кирий. Измерване на топлинни, хидравлични и мехенични величини.
Държавно издателство “ТЕХНИКА” 1989
3. П. П. Кремлевский. Разходомеры и счетчики количества. Ленинград,
Машиностроене, 1975.
4. В. А. Григорева, В. М. Зорина. Теоретические основы теплотехники.
Теплотехнический эксперимент справочник. Москва, Энергоатомиздат,
1988.
5. www.endress.com 6. www.rosemount.com 7. www.siemens.com/processinstrumentation 8. www.abb.com/instrumentation 9. www.intra-automation.de