рефераты конспекты курсовые дипломные лекции шпоры

Реферат Курсовая Конспект

Физические основы измерения расхода газообразных и жидких сред.

Физические основы измерения расхода газообразных и жидких сред. - раздел Транспорт, Автоматизация систем водоснабжения и водоотведения Расходом Вещества Называется Его Количество (По Массе Или Объему) Приходящий ...

Расходом вещества называется его количество (по массе или объему) приходящий в единицу времени через данное сечение канала (трубопровода).

В связи с этим различают:

Массовый расход –как масса вещества проходящего через поперечное сечение потока в единицу времени. Единицы измерения является кг/с.

Объемный расход –как объемное количество ве­щества в м3, проходящее в сечение потока в единицу времени. Единицы измерения является м3/с. В практиеке измерения расхода часто применяется вне системные единицы: килограмм в час (кг/ч) и тонна в час (т/ч), а для объемного — кубический метр в минуту (м3/мин), кубический метр в час (м3/ч), литр в секунду (л/с), литр в минуту (л/мин) и литр в час (л/ч).

Для получения сравнимых результатов измерений объемный расход газа приводят к нормальным условиям, которыми при про­мышленных измерениях считаются: температура Tном = 293,15 К (или tНОМ = 20 °С); давление pном = 101 325 Па (1,0332 кгс/см2); от­носительная влажность ф = 0.

Устройство для измерения количества вещества, протекающего через сечение трубопровода за некоторый промежуток времени (смену, сутки и т.д), называют счетчиком количества.При этом количество вещества определяется как разность двух показаний счетчика — в начале и в конце этого промежутка. По­казания счетчика выражаются в единицах объема, а иногда — в единицах массы.

Устройство для измерения расхода, т.е. количества вещества, протекающего через данное сечение трубопровода в единицу вре­мени — час (ч), называют расходомером,а для измерения расхода и количества вещества одновременно — расходомером со счетчи­ком.Счетчики (интегрирующие устройства) могут быть встроены практически во все приборы, измеряющие расход.

По методу измерения расхода в промышленной практике наибольшее распространение следующие группы расходомеров:

- расходомеры переменного перепада давления;

- электромагнитные расходомеры;

- ультразвуковые расходомеры.

3.1.1 Принцип измерения расхода вещества методом переменного перепада давления, создаваемого установленный внутри трубопровода сужающие устройство от расхода вещества.

∆Р=f(G)

В более конкретном виде эта зависимость выражается следующими формулами

;

;

где ∆р=р12перепад давления в сужающем устройстве, Па; d -диаметр отверстия сужающего устройства при темпера­туре измеряемой среды, мм; ρ — плотность среды в рабочих условиях, кг/м3; α— коэффициент расхода, определяемый в зависимости от типа сужающего устройства (величина без­размерная); ε — безразмерный поправочный множитель на расширение измеряемой среды, определяемый эксперимен­тально (для несжимаемой жидкости E = 1);F0 – площадь сечения, открытого канала сужающего устройства.

На рис.1 графически показано изменения перепада давления на участке внутри трубопровода, которого установлено сужающее устройство.

 

 

Из рисунка видно, что вместе установки сужающего устройства струя потока сужается, увеличивается ее скорость и как следствие уменьшается давление имеет минимальное значение в зоне II максимального сужения среды.

Типовой состав расходомера переменного перепада давления включает в себя следующее устройство и приборы:

- сужающее устройство (первичный преобразователь расхода);

- дифференциальный монометр;

- вторичный регистрирующий (показывающий, самопишущий, суммирующим устройством) прибор.

Сужающее устройство устанавливается непосредственно на трубопроводе. По конструкции его исполнения они могут быть следующего типа: плоская диафрагма; сопло; труба Вентури.

Первые применяются для чистых жидих газообразных сред; вторые – для относительно загрязненных; и третьих – для сильно загрязненных потоов жидкости.Типовые конструкции представлены на рис.2

 

 

Существуют особые правила (которые нормируются стандартом РД 50-411-83) установки сужающих устройств. Основными из которых является:

1. прямолинейность участка трубопровода до и после диафрагмы (не менее 20D трубопровода);

2. Отсутсвие запорной и регулирующий арматуры на прямолинейном участке;

3. Соосность сужающего устройства и трубопровода;

4. Полное заполнение трубопровода средой;

5. Установка в местах доступных для ремонта;

6. Соблюдение направления потока среды. Для диафрагмы со стороны острой кромки. Для сопла со стороны закругления. Для трубы Вентури со стороны малого конуса (дифузор).

Сужающее устройство бывают двух видов камерные и бескамерные. В первых типах сужающих устройств они помещаются в специальные отборные кольцевые камеры, собранные в комплект камерного сужающего устройства устанавливается между фланцами трубопровода.

Бескамерные устанавливаются непосредственно между фланцами трубопровода.

Отбор давления среды до и после сужающего устройства осуществляется от специальных импульсных труб (диаметром 10-12мм). Эти трубы привариваются непосредственно в трубопровод (для бескамерных) либо к правой, левой камеры для камерных.

Для отключения сужающего устройства на импульсных трубках устанавливается отключающии запорные вентеля. При измерении загрязненных сред после них могут устанавливатся разделительные сосуды мембранного типа.

Эти импульсные трубки с другой стороны подсоединяются дифференциальному монометру, который чаще всего устанавливается по месту рядом с участком трубопровода (настенная конструкция, напольная конструкция). Его установка должна быть установлена в таком месте где отсутствует вибрация, попадание влаги и возможность механического повреждения, а также в месте удобном для обслуживания.

Вторичный регистрирующий прибор как правило устанавливается в операторском помещении, с помощью специального соединительного электрического кабеля, он подключается к дифмонометру.

 

 

3.1.2 Другим методом измерения расхода жидких сред является электромагнитный метод. Расходомеры этого типа называются электромагнитными расходомерами. Физические основы измерения расхода этим методом основывается на зависимости электродвижующей силы возникаемой на электродах контактирующих жидкой электропроводящей средой проходящий через магнитное поле от скорости течения.

В общем случае эта зависимость выражается в следующей формуле

E = νBd

где ν – средняя скорость потока жидкости;

B – индукция магнитного поля; d – внутренний диаметр трубопровода.

Типовой состав электромагнитного расходомера включает:

- первичный преобразователь (датчик электромагнитного расходомера);

- усилитель преобразователь;

- вторичный регистрирующий прибор.

Примечание: в некоторых конструкциях электромагнитных расходомеров усилитель преобразователь и вторичный прибор выполняют в одном блоке.

Упрощенная конструкция электромагнитного расходомера представлена на рис.5

 

Включает следующии узлы: патрубок трубопровод, в котором установлено диаметрально устаеовлены два электрода в магнитную систему.

Первичный преобразователь выполненный в виде отдельного блока устанавливается непосредственно на трубопроволе. Усилитель преобразователь по месту рядом с первичным преобразователем (на стене, либо напольной конструкции). Регистрирующий прибор в операторском помещении. При применении электромагнитного расходомера предъявляются ряд требований, которые подробно изложено в инструкции этих приборов. Основными из них являются:

- наличие электропроводящей среды;

-полное заполнение трубопровода средой;

-отсутствие магнитных полей в зоне установке датчика;

-отсутствии вибрации;

-отсутствии попадание влаги;

-отсутствии механического повреждения;

-доступность в обслуживании расходомера.

Первичный преобразователь с усилителем, а усилитель со вторичным преобразователем соединяется с помощью специального электромагнитного кабеля. Изображение этого расходомера представлена на рис.6

 

 

 

 

 

3.1.3 Общая характеристика ультразвуковых расходомеров.

Акустическими называются расходомеры, основанные на измерении зависящего от расхода того или другого эффекта, возникающего при проходе акустических колебаний через поток жидкости или газа. Почти все применяе­мые на практике акустические расходомеры работают в ультразвуковом диапа­зоне частот и поэтому называются ультразвуковыми.

Они разделяются на расходомеры, основанные на перемещении акусти­ческих колебаний движущейся средой, и расходомеры, основанные на эффекте Допплера. Главное распространение получили приборы, основанные на изме­рении разности времен прохождения акустических колебаний по потоку и про­тив него. Значительно реже встречаются приборы, в которых акустические ко­лебания направляются перпендикулярно к потоку и измеряется степень откло­нения этих колебаний от первоначального направления. Приборы, основанные на явлении Допплера, предназначены в основном для измерения местной ско­рости, но они находят также применение

Ультразвуковые расходомеры обычно служат для измерения объемного расхода, потому что эффекты, возникающие при прохождении акустических колебаний через поток жидкости или газа, связаны со скоростью последнего. Но путем добавления акустического преобразователя, реагирующего на плот­ность измеряемого вещества, можно осуществить и измерение массового рас­хода. Приведенная пофешность ультразвуковых расходомеров лежит в широ­ких пределах от 0,1 до 2,5 %, но в среднем может быть оценена цифрами (0,5-1) %. Значительно чаще рассматриваемые расходомеры применяют для измерения расхода жидкости, а не газа, вследствие малого акустического со­противления последнего и трудности получения в нем интенсивных звуковых колебаний. Ультразвуковые расходомеры пригодны для труб любого диаметра, начиная от 10 мм и более.

При измерении расхода чистых жидкостей обычно применяют высокие частоты (0,1—10) МГц акустических колебаний. При измерении же загрязненных ве­ществ частоты колебаний приходится существенно снижать вплоть до несколь­ких десятков килогерц во избежание рассеяния и поглощения акустических ко­лебаний. Необходимо, чтобы длина волны была на порядок больше диаметра твердых частиц или воздушных пузырей. Низкие частоты применяют также при измерении расхода газов.

Излучатели и приемники акустических колебаний

Для ввода акустических колебаний в поток и для приема их на выходе из потока необходимы излучатели и приемники колебаний главные элементы первичных преобразователей ультразвуковых расходомеров При сжатии и рас­тяжении в определенных направлениях некоторых кристаллов (пьеэоэлементов) на их поверхностях образуются электрические заряды, и наоборот, если к этим поверхностям приложить разность электрических потенциалов, то пьезоэлемент растянется или сожмется в зависимости от ioi о, на какой из поверхностей будет больше напряжение - обратный пьезоэффект. На последнем основана работа излучателей, преобразующих переменное электрическое напряжение в акусти­ческие (механические) колебания той же частоты. На прямом пьезоэффекте работают приемники, преобразующие акустические колебания в переменные электрические напряжения.

Излучатели характеризуются пьезоэлектрическим модулем b - S/E (м/В),а приемники — пьезоконстантой по деформации h, где Е-напряжение на пьезо-элементе; S — размер упругой деформации. Эффективность излучателя растет с ростом Ь. Между h и b имеется зависимость , где Ep - модуль Юнга; - диэлектрическая проницае­мость; εε0 - электрическая постоянная (диэлектрическая проницаемость свобод­ного пространства). Следовательно, с ростом пьезомодуля b возрастает и пьезоконстанта h.Пьезоэлектрический эффект был обнаружен прежде всего у природного кварца. Но теперь в качестве излучателей и приемников акустических колеба­ний в расходомерах применяют почти всюду лишь пьезокерамические материа­лы, главным образом титанат бария ВаТiO3 и цирконат титаната свинца — твердый раствор цирконата PbZ203 и титаната PbTi03 свинца, имеющие боль­шой пьезомодуль b и высокую (1100—1500) диэлектрическую проницаемость, в несколько сот раз больше, чем у кварца. После специальной обработки по­верхности излучателей и приемников их покрывают слоем металла (в большин­стве случаев путем серебрения). К этому слою припаивают соединительные провода.

При чистых жидкостях целесообразно работать на высоких резонансных частотах fp и поэтому следует применять тонкие пьезокерамические пласти­ны. Для веществ, содержащих механические примеси или газовые пузыри, ко­гда необходима небольшая частота fp , приходится применять пьезокерамику

большой толщины или с двух сторон тонкой пьезокерамической пластины на­клеивать толстые металлические накладки. Излучатели и приемники в боль­шинстве случаев изготовляют в виде круглых дисков диаметром (10—20) мм, иногда менее.

 

Преобразователи ультразвуковых расходомеров

Преобразователь ультразвукового расходомера состоит из отрезка трубы, на котором установлены два или четыре пьезоэлемента. За редким исключени­ем применяют дисковые пъезоэлементы диаметром d и толщиной σ , дающие направленное излучение. Степень этой направленности зависит от волнового параметра , где - расстояние от излучателя до приёмника; - длина волны в измеряемом веществе.

Обычно диаметр пьезоэлементов берут в пределах (5—20) мм а их толщину σ в зависимости от частоты f по формуле σ = сp /2f. В частотных и времяимпульсных расходомерах выбирают высокую частоту (5—10) МГц, а

иногда даже и 20 МГц, потому что увеличение f способствует повышению точности измерения. В фазовых расходомерах частота выбирается так, чтобы при Qmax получить наибольшую разность фаз, которая может быть измерена фазометром. Обычно применяется частота от 50 кГц до 2 МГц. Это относится к жидкостям. В газовых же средах приходится снижать частоту до сотен и десятков килогерц из-за трудности создания в газах интенсивных акустических колебаний, особенно высокой частоты.

При малых диаметрах труб иногда применяют не дисковые, а кольцевые излучатели и приемники.

 

Рuc.1-Схемы преобразователей ультразвуковых расходомеров.

На рис. 1 показаны основные схемы преобразователей ультразвуковых расходомеров.В первых двух схемах (рис. 1,а,б) применяют кольцевые пьезо-преобразователи, создающие не направленное, а сферическое излучение. Первая из этих схем (а) одноканальная, в которой каждый из двух пьезоэлементов по очереди излучает и принимает акустические колебания. Вторая схема (б) двухканальная, средний пьезоэлемент — излучающий, а два крайних — приемные. Преобразователи сферического излучения применяются лишь в трубах весьма малого диаметра D, чтобы получить достаточную длину L измерительного участка, которая при угловом вводе направленного излучения была бы при малых значениях D очень мала. Получить большую длину L можно и с дисковыми преобразователями, если излучение направлено вдоль оси трубы (рис. 1, в, г), если имеется многократное отражение волны от стенки трубы (рис. 1, ж), если применены отражатели (рис. 1, д) или специальные волноводы (рис. 1, е). Последние особенно целесообразны при необходимости защиты пьезопреобразователя от агрессивной среды. Схема по рис. 1, г - двухканальная, остальные -

одноканальные. Значительно чаще применяются схемы с угловым вводом направленных акустических колебаний. На рис. 1, ж - к показаны одноканальные, а на рис. 1, л, м - двухканальные схемы. В большинстве случаев (рис. 1, ж—и, л, м) трубопроводы снабжаются особыми впадинами - карманами, в глубине которых помещены пьезоэлементы. Полости карманов могут быть свободными (рис. 1, ж, з, л, м) или же заполнены звукопроводом из металла или органического стекла (рис. 1, и). В некоторых случаях (рис. 1, к) пьезоэлементы находятся снаружи трубопровода. Они передают акустические колебания через металлический, а иногда и жидкостный звукопровод стенки трубы и далее измеряемому веществу. Преобразователи по схемам на рис. 1, и, к работают с преломлением звукового луча. Особая схема преобразователя с многократным отражением показана на рис. 1, ж. Для увеличения пути звуковой луч движется зигзагообразно, отражаясь от противоположных стенок канала.

Преобразователи со свободными карманами во избежание их засорения применяют лишь для чистых и неагрессивных сред. Тем не менее, некоторые фирмы предусматривают подвод воды для очистки. Другой их недостаток - возможность появления вихреобразования. Это влияние уменьшается с уменьшением отношения dk/D, где dk - внутренний диаметр кармана.

Преобразователи с преломлением (рис. 1, и, к) лишены этих недостатков. Кроме того, они способствуют снижению реверберационной погрешности, так как предотвращают попадание на приемный элемент отраженных колебаний. Но при изменении температуры, давления и состава измеряемого вещества угол преломления и скорость звука в материале звукопровода будут изменяться.

Важное преимущество преобразователей с внешними пьезоэлементами (рис. 1, к) — это отсутствие контакта с измеряемым веществом и ненарушение целостности трубопровода. Однако в нем имеется повышенный уровень паразитных сигналов и помех, вызванных прохождением акустических колебаний по стенке трубы, и чувствительность его значительно хуже.

Принцип действия и разновидности расходомеров.

В большинстве случаев плоскости излучающих и приемных пьезоэле-
ментов расположены под некоторым углом θ к оси трубы. Тогда акустические колебания под углом а = 900 - θ к оси трубы проходят в измеряемом вещест­ве путь длиною L. Обозначим через vL скорость потока, усредненную по длине L. Ее проекция на направление L будет vL cosα. Если звуковой луч направлен в сторону движения потока, то время τ1, прохождения им расстояния L определится из уравнения τ1=L/(c+ vL cosα), где с — скорость распространения акустических колебаний в неподвижном измеряемом веществе. При обратном направлении звукового луча время τ 2 прохождения им того же расстояния L будет больше, как это следует из уравнения τ 2= L/(c- vL cosα), . Придав этим уравнениям вид τ1=(L/c)/(1+( vL cosα)/c)-1 и τ2=(L/c)/(1-( vL cosα)/c)-1

и, вычитая одно из другого, получим

 

 

 

Учитывая, что vL cosα/c <103, найдем

 

 

Если акустические колебания направлены вдоль оси трубы, cosα=1 и , где vс - осевая скорость потока.

Таким образом, разность времен прямо пропорциональна скорости vс или vL .

Имеется несколько способов измерения очень малого значения : фа­зовый, при котором измеряется разность фазовых сдвигов акустических колеба­ний, направляемых по потоку и против него (фазовые расходомеры); времяимпулъсный метод, основанный на непосредственном измерении разности време­ни прохождения коротких импульсов по потоку и против него (времяимпульсные расходомеры); частотный метод, при котором измеряется разность частот повторения коротких импульсов или пакетов акустических колебаний, направ­ляемых по потоку и против него (частотные расходомеры). Наибольшее рас­пространение получил последний метод и его разновидности.

По числу акустических каналов ультразвуковые расходомеры подразделяются на однолучевые (одноканальные), двухлучевые (двухканальные) и много­лучевые (многоканальные). У первых имеются только два пьезоэлемента, каж­дый из которых по очереди выполняет функции излучения и приема. Их суще­ственное достоинство - отсутствие пространственной асимметрии акустических каналов, зависящих от различия их геометрических размеров, а также различия температур и концентрации потока в них. Вторые имеют два излучателя и два приемника, образующих два независимых акустических канала, которые распо­лагаются параллельно или перекрещиваются друг с другом. Многоканальные применяются при необходимости измерения расхода деформированных пото­ков или же для достижения повышенной точности, в частности, в случае при­менения ультразвукового расходомера в качестве образцового.

 

Фазовые ультразвуковые расходомеры.

Фазовыми называются ультразвуковые расходомеры, основанные на за­висимости фазовых сдвигов ультразвуковых колебаний Δφ, возникающих на приёмных пьезоэлементах, от разности времён Δτ прохождения этими колеба­ниями одного и того же расстояния L по потоку движущейся жидкости или газа и против него. Действительно, при условии, что начальные фазы обоих колеба­ний, имеющих период Т и частоту f; совершенно одинаковы, получим:

 

Подставляя отсюда значение Δτ в уравнение , по­лучим зависимость между Δφ и средней скоростью потока vL, по длине L для угловых преобразователей:

 

, где ω=2πf- круговая частота колебаний.

Для преобразователей с осевым направлением излучения α = 0 и

 

При отсутствии карманов, заполненных измеряемым веществом,

и

Тогда получим:

 

 

Для осевых преобразователей при α = 0 эта формула не имеет смысла.

Когда импульсы ультразвука посылаются под углом к оси трубопровода,

то их направление в одном канале совпадает с направлением потока, а в другом направлено против потока. При отсутствии движения жидкости время передачи импульса на расстояние d:

где τ — время передачи импульса, с:

с— скорость распространения звука в жидкости, м/с.

Если жидкость движется со скоростью и, компонента скорости в направлении распространения звука выразится как (v cos θ). Время распространения импульса между излучателями по направлению потока и против него, соответственно:

,

Разность частот в обоих каналах:

 

где Δf— разность частот, Гц.

θ - угол, под которым волны распространяются в жидкости.

 

 

 

Рис. 2. Схема фазового ультразвукового расходомера УЗР-1

 

Таким образом, разность частот, характеризующих скорость движения жидкости, зависит только от этой скорости.

Применение ультразвуковых расходомеров обеспечивает бесконтактное измерение расхода и используется там, где другие методы неприменимы. Из-за сложности эти приборы не получили широкого распространения, однако следу­ет ожидать, что в ближайшее время они найдут области применения, в том числе и в пищевой промышленности.

Более простые электронные схемы имеют двухканальные фазовые расходомеры (рис 2).

Генератор Г с помощью согласующих трансформаторов связан с пьезо-элементами И1 и И2. Ультразвуковые колебания, излучаемые последними, проходят через жидкостные волноводы 1, мембраны 3, герметично вмонтированные в стенки трубопровода, проходят через измеряемую жидкость 2 и затем через мембраны 5 и жидкостные волноводы 6 поступают на приемные пъезоэлементы П1 и П2. Последние на выходе соединены с фазометрической схемой в составе фазорегулятора ФВ; двух одинаковых усилителей У1 и У2, управляемых узлами автоматической регулировки АРУ1 и АРУ 2; фазового детектора ФД и измерительного прибора (потенциометра) РП. Фазорегулятор ФВ предназначен для регулировки начальной точки фазового детектора и корректировки нуля. Приведенная погрешность расходомера ±2,5 %.

Фазовые расходомеры были раньше самыми, распространенными среди ультразвуковых, но в настоящее время преимущественное применение имеют частотные расходомеры, с помощью которых можно получить более высокую точность измерения.

Частотные ультразвуковые расходомеры.

Частотными называются ультразвуковые расходомеры, основанные на
зависимости разности частот повторения коротких импульсов или пакетов ульт­развуковых колебаний от разности времен Δτ прохождения этими колебаниями одного и того же расстояния L по потоку движущейся жидкости или газа и про­тив него.

В зависимости от того, измеряются ли разности частот пакетов ультразвуковых колебаний или коротких импульсов, проходящих через жидкость или газ, расходомеры называются частотно-пакетными или частотно импульсными. Принципиальная схема последнего с двумя акустическими каналами показана на рис. 3. Генератор Г создает колебания высокой частоты (10 МГц), которые после прохода через модуляторы Ml и М2 поступают к пьезоэлементам И1 и И2.

Время Т, прохода акустических колебании между пьезоэлементами И1 и П1равно L/(c + v cos α), a время Т2 прохода между пьезоэлементами И2 и П2 равно L/(c - v cos α). Как только первые электрические колебания, создаваемые пьезоэлементами П1 и П2, пройдя через усилители У1 и У2 и детекторы Д1 и Д2, достигнут модуляторов Ml и М2, последние, работающие в триггерном режиме, запирают проход колебаний от генератора Г к пьезоэлементам И1 и И2. Модуляторы открываются вновь, когда последние колебания достигнут их. Поэтому между пьезоэлементами И1 и П1 будут проходить пакеты акустических колебаний с периодом следования 1 а между пьезоэлементами И2 и П2 - с периодом следования 2. Частота следования первых пакетов f1=1/2Т2, а вторых f2=1/2T1. Прибор, подключенный к смесительному каскаду СМ, будет измерять разность частот

 

Рис.З. Частотный пакетный двухканальный расходомер: а - схема расходомера, б-колебания на тракте И1-П1, в - колебания на тракте И2-П2 г - работа модулятора Ml, д работа модулятора М2

f1- f2=1/2T1-1/2Т2

Если учесть время прохождения акустических колебаний через мембраны пьезоэлементов толщиною lм и звукопроводы толщиною l3, а также время t3 прохождения сигнала через электрическую схему, то

T1=L/(c+ vcosα)+2lм/cм+2lз/cз+tэ T2=L/(c- vcosα)+ 2lм/cм+2lз/cз+tэ

где см и cз - скорости звука в материалах мембраны и звукопровода соответственно. Очевидно, f1- f2=v Lcosα(L+2lм/cм+2lз/cз+tэс)-2

где L = D/sinα+2l; l - длина свободных угловых карманов. Если l=0; lм=0, lз =0 и tэ=0, то получим f1- f2=vDsinα/2D

Учитывая незначительность l, lм и lз по сравнению с L, а также очень малое значение tэ можно говорить о практической независимости показаний расходомера от изменения с, см и сэ. Высокая рабочая частота необходима для получения крутых фронтов акустических колебаний, определяющих точность работы схемы.

В частотно-импульсных расходомерах генератор вырабатывает не непрерывные колебания, а короткие импульсы. Последние поступают к излучающим пьезоэлементам с интервалами, равными времени прохождения ультразвука по и против скорости потока. У них частоты f1 и f2 в два раза больше, чем у частотно-пакетных расходомеров

 

 

 

Рис.4. Схема одноканалъного частотного расходомера

Незначительная разность f1-f2 у частотных расходомеров существенный недостаток, затрудняющий точное измерение f1-f2. Поэтому предложено несколько способов увеличения f1-f2, реализованных в частотных расходомерах построенных в большинстве случаев по одноканальной схеме. К числу этих способов относится выделение из частот f1 и f2n гармоники и измерение разностной частоты n(f1-f2), а также умножение разности f1-f2 в k раз перед поступ­лением в измерительное устройство. Способы умножения разностной частоты могут быть различны.

На рис. 4 приведена схема, в которой измеряется разность частот двух управляемых генераторов, периоды которых с помощью автоматической подстройки частоты устанавливаются в k раз меньшими времени распространения ультразвуковых колебаний в направлении скорости потока и против нее. Преобразователь расхода одноканальный имеет пьезоэлементы 1 и 2, к которым образователь расхода одноканальный имеет пьезоэлементы 1 и 2, к которым поочередно поступают импульсы: к первому от генератора 4 с периодом повторения Т1, а ко второму от генератора 8 с периодом повторения Т2. Время про хождения акустических импульсов в трубопроводе по потоку Т1 и против него Т2 в к раз больше периодов Т1 и Т2 соответственно. Поэтому в потоке одновременно будет находиться К импульсов. При посылке акустических импульсов по потоку коммутатор 5 одновременно подключает пьезоэлемент 1 к генератору 4, а пьезоэлемент 2 к усилителю приемных сигналов 6. При обратной посылке ипульсов генератор 8 подключается к пьезоэлементу 2, а усилитель 6 к пьезоэлементу 1. С выхода усилителя 6 импульсы поступают на вход дискриминатора времени 10, на который одновременно через коммутатор 9 поступают импульсы от генератора 4 или 5, создающие опорное напряжение на дискриминаторе. Напряжение на выходе дискриминатора равно нулю, если импульсы от усилителя 6 поступают одновременно с импульсами от генераторов, что будет если τ1=kT1 и τ2=kT2. В противном случае на выходе дискриминатора возникнет напряжение, полярность которого зависит от того, опережают ли или отстают от опорных импульсы от усилителя 6. Это напряжение через коммутатор 11 подается через усилители к реверсивным двигателям 3 или 7, которые изменяют частоту импульсов генераторов 4 и 8 до тех пор, пока напряжение на выходе дискриминатора станет равным нулю. Разность частот импульсов F1-F2, вырабатываемых генераторами 4 и 8, измеряется частотомером 12. Очевидно, F1 — F2 =k(f1-f2), где f1=1/τ1; f2=1/τ2 ; F1=1/Т1=k/ τ1; F2 =1/Т2=k/ τ2. С увеличением k возрастает измеряемая частота F1 — F2, но k должно удовлетворять неравенству k≤cmin/2(cmax — cmin). Последнее требует чтобы значение k оставалось постоянным при возможном изменении скорости ультразвука от минимального Cmin до максимального сmах его значения. При определении f1 и f2 необходимо, чтобы τ1 и τ2 учитывали также и время прохождения акустических колебаний в мембране и звукопроволе, а также время τэ задержки в электрической схеме. В моменты изменения расхода время τэ возрастает за счет времени, необходимого для включения двигателей и изменения Т1и Т2 до требуемых значении. Расходомеры, аналогичные рассмотренному иногда называют частотно-временными.

Погрешность измерения расхода не превышает ±1 %.

 

Времяимпульсные ультразвуковые расходомеры.

Времяимпульсными называются ультразвуковые расходомеры, в которых измеряется разность времен Δτ перемещения коротких импульсов по направлению потока и против него на длине пути L. Эта разность Δτ связана со средней скоростью vL уравнением Δτ=2L vL cosα/c2. Если L=D/sinα, то Δτ=2D vD ctgα/c2. Для осевых преобразователей α = 0 и Δτ = 2lv> / c2.

Значение Δτ очень мало: 10-6 -10-7 с, а погрешность измерения должна быть не более 10-8-10-10с. Времяимпульсные расходомеры в большинстве случаев одноканальные и работают на очень коротких импульсах длительностью 0,1—0,2 мкс, посылаемых навстречу друг другу поочередно или одновременно с частотой, например 0,5 кГц.

 

 

 

Рис.9 Схема одноканального времяимпулъсного расходомера: а-скема расходомера, б - работа вибраторов, в,г - импульсы, воспринимаемые и излучаемые пъезоолементами П1 и П2 соответствен-

но, д,е -работа устройств С1 и С2, вырабатывающих напряжение

 

На рис. 5,а приведена упрощенная схема одного времяимпульсного расходомера. Генератор Г создает импульсы, имеющие амплитуду 700 В, длительностью 0,2 мкс и частоту следования 800 Гц, которые с помощью вибраторов В1 н В2, работающих с частотою 400 Гц, подаются поочередно к пьезоэлементам П1 и П2. Последние посылают в жидкость быстро затухающие ультразвуковые импульсы (рис 5, в и г), а вибраторы В1 и В2 включают зарядные устройства ЗУ 1 или ЗУ2. От генератора Г одновременно поступает импульс к пьезоэлементу П1 и импульс к триггеру ЗУ2, устанавливая его в активное состояние проводимости. При этом включается устройство С2, вырабатывающее пилообразное напряжение в течение времени τ1, прохождения ультразвука через измеряемое вещество. Максимальное значение U этого напряжения пропорционально τ1. В момент прихода ультразвукового импульса к пьезоэлементу П2 устройство С2 отключается. Таким же образом за время τ2, прохода ультразвукового импульса против потока от П2 к П1 устройство С1 вырабатывает напряжение U2, пропорциональное τ2. Разность напряжений U2 - U1 измеряется устройством ИУ.Такои цикл повторяется 400 раз в секунду.

 

Наладка ультразвуковых расходомеров.

При подготовке к проведению измерений ультразвуковым расходомером необходимо помнить, что точность измерений и эффективность работы расходомера в значительной мере определяются качеством выполнения монтажных работ. При этом большую роль играет грамотный выбор места установки преобразователей электроакустических (ПЭА), т.к. свойства рабочей жидкости, режим ее течения и характеристики трубопровода в месте установки ПЭА достаточно сильно влияют на погрешность проводимых измерений. Рассмотрим подробнее факторы, которые необходимо учитывать при определении места остановки ПЭА.

 

Требования к свойствам рабочей жидкости

Одним из основных параметров, который используется при определении скорости потока и вычислении расхода рабочей жидкости, является скорость распространения ультразвуковых колебаний в измеряемой среде (скорость ультразвука), зависящая от химического состава жидкости, ее температуры и давления. Ультразвуковые колебания (ультразвук) сильно поглощаются при распространении в газовой среде, в связи с чем, рабочая жидкость должна удовлетворять следующим требованиям:

а) жидкость должна быть однородной и однофазной.

Твердые частицы и пузырьки газа поглощают и рассеивают ультразвук.

Как показывает практика, это может сделать невозможным распространение

ультразвука в жидкости или создать помеху для корректного измерения пара

метров потока.

б) отсутствие газовыделения в жидкости.

В ряде жидкостей (кислоты, щелочи) при понижении давления может

происходить газовыделение, что затрудняет процесс измерения.

в) жидкость должна быть акустически прозрачной.

Некоторые жидкости, обладающие большой вязкостью, значительно поглощают энергию ультразвуковых колебаний. Как правило, с увеличением температуры поглощающие свойства вязких жидкостей уменьшаются, а при температурах более 80°С такие жидкости становятся прозрачными для ультразвуковых колебаний.

 

Требования к режиму течения жидкости

Расходомеры работают с минимальной погрешностью на полностью заполненных трубопроводах при осесимметричном потоке. Наличие гидравлических сопротивлений (колена, тройники, запорная арматура и т.д.) приводит к искажению эпюры скоростей потока. Восстановление осесиммеричного характера потока происходит на определенном расстоянии от гидравлического со­противления. Исходя из этого, режимы течения жидкости должны быть следующими:

 

а) жидкость должна полностью заполнять трубопровод

Это требование выполняется в напорных трубопроводах. В противном случае сечение потока жидкости будет отличаться от сечения трубопровода, что приведет к искажению результатов измерения параметров потока, а при понижении уровня жидкости до места расположения хотя бы одного из ПЭА (преобразователь электроакустический), процесс измерения прекратится.

 

б) в месте установки ПЭА не должно быть газовой ловушки.

Любая жидкость, если не предприняты специальные действия, содержит растворенный в ней газ. В процессе течения жидкости этот газ может выделяться и скапливаться в верхней точке участка трубопровода. Образованная таким образом газовая ловушка будет либо препятствовать прохождению ультразвука, либо уменьшать сечение и искажать эпюру скоростей потока.

в) газ не должен попадать в трубопровод.

При закачке жидкости из открытого водоема (бассейна) при определенном соотношении уровня жидкости и скорости потока образуется воронка, через которую газ может засасываться в трубопровод. В процессе эксплуатации насосов возникновение в них конструктивных дефектов или нарушение режима их работы также может привести к подсасыванию воздуха из атмосферы в трубопровод или к кавитации на лопастях насоса. Проведение измерений в перечисленных случаях будет затруднено из-за поглощения ультразвукового сигнала пузырьками воздуха. Однако, по характеру изменения амплитуды и формы принимаемого сигнала можно оценивать условия эксплуатации насосов и предотвращать их поломку, т.к. длительная эксплуатация насоса в описанных выше режимах приведет к выходу его из строя. Существуют технологические процессы которые предусматривают ввод газового реагента в поток жидкости. В этом случае место установки ПЭА должно располагаться выше по течению потока относительно места ввода реагента.

г) трубопровод должен иметь прямолинейные участки

Для обеспечения осесимметричной эпюры скоростей в плоскости установки ПЭА, их размещение на трубопроводе должно быть выполнено таким образом, чтобы длина прямолинейных участков трубопровода до места измерения и после него соответствовала определенным значениям. На этих участках должны отсутствовать любые дополнительные гидравлические сопротивления например, клапаны, задвижки (даже полностью открытые), конфузоры и диффузоры, гильзы для термометров и термодатчиков, отводы для манометров и др.

Требования к состоянию трубопровода

а) внутренняя поверхность трубопровода должна быть относительночистой.

Значительные наросты накипи и ржавчины приводят к рассеиванию и (или) поглощению ультразвукового сигнала. Тонкая пленка или твердый и плотный нарост на внутренней стенке трубопровода, как правило, не оказывают существенного влияния на работоспособность расходомера. Рыхлый нарост и толстая пленка из материала, который плохо проводит ультразвук (например, пленка из смолы, мазута или парафинов) могут привести к нестабильной работе расходомера из-за малой амплитуды принимаемого сигнала или к невозможности проведения измерений.

б) наружная поверхность трубопровода должна быть гладкой.

Накладные ПЭА должны находиться в плотном контакте со стенкой трубопровода равномерно по всей длине датчика. Стенка должна быть гладкой очищенной от краски. Материал контактной смазки должен заполнять микрозазор между излучающей поверхностью ПЭА и стенкой трубопровода. При нанесении смазки соответствующие поверхности трубопровода и ПЭА обязательно должны быть сухими и чистыми.

в) материал трубопровода должен хорошо пропускать ультразвук.

Некоторые материалы, применяемые для изготовления труб или их внутреннего покрытия (например, тефлон, некоторые виды пластмасс, пористый чугун) поглощают ультразвук. При механической обработке по определенной технологии стальной трубы на ее внутренней поверхности может образоваться тонкая пленка (толщиной доли миллиметра), полностью поглощающая ультразвуковые колебания. На практике встречались случаи, когда в месте установки одного из ПЭА, стенка трубопровода содержала дефекты в виде микрополостей, что приводило к рассеиванию ультразвукового сигнала. Выявить подобные дефекты, как правило, можно лишь экспериментальным путем, устанавливая датчики в разных местах трубопровода и контролируя амплитуду принимаемого сигнала. В общем случае, величина толщины стенки трубопровода (если она измерена с необходимой точностью) не сказывается на работо­способности прибора и результатах измерений.

Суммируя все вышесказанное, перечислим требования и рекомендации, которые необходимо учитывать при выборе места установки ПЭА:

* на участке трубопровода в месте установки ПЭА и на прямолинейных участках (длина которых устанавливается по таблицам приложений к конкретному типу УРСВ в зависимости от типа местного сопротивления и диаметра трубопровода) до и после ПЭА не должен скапливаться воздух;

* режимы эксплуатации трубопровода должны исключать интенсивное газообразование;

* трубопровод должен быть полностью заполнен жидкостью;

* не рекомендуется устанавливать ПЭА на верхнем и ниспадающем участке;

* наиболее подходящие места для установки ПЭА — нижний или восходящий участки трубопровода;

* запрещается устанавливать ПЭА в вертикальной плоскости (для горизонтальных трубопроводов);

* рекомендуется устанавливать ПЭА под углом 45 градусов к вертикали;

* не рекомендуется устанавливать ПЭА на участках трубопровода, имеющих большие отложения на внутренних стенках (старые трубы);

* диаметр трубопровода в плоскости установки ПЭА не должен отличаться от среднего диаметра более чем на 1,5 %;

* для трубопроводов с внутренним диаметром Ду менее 300 мм ПЭА рекомендуется устанавливать по V - схеме (ПЭА располагаются на одной стороне трубопровода относительно его оси), а с Ду более 300 мм - по Z - схеме (ПЭА располагаются с противоположных сторон трубопровода относительно его оси);

* длины прямолинейных участков перед первым по потоку и после второго ПЭА должны обеспечивать заданную точность измерений.

 

Измерение параметров трубопровода

Точность измерений параметров потока не может быть выше, чем точность программируемых параметров, поэтому метрологические характеристики средств измерений, которые используются при измерении параметров трубопровода должны быть согласованы с требуемой точностью измерения параметров потока.

Перед проведением измерений необходимо очистить участок трубопровода от теплоизоляции, наростов из ржавчины, цемента, грязи и т.п. Длина очищенного участка - приблизительно 1 Ду, при установке ПЭА по Z-схеме, и приблизительно 1,5 Ду, при установке ПЭА по V-схеме.

Измерение длины окружности трубопровода

Измерение длины окружности трубопровода выполняется рулеткой с ценой деления 1мм в двух сечениях, отстоящих друг от друга на расстоянии 0,5 Ду при установке ПЭА по Z-схеме, и 1 Ду, при установке ПЭА по V-схеме, по три раза в каждом сечении.

 

 

 

Измерение наружного диаметра трубопровода.

Выполняется измерительной скобой (или кронциркулем и рулеткой или штангенциркулем) в четырех плоскостях каждого выбранного сечения, по три раза в каждой плоскости.

Определение наружного диаметра трубопровода в плоскости

установки ПЭА.

Измерения выполняются измерительной скобой (или кронциркулем и рулеткой, или штангенциркулем) в местах предполагаемой установки ПЭА, по три раза в каждом. Рассчитывается среднее значение наружного диаметра трубопровода в плоскости установки ПЭА.

При отсутствии перечисленных выше измерительных инструментов допускается использование в качестве значения наружного диаметра трубопровода в плоскости установки ПЭА, среднею значения наружного диаметра трубопровода.

 

Измерение толщины стенки трубопровода

Выполняются ультразвуковым толщиномером с основной погрешностью не более 0,1 мм в четырех точках, равномерно расположенных по длине окружности в плоскости установки каждого ПЭА по три раза в каждой точке. Рассчитывается среднее значение толщины стенки трубопровода.

 

Разметка трубопровода

 

На горизонтальных трубах ПЭА рекомендуется устанавливать таким образом, чтобы плоскость, проходящая через ПЭА и ось трубопровода, находилась под углом 45° к вертикали. Запрещается на горизонтальном трубопроводе устанавливать ПЭА в вертикальной плоскости, т.е. когда один ПЭА находится на верхней части трубопровода, а другой - на нижней. Это связано с тем, что в верхней части трубопровода может скапливаться газ, а в нижней – отложения. Это, в свою очередь может вызвать ослабление или полное поглощение ультразвукового сигнала. Для вертикальных труб таких ограничений нет. Исключение составляют участки трубопровода с ниспадающим потоком, которые могут оказываться незаполненными жидкостью в процессе эксплуатации.

В данном случае при установке ПЭА по V-схеме разметка трубопровода производится следующим образом. На одном из сечений, где проводились измерения параметров трубопровода, отметить точку, соответствующую центру одного из ПЭА. Из этой точки провести в сторону второго ПЭА линию, параллельную оси трубопровода, длиной, равной Ду. Отметить точку, соответствующую центру второго ПЭА.

 

 

– Конец работы –

Эта тема принадлежит разделу:

Автоматизация систем водоснабжения и водоотведения

Областное государственное образовательное учреждение.. Высшего профессионального образования.. Астраханский инженерно строительный институт..

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: Физические основы измерения расхода газообразных и жидких сред.

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Все темы данного раздела:

Основные термины и понятия курса автоматизация
  Под автоматизациейпонимают при­менение технических средств и систем управления, частично или полностью освобождающих человека от непосредственного учас­тия в процес

Методологические принципы разработки схем автоматизации
Основу проектной документации любого объекта, в том числе водоснабжения и водоотведения составляет функциональная схема автоматизации (ФСА). ФСА - это технический документ, определяющий ст

Перечень отображаемых элементов на ФСА технологического процесса.
1. Технологическая схема объектов управления. 2. Приборы, средства автоматизации и управления. 3. Агрегативные комплексы, машины централизованного контроля, управляющие вычислител

Рекомендации по изображению технологического оборудования и коммуникаций на функциональной схеме автоматизации на ФСА.
1. Технологическое оборудование и трубопроводы должны соответствовать технологической схеме объекта управления, принятой в технологической части проекта. 2. Технологическое оборудование на

Изображение приборов и средств автоматизации
• На функциональной схеме изображаются все приборы, средства автоматизации и управления, необходимые для оснащения данного объекта, включая средства автоматизации, которые входят в комплект поставк

Изображение линий связи
• Линии связи между приборами и средствами автоматизации на схеме автоматизации изображаются одной тонкой сплошной линией независимо от вида сигналов и количества проводов или труб. Подвод линий св

Позиционные обозначения приборов, средств автоматизации и электроаппаратуры.
Всем приборам и средствам автоматизации, изображенным на ФСА, присваиваются позиционные обозначения, сохраняющиеся во всех документах проекта. На стадии проекта всем приборам рекомендуется присваив

Методика расчета первичного преобразователя расходомера переменного перепада давления.
Выаод уравнения в зависимости расхода вещества от перепада давления в качестве исходной информации принимаем: - уравнение неразрывности потока при ; (1) - уравнение Бернулли (для

Последовательность расчета сужающего устройства
Формирование исходных данных. · Вид измеряемой среды (вода, пар, газ и др.). · Давление среды P. · Температура среды t. · Максимальный и минимальный расход Qmax

Гравитационные манометры
Гравитационные манометры основаны на сравнении измеряемого давления с известным, образованным гидростатическим давлением / либо массой столба / жидкости или массой твердого тела.  

На трубке Бурдона.
  Чувствительные элементы всех манометров воспринимают два давления – Р1 и Р2 и вырабатывают сигнал, пропорциональный их разности. Дифманометры также могут испол

Основы поверки манометров
  6.1 Операции поверки При проведении поверки выполняют следующие операции: - внешний осмотр; - опробование; - определение основной погрешности дат

Измерения уровня
Для ведения технологических процессов большое значение имеет контроль за уровнем жидкостей и твердых сыпучих материалов в производственных аппаратах. Кроме того, зная площадь любой емкости, по вели

Буйковые уровнемеры
В буйковых уровнемерах применяется неподвижный погруженный в жидкость буек. Принцип действия буйковых уровнемеров основан на том, что на погруженный буек действует со стороны жидкости выталкивающая

Гидростатические уровнемеры
Гидростатический способ измерения уровня основан на том, что в жидкости существует гидростатическое давление, пропорциональное глубине, т. е. расстоянию от поверхности жидкости. Поэтому для измерен

Радиоизотопные уровнемеры
Такие уровнемеры применяют для измерения уровня жидкостей и сыпучих материалов в закрытых емкостях. Их действие основано на поглощении у-лучей при прохождении через слой вещества. В радиои

Ультразвуковые и акустические уровнемеры
Действие уровнемеров этого типа основано на измерении времени прохождения импульса ультразвука от излучателя до поверхности жидкости и обратно. При приеме отраженного импульса излучатель становится

Радарный датчик уровня, принцип действия.
В датчиках уровня используются самые передовые технологии в области СВЧ и микропроцессорной техники. Датчики уровня являются "интеллектуальными" устройствами, объединяющими в себе и измер

Изучение грузопоршневого манометра.
Грузопоршневые манометры являются материальной основой поверочного дела в области измерений давлений от единиц килопаскалей до гигапаскаля и более. Они являются наиболее изученными и надёжными приб

Условия поверки подготовка к ней.
При проведении поверки должны быть соблюдены нормальные условия, указанные в ГОСТ 8291-83 “Манометры избыточного давления грузопоршневые. Общие технические требования”.Поршень манометра должен быть

Проведение поверки
Внешний осмотр При внешнем осмотре должно быть установлено соответствие поверяемого манометра требованиям ГОСТ 8291-83 в части: - наличия технического описания и инструкции по экс

Теоретическое обоснование
1.1. Электронный мост. Принцип действия.   Электронный мост предназначен для измерения температуры окружающей среды путем измерения сопротивления терморезистора. Чувст

Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Education Insider Sample
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
Реклама
Соответствующий теме материал
  • Похожее
  • Популярное
  • Облако тегов
  • Здесь
  • Временно
  • Пусто
Теги