Волковой М.С. Метрология
.pdf251
–высокая точность измерения. Повышение точности достигается за счет применения новых методов и приборов (тахометрических, электромагнитных, ультразвуковых, кориолисовых и т.п.);
–высокая надежность;
–независимость результатов измерения от изменения плотности вещества. Это требование особенно важно при измерении расхода газа, у которого плотность зависит от его температуры и давления;
–быстродействие прибора, определяемое его динамическими характеристиками;
–большой диапазон измерений необходим, когда значения расхода могут изменяться в значительных пределах;
–необходимость измерения расхода различных веществ не только в обычных, но и в экстремальных условиях при низких и высоких давлениях и температурах. Очень разнообразна номенклатура измеряемых веществ, которые могут быть не только однофазными, но и многофазными. Основные методы измерения расхода были разработаны для однофазных сред, т.е. для жидкости, газа и пара. При этом необходимо учитывать как параметры (давление, температуру), так и особые свойства (агрессивность, абразивность, токсичность, взрывоопасность и т.п.) веществ внутри каждой из этих сред. Все чаще возникает необходимость измерения расхода двухфазных и даже трехфазных сред. К ним относятся гидросмеси или пульпы, смеси твердой и газообразной фаз (пылеугольное топливо), смеси жидкости с газом (нефтегазовая смесь) или с паром (влажный пар) и, наконец, газированная пульпа, представляющая собой смесь всех трех фаз. При измерении расхода многих из этих смесей возникают значительные трудности.
Существующие расходомеры можно условно разделить на следующие группы:
– приборы, основанные на гидродинамических методах: переменного перепада давления, переменного уровня, обтекания, вихревые, парциальные;
–приборы с непрерывно движущимся телом: тахометрические, силовые (ротаметры) и вибрационные;
–приборы, основанные на различных физических явлениях: тепловые, электромагнитные, акустические, оптические, ядерно-магнитные, ионизационные.
–приборы, основанные на особых методах: меточные, корреляционные, концентрационные.
Из числа приборов первой группы следует отметить широко распространенные расходомеры переменного перепада давления с сужающими устройствами и вихревые расходомеры.
Во вторую группу входят турбинные, шариковые и камерные (с овальными шестернями, роторные и др.) расходомеры.
252
Из приборов третьей группы наибольшее распространение получили электромагнитные и акустические приборы.
Меточные и концентрационные расходомеры, относящиеся к четвертой группе, служат для разовых измерений, например при поверке промышленных расходомеров на месте их установки. Корреляционные приборы перспективны для измерения расхода двухфазных веществ.
3.5.1. Ультразвуковые расходомеры
Принцип измерения расхода с помощью ультразвука заключается в следующем. Среднюю скорость Vm(х) на измерительном канале m в позиции х получают за счет посылки и приема акустических сигналов по направлению этого измерительного канала и определения времени их прохождения вверх и вниз по течению. На рис. 3.95 показано осевое поперечное сечение измерительного участка в плоскости измерительного канала.
Рис. 3.95. Ультразвуковой датчик
Два акустических датчика посылают и принимают ультразвуковой сигнал по направлению измерительного канала, который образует угол α с осью измерительной трубы.
Время прохождения сигнала вверх по течению
L
tвверх C Vm cos ,
где С – скорость звука, V – скорость движения жидкости в трубе, L – длина измерительного канала, α – угол между измерительным каналом и осью измерительной трубы.
Время прохождения сигнала вниз по течению
tвниз L .
C Vm cos
Из этих уравнений следует средняя скорость
L(tвверх tвниз)
Vm 2tвверхtвниз cos .
253
Ультразвуковые расходомеры имеют универсальное применение для бесконтактного измерения расхода всех жидкостей и газов, в которых могут распространяться ультразвуковые волны. Они имеют широкий спектр применения: сточные воды, аммиак, азот, природный газ, воздух, фосфорная кислота, тяжелые масла, обессоленная вода, смесь воды и масла.
Преимущества ультразвуковых расходомеров:
–высокая точность измерений, не зависящая от вязкости, температуры, давления и электропроводности;
–отсутствие потерь давления благодаря прямой измерительной трубе полнопроходного сечения;
–точная калибровка путем прямого сравнения объемов.
К другим ультразвуковым расходомерам можно отнести HLTOSONICV, Взлет РС, Взлет ПР, Взлет МР и др.
3.5.2. Вихревые расходомеры
Используется принцип вихревой дорожки Кармана: при обтекании потоком препятствия вихревого тела первичного преобразователя расхода возникают завихрения, показанные на рис. 3.96, которые на его поверхностях вызывают перепады давления, их частота пропорциональна скорости потока и объемному расходу. Вторичный электронный преобразователь фиксирует количество перепадов давления и преобразует его в электрический аналоговый и
цифровой сигнал.
Достоинства вихревых расходомеров: отсутствие подвижных частей, простота и надежность преобразователя расхода, независимость показаний от давления и температуры, большой диапазон измере-
ний, частотный измерительный |
сигнал, |
Рис. 3.96. Вихревой расходомер достаточная точность измерения |
расхода. |
К другим вихревым расходомерам относятся вихревой полнопроходный расходомер
VORTEX, интеллектуальный вихревой расходомер модели 8800 и т.д.
Вихреакустические расходомеры
Тело обтекания – призму трапециидальной формы – располагают на входе жидкости в проточную часть. За телом обтекания в корпусе проточной части располагают диаметрально противоположно друг другу стаканчики, в которых находятся ультразвуковой пьезоизлучатель (ПИ)
254
ипьезоприемник (ПП). В зависимости от типа расходомер может иметь одну пару ПИ и ПП – однолучевой – или две пары ПИ и ПП – двулучевой. На пьезоизлучатель ПИ от генератора подается переменное напряжение, которое преобразуется в ультразвуковые колебания. Пройдя через поток, эти колебания в результате взаимодействия с вихрями оказываются модулированными по фазе. На пьезоприемнике ультразвуковые колебания преобразуются в электрические колебания и подаются на фазовый детектор, где определяется разность фаз между сигналами с пьезоприемника
иопорного генератора – для однолучевого преобразователя, или разность фаз между пьезоприемниками первой и второй пары – для двулучевого преобразователя. На выходе фазового детектора образуется напряжение, которое по частоте и амплитуде соответствует интенсивности и частоте следования вихрей, которая в силу пропорциональности скорости потока является мерой расхода. Сигнал с выхода фазового детектора поступает в микропроцессорный адаптивный фильтр с блоком формирования выходных сигналов.
Вихреакустический расходомер Метран-300 ПР
Измеряемые среды: вода (питьевая, теплофикационная, техническая,
речная и т.п.), водные растворы, кроме абразивных, с вязкостью до 2·10‾6 м2/с (2сСт).
Диапазон температур измеряемой среды 1–150 °С. Избыточное давление измеряемой среды в трубопроводе до 1,6 МПа.
Диаметр условного прохода Dy трубопровода 25–300 мм. Пределы измерений расхода 0,18–2 000 м3/ч. Динамический диапазон 1:100.
Предел относительной погрешности измерений объема (δ) ±1,0 %. Выходные сигналы:
•токоимпульсный;
•импульсный типа «замкнуто»/«разомкнуто» – оптопара;
•унифицированный токовый 0–5, 0–20, 4–20 мA;
•цифровой интерфейс на основе RS-485 (по заказу);
•ЖК-индикатор для отображения значений расхода, накопленного объема, времени наработки, кода самодиагностики (по заказу).
3.5.3. Датчик расхода воды корреляционный ДРК-3
Датчик предназначен для измерения расхода и объема воды в полностью заполненных трубопроводах. Возможно применение и для других жидких сред (растворов солей, кислот и т.п.). Используется как в техноло-
255
гических целях, так и в целях коммерческого учета, например в системах водоснабжения.
Принцип действия датчика ДРК-3, показанного на рис. 3.97, основан на корреляционной дискриминации времени прохождения случайными, например турбулентными, флуктуациями расстояния между двумя парами ультразвуковых акустических преобразователей АП1-АП4, АП2-АПЗ. Это время транспортного запаздывания и является мерой расхода контролируемой среды, движущейся по трубопроводу. Из-за взаимодействия встречных ультразвуковых лучей с неоднородностями потока, обусловленными, например, турбулентностью этого потока, электрические колебания на АП оказываются модулированными. Эти колебания поступают на фазовые детекторы (ФД1 и ФД2) и далее на корреляционный дискриминатор (КД), управляемый микропроцессором. В результате корреляционной обработки определяется время транспортного запаздывания, по которому микропроцессор производит вычисление периода выходных импульсов и их формирования. Далее КД определяет мгновенный расход, объем нарастающим итогом, время наработки и выводит информацию на индикатор. Выходные импульсы электронного преобразователя ДРК-3 ЭП могут передаваться для дополнительной обработки на тепловычислитель, счетчик интегратор либо оконечный преобразователь ДРК-3 ОП, который формирует унифицированный токовый сигнал 0–5, 4–20 мА, пропорциональный мгновенному расходу.
Рис 3.97. Расходомер ДРК
Технические характеристики расходомера: Температура среды 1–150 °С.
Диаметр трубопровода Dy 80–4 000 мм. Пределы измерения расхода 2,7–452 400 м3/ч. Динамический диапазон 1:100.
Предел относительной погрешности измерений расхода и объема
±1,5; ±2,0 %.
256
Параметры выходных токоимпульсных сигналов:
•длительность импульса – не менее 250 мс;
•амплитуда (10±3) мА;
•«замкнуто-разомкнуто» (оптопара);
•напряжение коммутации – не более 30 В;
•допускаемый ток коммутации – не более 100 мА; унифицированный токовый 0–5 мА, 4–20 мА;
•интерфейс на основе RS-232.
Цена импульса выбирается из ряда 0,01; 0,1; 1,0; 10; 100 м3/импульс. Индицируемая информация в режиме измерений:
•время наработки, ч;
•мгновенный расход F, м³ /ч;
•суммарный объем V, м³.
Выпускаются следующие модификации расходомеров: ДРК-ЗА1, ДРК-3А2, ДРК-VЗБ1, ДРК-ЗБ2, ДРК-ЗВ1, ДРК-ЗВ2, отличающиеся диаметром трубопровода.
3.5.4.Электромагнитные расходомеры
Воснову работы электромагнитных расходомеров положен закон электромагнитной индукции, согласно которому в проводящей жидкости, пересекающей магнитное поле, индуцируется ЭДС, пропорциональная скорости движения жидкости. Выпускаются расходомеры с электромагнитным преобразователем расхода и с электромагнитным преобразователем скорости потока. Процессы, протекающие в них, имеют одинаковую физическую основу.
Электромагнитные расходомеры могут применяться для измерения больших расходов жидкости, и их показания не зависят от параметров контролируемой среды (вязкости, температуры, химического состава, плотности). Они обладают высоким быстродействием, имеют линейную шкалу и значительный диапазон измерения. С помощью этих приборов можно измерять расход агрессивных, абразивных и вязких жидкостей и пульп. Преобразователи электромагнитных расходомеров не имеют движущихся элементов и сужений. В расходомерах применено переменное магнитное поле промышленной частоты, при котором практически устраняется влияние поляризации электродов на выходной сигнал преобразова-
теля. Приборы применяют для измерения расхода жидкостей с удельной электропроводностью не менее 10‾3 Сим/м, соответствующей электропроводности воды из водопроводной сети. Верхний предел удельной электрической проводимости 10 Сим/м.
К недостаткам электромагнитных расходомеров можно отнести необходимость компенсации помех, возникающих при переменном поле в цепи электродов, а также то обстоятельство, что газы и такие жидкости,
257
как масла, бензин и другие нефтепродукты, вследствие малой электропроводности остаются за пределами применения этих приборов. Вблизи преобразователя расхода, измерительного устройства и линии связи между ними не должно быть электросиловых устройств, создающих сильное электромагнитное поле.
Расходомеры с электромагнитным преобразователем расхода
Индукционный расходомер, показанный на рис. 3.98, состоит из первичного преобразователя расхода и измерительного устройства или передающего преобразователя. Первичный преобразователь (датчик) представляет собой изготовленный из немагнитного материала участок трубы 1, расположенный между полюсами 2 электромагнита, причем магнитное поле направлено перпендикулярно потоку жидкости. Труба внутри покрыта изоляционным материалом.
Измеряемая жидкость при протекании по трубе пересекает силовые линии магнитного поля. При этом в жидкости, как в движущемся проводнике, индуцируется ЭДС, пропорциональная скорости потока, а следовательно, и объемному расходу жидко-
сти. Индуцируемая ЭДС снимается двумя электродами 3, введенными Рис. 3.98. Индукционный расходомер
диаметрально в поперечном сечении трубопровода, усиливается и измеряется вторичным прибором.
У расходомеров типа ИР-61 и 4РИМ в канале расходомера создается однородное магнитное поле. В расходомере типа «Индукция 51» распределение магнитного поля выполнено по специальному закону: вблизи электродов оно приблизительно в два раза слабее, чем в центре канала. Такое магнитное поле уменьшает чувствительность прибора к искажению осевой симметрии распределения скорости потока и позволяет сократить длину измерительного участка трубопровода. Первичный преобразователь расхода может устанавливаться на горизонтальном, вертикальном или наклонном участке трубопровода при условии, что весь объем трубы преобразователя заполнен измеряемой средой. Длина линии связи между преобразователем расхода и измерительным устройством не должна превышать 100 м. Каждый преобразователь может быть отградуирован на один из пределов измерения, указанных для соответствующего диаметра. Нижний предел измерения равен нулю. Условный диаметр преобразователя должен быть равен диаметру трубопровода.
258
Расходомеры с электромагнитным преобразователем скорости потока
Расходомер ЭРИС предназначен для измерения расхода электропроводящих жидкостей методом «площадь-скорость» в трубопроводах с условным диаметром Dy 400–1 000 мм. Расходомер состоит из преобразователя скорости ПС-2, блока подготовки сигнала БПС-1 или БПС-3 и измерительного устройства.
Преобразователь скорости размещается внутри трубопровода в характерных точках, скорость потока в которых однозначно и функционально связана со средней скоростью в широком диапазоне чисел Рейнольдса. Такими точками принято считать точки, образующие в совокупности окружность, удаленную от стенки трубопровода на расстояние 0,242 радиуса канала. Преобразователь, помещенный в такую точку, измеряет скорость, близкую к средней скорости потока в поперечном сечении канала.
Схема расходомера предусматривает возможность установки в трубопроводе одного преобразователя скорости (ЭРИС-1) или трех преобразователей (ЭРИС-3), расположенных равномерно по окружности. Установка трех преобразователей позволяет определить среднюю скорость, а следовательно, и расход с меньшей случайной ошибкой, а также измерять расход при несимметричном распределении профиля скорости.
Преобразователь ПС-2 состоит из преобразовательной головки 1, закрепленной на штанге 2. В месте установки преобразователя скорости в трубопроводе вырезается окно, длина штанги зависит от диаметра трубопровода. Основным элементом головки является сердечник из набора пластин электротехнической стали. В пазах сердечника размещена катушка возбуждения магнитного поля. Для герметизации сердечника и катушки и придания преобразовательной головке обтекаемой формы она залита эпоксидным компаундом. На внешней поверхности головки размещаются два электрода из нержавеющей стали. Соединительные провода от катушки возбуждения и электродов через пустотелую штангу 2 выводятся в клеммную коробку 3, расположенную с наружной стороны трубопровода.
Сигналы от трех преобразователей скорости (или одного для ЭРИС-1) поступают в блок подготовки сигнала, который устанавливается на расстоянии до 5 м от преобразователя скорости. В этом блоке смонтированы три (или один) предварительных усилителя, сумматор и силовой трансформатор. Электрическийсигналс выхода блока подготовкипоступает визмерительное устройство.
Приборы могут применяться для измерения расхода водопроводной воды, рассолов и электролитических щелочей. Температура среды – до 80 °С, давление – до 0,6 МПа. Диапазон измерения скорости потока 0–5 м/с, верхние пределы измерения расхода 400–12 500 м3/ч, нижний предел измерения равен нулю. Длина линии связи между блоком подготовки и измерительным сигналом – не более 100 м. Выходной унифицированный сигнал постоянного тока 0–5, 0–20, 4–20 мА.
259
Расходомеры типа ЭРИС-1 позволяют измерять потоки только с асимметричным профилем скорости. Для обеспечения такого профиля необходимы прямолинейные участки трубопровода до и после преобразователя скорости или применение специальных струевыпрямителей. К другим электромагнитным расходомерам относятся электромагнитный измеритель скорости потока «Зонд», расходомеры типа ЭРИС В и т.д.
3.5.5. Расходомеры по перепаду давления
Расходомеры по перепаду давления являются наиболее распространенными для любых технологических процессов по ряду причин:
•хорошая повторяемость результатов измерений;
•испытанная надежность;
•простота калибровки и обнаружения неисправностей устройства.
Расходомер Метран-350
Расходомер предназначен для работы в системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами в различных отраслях промышленности, а также в системах коммерческого учета жидкостей, пара и газов.
Основные преимущества:
•простая установка в трубопровод через одно отверстие; возможность установки в трубопровод без остановки процесса (специальная конструкция);
•минимальная вероятность утечек измеряемой среды;
•более низкие потери давления и меньшие длины прямолинейных участков по сравнению с расходомерами на базе сужающих устройств;
•существенное снижение стоимости монтажа и обслуживания благодаря интегральной конструкции;
•легкость взаимодействия с существующими контрольными системами или вычислителями расхода посредством интеллектуального протокола коммуникации HART;
•простота перенастройки динамического диапазона;
•высокая надежность, отсутствие движущихся частей. Измеряемые среды: газ, пар, жидкость.
Параметры измеряемой среды:
•температура:
–40–260 °С (интегральный монтаж); –40–450 °С (удаленный монтаж датчика);
•максимальное избыточное давление в трубопроводе 10 МПа;
•диаметр условного прохода трубопровода (Dy):
– для всего модельного ряда 50–1 820 мм;
260
– для встраиваемых в трубопровод моделей (вариант с участком трубы) 12,5–50 мм.
Пределы основной допускаемой относительной погрешности при измерении массового (объемного) расхода ±1,5 %
Расходомер Метран-350 имеет две модели:
•Метран-350-М – для измерения массового расхода, накопительной массы жидкостей, пара, газов, а также объемного расхода и накопленного объема газов, приведенного к нормальным условиям.
•Метран-350-Р – для измерения объемного расхода жидкостей, пара, газов в условиях эксплуатации.
Конструктивно Метран-350-М и Метран-350-Р подразделяются на следующие модели:
•ВF – фланцевые модели.
•НТ, НF – модели с возможностью монтажа (демонтажа) без сброса давления в трубопроводе с помощью специального устройства.
•NT, NW, NT – модели, встроенные в калиброванную секцию трубы. Принцип действия расходомера основан на измерении расхода среды
(жидкость, пар, газ) методом переменного перепада давлений.
Основной элемент расходомера – осредняющая трубка Annubar Diamond 11+ (далее сенсор), на которой возникает перепад давлений, пропорциональный расходу.
Сенсор Метрана 350-Р, показанный на рис. 3.99, имеет в поперечном сечении форму ромба с острыми боковыми гранями и закругленными передней и задней кромками, что обеспечивает фиксированную точку отрыва потока измеряемой среды. Это позволяет уменьшить флуктуации статического давления за сенсором.
Рис. 3.99. Сенсор Метрана-350 Р: 1 – зона низкого давления; 2 – камера низкого давления;
3 – камера высокого давления;
4 – зона высокого давления;
5 – фиксированная точка отрыва потока