- •Измерение физических величин и обработка
- •Содержание
- •Введение
- •Примеры
- •Задачи для самостоятельного решения
- •Примеры
- •Задачи для самостоятельного решения
- •3.1 Прямые измерения Примеры
- •Задачи для самостоятельного решения
- •Примеры
- •Задачи для самостоятельного решения
- •Примеры
- •Задачи для самостоятельного решения
- •Измерение температуры
- •Примеры
- •Решение
- •Задачи для самостоятельного решения
- •Измерение расхода
- •Литература
- •426069, Г. Ижевск, ул. Студенческая, 11
Измерение расхода
Расход жидкостей, газов и пара является одним из важных показателей многих технологических процессов. Отметим некоторые «особенности наиболее распространенных методов измерения расхода.
Перепад давления Δр, образующийся в комбинированной напорной трубке, равен динамическому напору. Скорость ν, соответствующая этому перепаду, определяется из уравнения
где — коэффициент трубки (для правильно изготовленных трубок близок к единице).
Напорные трубки измеряют скорость в конкретной точке сечения потока. Поэтому для определения расхода необходимо знать соотношение между местной скоростью ν и средней скоростью , которое определяется распределением скоростей по сечению трубопровода. При осеcимметричном потоке распределение скоростей определяется числом Рейнольдcа Re и степенью шероховатости трубы. Установлено , что в широком диапазоне чисел Re от 4·103 до 3·106 ν/= 1 ±0,005 на раcстоянии 0,762 R от центра трубы. При ламинарном режиме это отношение имеет место на расстоянии 0,707R от центра трубы, где R — радиус трубы.
В настоящее время наиболее распространенным в промышленности . методом является измерение расхода с помощью сужающих устройств. Правила применения и расчета сужающих устройств регламентированы [16].
Взаимосвязь между объемным или массовымрасходом и перепадом Δр на сужающем устройстве определяется уравнениями расхода:
;
где F0 — площадь отверстия сужающего устройства, м3 ; ρ — плотность измеряемой среды перед сужающим устройством, кг/м3 ; α— коэффициент расхода; ε — поправочный множитель на расширение измеряемой среды.
Коэффициент расхода α зависит от относительной площади (модуля) сужающего устройства m и числа Рейнольдса Re. При Re>Re гр а слабо зависит от Re и в основном определяется значением m. Действительный коэффициент расхода а определяется через исходный αи по формуле (для промышленных расходомеров)
где — поправочный множитель на шероховатость трубопровода;— поправочный множитель на притупление входной кромки диафрагмы (для сопл= 0).
При использовании этого метода измерения часто имеют место погрешности, вызванные несоответствием расчетных и действительных значений параметров в уравнениях расхода. Например, при отклонении температуры среды t от расчетной t p изменяется плотность среды, что вызывает изменение показаний расходомера. Для сухого газа новое значение плотности ρ определяется через плотность ρн при нормальных условиях по формуле
,
где р и T — действительное давление и абсолютная температура среды; и— параметры среды при нормальных условиях;k — коэффициент сжимаемой среды, определяемый по [16].
Для жидкости плотность ρ при температуре t может вычисляться по формуле
где — плотность жидкости при расчетной температуре; β — средний коэффициент объемного теплового расширения жидкости в интервале температур отt p до.
Средняя квадратическая относительная погрешность измерения рас хода показывающим дифманометром определяется по формуле
Составляющие подкоренного выражения определяются по [16].
Электромагнитные расходомеры применимы для измерения расхода электропроводящих сред. Поэтому они не могут быть использованы для измерения расхода газов, нефтепродуктов, масел и других непроводящих сред. Конструкция измерительного преобразователя расходомера практически не изменяет форму и сечение трубопровода и поэтому может широко использоваться для измерения загрязненных жидкостей и пульп. Это один из немногих методов, позволяющих измерять расходы жидких металлов.
Ультразвуковые расходомеры позволяют измерять расход без непосредственного контакта с измеряемой средой. Этот метод пока применяется только для измерения расхода жидкостей.
Некоторое распространение получили тепловые расходомеры (калориметрические, термоанемометрические), работа которых основана на зависимости теплообмена между нагреваемым элементом и потоком от скорости (расхода) измеряемой среды.
6.1. Какие единицы измерения приняты для расхода в системе СИ и как они связаны между собой?
6.2. По трубе диаметром D=100 мм движется поток жидкости со средней скоростью и с = 1,5 м/с. Определите массовый расход жидкости, если ее плотность р= =990 кг/м 3 .
6.3 Определите, как будет изменяться давление в напорных трубках при изменении скорости потока при неизменном статическом давлении?
6.4. Определите перепад давления, создаваемый напорными трубками, если поток воды движется со скоростью 0,1 м/с, плотность воды р= = 985 кг/м3 , коэффициент трубки & т =0,97.
6.6. Расход воды в трубопроводе диаметром D = 80 мм измеряется бронзовой диафрагмой с отверстием диаметром d=58 мм. Температура воды 150 °С, давление воды 2 МПа, перепад давления на диафрагме 0,04 МПа. Определите, как изменится действительное значение расхода, если температура воды станет 20 °С. Диаметр трубопровода, коэффициент расхода и перепад давления на диафрагме считаем неизменными k' _ ==1,0023.
6.7. При оценке погрешности измерения расхода применяется закон сложения средних погрешностей. Какие допущения принимаются при использовании этого закона?
6.8. Применим ли электромагнитный метод измерения расхода для неэлектропроводных жидкостей? Какие жидкости относятся к электропроводным и неэлектропроводным?
6.9. Определите значение ЭДС, индуцируемой в электромагнитном расходомере с диаметром проходного отверстия cf= 100 мм, при расходе воды Q = 200 м 3 / 4 . Индукция магнитного поля В = 0,01 Тл.
6.10. Для измерения ЭДС электромагнитного расходомера предполагается использовать милливольтметр со шкалой 0—20 мВ и входным сопротивлением i? MB =200 Ом; ЭДС расходомера 15 мВ, измеряемая среда — вода, сопротивление воды между, электродами преобразователя R = 10 МОм. Определите погрешность измерения, ЭДС (погрешностью самого милливольтметра пренебрегаем).
6.11. Какой тип электромагнитного расходомера (с переменным или постоянным магнитным полем) следует применять для измерения расхода раствора щелочи?
6.12. Каким образом в электромагнитном расходомере с переменным магнитным полем можно выделить и оценить значение паразитной трансформаторной ЭДС?
6.13. В трубопроводе диаметром 100 мм протекает вода, расход которой меняется от 0 до 300 м 3 /ч. Для измерения расхода установлены ультразвуковые излучатель и приемник. Расстояние между излучателем и приемником 300 мм. Определите время прохождения ультразвуковых колебаний при распространении их «по потоку» и «против потока». Скорость распространения звуковых колебаний в воде с=1500 м/с.
6.14. Для условия задачи (5.45) определите разность времени прохождения звука «по потоку» и «против потока» и разность фазовых углов ультразвуковых колебаний, вызванных разностью скоростей прохождения звука. Частота ультразвука 20 кГц.
6.15. Выведите уравнение, связывающее фазовый сдвиг ультразвуковых колебаний со скоростью потока воды, и оцените влияние температуры на показания осевого ультразвукового фазового расходомера, если известно, что изменение температуры воды от 8 до 25 °С вызывает изменение скорости звука от 1435 до 1475 м/с. Частота ультразвуковых колебаний 25 кГц, скорость потока 10 м/с, расстояние между пьезоэлементами расходомера – 250 мм.
6.16. Произвести расчет сужающего устройства для измерения расхода среды.
Параметры измеряемой среды до сужающего устройства: давление Рь температура хь внутренний диаметр трубопровода при 20°С — Т>и максимальный расход среды Ртах, допустимая безвозвратная потеря давления среды (Р/РОхЮО, длина прямого участка трубопровода до сужающего устройства Ь\. Рассчитать также предельную относительную погрешность измерения расхода.
Необходимые для расчета данные выбираются из табл. 3, в соответствии с цифрами шифра студента.
Таблицца 5–Варианты заданий и исходные данные |
Варианты и исходные данные |
0 |
Последняя цифра шифра студента |
Вода |
1,4 |
70 |
850 |
Предпоследняя цифра шифра студента |
0,50 |
6 |
20 |
9 |
Вода |
1,2 |
60 |
800 |
0,55 |
4 |
14 | ||||
8 |
Вода |
1,3 |
50 |
2389 |
0,60 |
5 |
26 | ||||
7 |
Вода |
1,4 |
75 |
972 |
0,55 |
2 |
8 | ||||
6 |
Вода |
1,0 |
20 |
1167 |
0,65 |
3 |
22 | ||||
5 |
Пар |
11,5 |
420 |
322 |
0,55 |
10 |
10 | ||||
4 |
Пар |
26,5 |
650 |
528 |
0,50 |
20 |
10 | ||||
3 |
Пар |
13,5 |
540 |
133 |
0,45 |
15 |
15 | ||||
2 |
Пар |
10,0 |
320 |
117 |
0,55 |
10 |
12 | ||||
1 |
Пар |
11,0 |
540 |
100 |
0,6 |
5 |
6 | ||||
Праметры |
Измеряемая среда |
Р1, МПа |
t1, 0C |
Qмах, кг/с |
Диаметр трубопровода, D, м |
Безвозвратнаяпотеря давления Р/Р1·100%, % |
L1/D |