Расходомеры

Приборы, с помощью ко­торых измеряют расход жид­костей или газов, называют расходомерами. Они уста­навливаются в каждом тер­мическом цехе, отделении, участке, а также на отдельных агрегатах. В зависимости от того, расход какого вещества измеряется, расходомеры называются водомерами, паромерами, газомерами и т. п.

Расходомер — это прибор, служащий для измерения расхода вещества. Расход, в свою очередь, есть количество вещества, протекающее через данное сечение в единицу времени. Количество можно измерять в единицах массы (кг, т, г) или в единицах объема (м³, см³, дм³). Расход можно измерять в единицах массы, деленных на единицу времени (кг/с, кг/мин, кг/ч, г/с и т.д.) или в единицах объема, деленных на единицу времени (м³/c, м³/мин, м³/ч, см³/с и т.д.). В первом случае имеем массовый расход, во втором — объемный расход.

По способу измерения расходомеры разделяются на: 1) объемные, которые измеряют количество протекающей жидкости или газа непосредственно по объему; 2) скоростные, в которых измеряется количество вещества по ско­рости потока, и 3) дроссельные приборы с дифференциальными манометрами, в которых измеряется расход жидкостей или газов, т. е. количество в единицу времени, например м³1час.

Существует достаточно много способов измерения количества и расхода жидкости, и, соответственно, типов водосчетчиков и расходомеров. В учете воды наибольшее распространение получили так называемые тахометрические водосчетчики. Принцип их действия основан на вращении потоком воды помещенной в него крыльчатки или турбинки. Турбинка связана со счетным механизмом, который преобразует количество ее оборотов в литры или м³. Основные производители тахометрических водосчетчиков в России — это ЗАО «Тепловодомер» (г. Мытищи) и завод «Водоприбор» (Москва). Широко известны также зарубежные водосчетчики фирм Zenner, Wehrle, Viterra Energy Services, Invensys (бывш. Premex In) и др.

При промышленном учете воды, т.е., на трубопроводах больших диаметров, используются расходомеры и других типов: ультразвуковые, вихревые, электромагнитные (индукционные). Их общее отличие от тахометрических состоит в том, что в конструкции прибора отсутствуют какие бы то ни было механические (подвижные или вращающиеся) части, а в измерениях участвуют электронные устройства.

Принцип действия вихревого расходомера (Рис.4) основан на следующем эффекте: если в поток жидкости поместить некое тело (стержень) особой формы, то частота возникающих на нем вихрей будет пропорциональна скорости потока. Электромагнитные или индукционные расходомеры основаны на взаимодействии движущейся жидкости с магнитным полем. Это взаимодействие подчиняется закону электромагнитной индукции, согласно которому в жидкости, пересекающей магнитное поле, индуктируется э.д.с., пропорциональная скорости движения жидкости. Ультразвуковой расходомер измеряет расход жидкости путем анализа того или иного акустического эффекта, возникающего при проходе через поток ультразвуковых колебаний. Распространены ультразвуковые расходомеры производства ЗАО «Взлет» (Санкт-Петербург), АО «ЗЭиМ» (Чебоксары), Kamstrup и Danfoss (Дания).

Рис.4. Общее устройство счетчика-расходомера РЭВ-П

1 - блок электроники; 2 - штанга первичного преобразователя скорости потока; 3 - фланец присоединительный; 4 - фланец накладной; 5 - сварные швы соединений фланца накладного с трубопроводом; 6 - трубопровод; 7 - отверстие в трубопроводе для установки первичного преобразователя скорости потока; 8 - первичный преобразователь скорости потока; 9 - прокладка уплотнительная; 10 - устройство герметизации; 11 - винт-фиксатор положения штанги; h - отстояние точки измерения скорости потока от внутренней поверхности стенки трубопровода (h=r; 0,242r).

Для измерения расхода жидкостей, пара и газов широко применяются дроссельные приборы с дифференциальными манометрами. Принцип измерения с помощью дроссельных устройств заклю­чается в следующем. Если на каком-нибудь участке трубопровода умень­шить его сечение, то проходящие по трубопроводу газ или жидкость после прохода через суженное сечение будут иметь пониженное давление. Разница давлений до диафрагмы дроссель­ного устройства и после нее назы­вается перепадом давления.

ПРИБОРЫ ДЛЯ АНАЛИЗА ГАЗОВ. ГАЗОАНАЛИЗАТОРЫ

Для определения состава газов контролируемых атмосфер и продуктов сгорания топлива в печах современных термических цехов применяют при­боры, называемые газоанализаторами. Одни из этих приборов показывают только качественный состав газовой смеси», другие определяют также и коли­чество газовых составляющих в объемных процентах. Существуют газо­анализаторы для определения лишь одного компонента в газовой смеси и для определения нескольких компонентов. Конструкции отдельных газоанали­заторов основаны на различных принципах. Широкое распространение полу­чили газоанализаторы абсорбционного типа и основанные на принципе измерения теплопроводности газов. Другие новейшие приборы основаны на определении составляющих газовых смесей оптико-акустическим методом, фотоколориметрическим путем, методом магнитной конвекции и измерением плотности.

В фотоколориметрических газоанализаторах определение составляющих газов производится по изменению окраски раствора. Оптический метод газового анализа основан на принципе измерения сте­пени поглощения лучистой энергии тем или иным газом. Наиболее интерес­ными из оптических газоанализаторов являются оптико-акустические при­боры. Они позволяют производить анализ того или иного компонента в слож­ной газовой смеси. Их действие основано на принципе измерения поглощения газом инфракрасных лучей; при этом используется оптико-акустический эффект, заключающийся в звучании газа при воздействии на него прерыви­стого потока инфракрасной радиации. В такого типа приборах определяют содержание окиси углерода, углекислого газа и метана в газовой смеси.

На рис.5 показана схема оптико-акустического газоанализатора для определения процента содержания СО₂, СО или СН₄. Источником инфра­красной радиации в приборе являются два нихромовых излучателя 1, полу­чающие питание от источника питания 2 и стабилизатора напряжения 3. Отражаясь от металлических сферических зеркал 4, оба потока радиации поступают в два оптических канала. Оба потока периодически, 6 раз в секунду, прерываются оптическим прерывателем 5, который представляет собой диск с вырезом, вращаемый синхронным электродвигателем типа СД-60. Через правый канал, являющийся рабочей камерой 7, протекает

анализируемая газовая смесь; в левом канале находится сравнительная камера 8, заполненная сухим чистым воздухом. Проходя через рабочую камеру 7, поток радиации теряет часть энергии, соответствующую линиям поглощения анализируемой составляющей (черные стрелки). В этой же камере задерживается часть энергии, соответствующая линиям поглощения неизме-ряемых составляющих газовой смеси (белые стрелки). В сравнительной камере 8 потерь энергии не будет. В камере 7—8 и последующих камерах происходит поглощение частти энергии торцевыми пластинками. Действие их одинаково в обоих каналах, поэтому практического значения это поглощение не имеет. В дальнейшем оба потока попадают в герметичные фильтровые камеры 9, в которых находятся неизмеряемые компоненты смеси. В этих камерах происходит полное поглощение части энергии, соответствующей линиям поглощения неизмеряемых компонентов (белые стрелки, а часть энергии, соответствующая измеряемой составляющей (черные стрелки), проходит через камеры без значительного поглощения. В приемные цилиндры 10 мерной камеры 11, заполненные анализируемым газом одновременно поступают потоки радиации, разность энергии которых пропорциональна концентрации анализируемого газа в газовой смеси. Разность импульсов энергии перейдет в разность импульсов давления. Под разностью давления будет находится упругая микрофонная мембрана. Час­тота будет равна 6 имп/сек. С этой же частотой меняется и емкость микро­фона, включенного в схему усилителя 12. Усиленный сигнал, выпрямлен­ный механическим выпрямителем 13, который представляет собой контакт­ную пару, замыкаемую с помощью двухкулачкового эксцентрика, поме­щенного на оси электродвигателя, подается на электронный самопишущий прибор 14 типа ЭПД-02 или ЭПД-12, или ЭПВ. Выпрямитель синхронизи­рован с оптическим прерывателем 5. Сигнал, усиленный усилителем измери­тельного прибора, вызовет отклонение отсчетного узла прибора и переме­щение движка реохорда. Реохорд включен в цепь питания правого излуча­теля (на рис.5 электрическая связь реохорда с излучателем не показана), благодаря чему напряжение на излучателе автоматически изменяется таким образом, что потоки радиации, прошедшие через рабочую и сравнительную камеры, остаются равными. При равных потоках радиации сигнал на выходе микрофона будет равен нулю и перемещение указателя измерительного прибора и движение реохорда прекратится. Новое положение указателя электронного измерительного прибора будет соответствовать отношению погло­щенной энергии радиации в анализируемой газовой смеси к энергии радиации, проходящей через сравнительную камеру. Показания электронного самопишущего прибора будут зависеть только от величины поглощенной энергии в анализируемом газе, т. е. от концентрации анализируемого газа.

Рис.5. Схема оптико-акустического газоанализатора

Для получения более точных показаний прибор термостатирован, в его кор­пусе имеется биметаллический контактный термометр 15 и два нагревателя 16, питающиеся непосредственно от сети. Приемник газоанализатора, включаю­щий в себя оптико-акустический блок и микрофонный усилитель, является взрывоопасным узлом, вследствие чего он монтируется в отдельном помеще­нии. Погрешность газоанализатора не более ±5% от верхнего предела пока­заний.

Широкое применение в термических цехах нашли газоанализаторы, рабо­тающие на принципе измерения теплопроводности. Этот принцип заклю­чается в том, что температура и электрическое сопротивление нагреваемого током проводника зависят от теплопроводности и окружающего его газа. Такие приборы используют, например, для количественного определения углекислого газа и водорода в дымовых газах, а также составляющих атмо­сфер типа ПС и ПСА-08. Газоанали­затор ГЭД-49 является стационарным автоматическим прибором непрерыв­ного действия. Его электрическая схема приведена на рис.6. В этом при­боре сравнение теплопроводности газовой смеси с теплопроводностью воз­духа производится специальным измерительным мостом М. Анализируемая смесь газа протекает через камеры, в которых находятся два плечевых эле­мента моста R_x и R₄. Два других плечевых элемента R ₂ и R₃ помещены в гер­метические закрытые сосуды, заполненные воздухом. Плечи моста изготов­ляются из тонкой платиновой проволоки, имеющей высокий температурный коэффициент электрического сопротивления.

К вершинам моста В и D подводится от источника питания электрический ток постоянной величины, благодаря чему плечи моста нагреваются. К другой

Рис.6. Электрическая схема газоанализатора

диагонали моста А и С подключаются измерительные приборы — показы­вающий и самопишущий милливольтметры. Когда во всех четырех камерах моста имеется воздух, схема прибора находится в равновесии и ток измери­тельной диагонали отсутствует, так как условия теплоотдачи от платиновых сопротивлений к стенкам камер и сами сопротивления одинаковы. Незна­чительные отклонения от равновесия устраняются нулевым реостатом R₅. Когда же через газовые камеры пропускается газовая смесь, содержащая СО₂, то вследствие меньшей теплопроводности смеси, чем воздуха, температура плечевых элементов R₁ и R₄ повышается и соответственно увеличивается их сопротивление. В результате нарушается равновесие мостовой схемы. По измерительной диагонали потечет ток, пропорциональный изменению сопротивления плеч моста, т. е. пропорциональный величине содержания СО₂ в газовой смеси. В измерительную диагональ введено еще сопротивление R₇, которое служит для подгонки показаний при градуировке газоанализатора. Для определения СО + Н₂ в газовой смеси служит отдельный мост М'. Сопротивление всех плеч моста оди­наково. Плечевой элемент R'₄ помещен в камеру, заполненную испытываемой газовой смесью, а плечевой элемент R'₄находится в герметически закрытой камере, заполненной воздухом. Электрическое питание моста М' осуществ­ляется через вершины А и С. Приборы присоединяют к вершинам измери­тельной диагонали моста В и D. Мост будет в равновесии, когда в обеих камерах находится воздух. Для устранения небольших отклонений в цепь включается нулевой реостат R'₅. Если же через камеру с плечевым сопротив­лением пропускать СО и Н₂ или один из этих газов, то под действием катали­затора эти газы сгорают, повышая температуру и сопротивление элемента. При этом нарушается равновесие мостовой схемы, и через приборы, вклю­ченные в измерительную диагональ, потечет ток, пропорциональный вели­чине температурного эффекта реакции горения и, следовательно, пропорцио­нальный содержанию горючих газов в анализируемой смеси.

Для регулирования величины питающего тока в цепь вводится токовый реостат R_e и амперметр А₁. В случае отсутствия в комплекте газоанализа­тора самопишущего прибора в мостовые схемы включаются эквивалентные сопротивления R₈ и R'₈.

Для определения содержания в газовых смесях кислорода применяют магнитные газоанализаторы. В этих приборах используется явление термомагнитной конвекции, которое заключается в том, что магнит­ная восприимчивость кислорода уменьшается с повышением температуры.