1081

Ультразвуковые уровнемеры обеспечивают точность в 1 % при изменении уровня в 5÷10 м в условиях высокой температуры, высокого давления, большой химической активности среды.

По принципу действия акустические уровнемеры можно подразделить на локационные, поглощения и резонансные.

Влокационных уровнемерах используется эффект отражения ультразвуковых колебаний от границы раздела жидкость – газ. Положение уровня определяется по времени прохождения ультразвуковых колебаний от источника до приемника после отражения их от поверхности раздела.

Вуровнемерах поглощения положение уровня определяется по ослаблению интенсивности ультразвука при прохождении через слои жидкости и газа.

Врезонансных уровнемерах измерение уровня производится посредством измерения частоты собственных колебаний столба газа над уровнем жидкости, которая зависит от уровня жидкости.

Наибольшее распространение получили локационные уровнемеры. Локация уровня может производиться либо через газовую среду над жидкостью (такие уровнемеры иногда называют акустическими), либо снизу через слой жидкости (такие уровнемеры иногда называют ультразвуковыми). Недостатками уровнемеров первого типа являются погрешность от зависимости скорости ультразвука от давления и температуры газа и сильное поглощение ультразвука газом, что требует большей мощности источника, чем при локации через жидкость.

Однако на показаниях таких уровнемеров не сказывается изменение характеристик жидкости, поэтому такие уровнемеры могут быть использованы для измерения уровня жидкостей неоднородных, содержащих пузырьки газа или кристаллизующихся. Такие уровнемеры используются для жидкостей, имеющих температуру не более 80 °С и давление не более 4 МПа.

Уровнемеры с локацией через жидкость могут быть использованы для сред, находящихся под высоким давлением, для них требуется небольшая мощность источника, однако они чувствительны к включениям в жидкость, например к пузырькам газа при вскипании. Поэтому эти уровнемеры применимы только для однородных жидкостей. Кроме

271

того, они также чувствительны к изменению температуры и давления среды из-за зависимости от них скорости распространения ультразвука в жидкости. На рис. 8.7 представлена упрощенная схема акустического уровнемера с локацией уровня со стороны газа типа ЭХО-1.

Рис. 8.7. Схема акустического уровнемера ЭХО-1

Источником и одновременно приемником отраженных ультразвуковых колебаний является пьезоэлемент, заключенный в акустический преобразователь 1. Локация осуществляется ультразвуковыми импульсами, которые возбуждаются пьезоэлементом путем подачи на него электрических импульсов от генератора 2. Одновременно генератор включает схему измерения времени 4. Отраженный ультразвуковой импульс возвращается на пьезоэлемент через время t, соответствующее контролируемому уровню в соответствии с выражением t = 2 (H – h) /c, где c – скорость ультразвука в газе.

Пьезоэлемент преобразует отраженный ультразвуковой импульс в электрический сигнал, который усиливается усилителем 3 и подается на схему измерения времени 4. Преобразователь 5 преобразует значение времени в унифицированный выходной сигнал 0÷5 мА, измеряемый вторичным прибором 6.

Для уменьшения влияния изменения температуры газа имеется блок температурной компенсации 7, включающий в себя термометр сопротивления, расположенный внутри акустического преобразователя. Уровнемер ЭХО-1 может иметь диапазоны измерения 0÷1, 0÷2, 0÷3 м; класс точности уровнемера 2,5.

272

Принципиальная схема уровнемера с локацией через жидкость аналогична схеме, представленной на рис. 8.7. Разница может заключаться в ином способе температурной компенсации. Основная погрешность уровнемеров с локацией через жидкость не превышает 2,5 % диапазона измерения уровня.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Сравните по точностным показателям и диапазону применения средства измерения уровня.

2.Порекомендуйте способы измерения уровня агрессивной высокотемпературной жидкости под давлением.

3.Какие уровнемеры применить для многокомпонентных сред типа «газ–нефть–вода»?

4.Приведите примеры ультразвуковых измерительных систем.

5.Назовите фирмы, выпускающие промышленные средства измерения уровня.

6.Какие тенденции развития средств измерения уровня для современных микропроцессорных систем автоматизации?

273

9. ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА

Расход – количество вещества, проходящее через сечение трубопровода в единицу времени.

Количество вещества можно измерять либо в единицах массы [килограмм (кг), тонна (т)], либо в единицах объема [кубический метр (м3), литр (л)].

Производится измерение либо массового расхода Qм (единицы

кг/с, кг/ч, т/ч и т.д.), либо объемного расхода Qо (единицы м3/с, л/с, м3/ч и т.д.).

Переход от объемных единиц к массовым и обратно производят по формуле

Qм = Qо ,

где – плотность вещества, кг/м3.

Единицы массы дают более полные сведения о количестве или расходе вещества, чем единицы объема, так как объем вещества, особенно газов, зависит от давления и температуры. При измерении объемных расходов газов для получения сопоставимых значений результаты измерения приводят к определенным, так называемым нормальным, условиям. Такими нормальными условиями принято считать температуру tн = 20 °C, давление pн = 101325 Па (760 мм рт. ст.) и относительную влажность = 0. В этом случае объемный расход

обозначается Qн и выражается в объемных единицах (например, м3/ч, но не нм3/ч).

В соответствии с ГОСТ-15528 измерительный прибор, служащий для измерения расхода вещества, называется расходомером, а прибор для измерения количества вещества – счетчиком количества или счетчиком. В каждом конкретном случае к этим терминам следует добавлять наименование контролируемой среды.

274

9.1. ТРЕБОВАНИЯ К РАСХОДОМЕРАМ И СЧЕТЧИКАМ

Основные требования к расходомерам и счетчикам следующие: 1. Высокая точность измерений.

Ранее погрешность в 1,5÷2 % считалась приемлемой, теперь нередко требуется иметь погрешность не более 0,2 0,5 %. Такие счетчики выпускаются.

2. Высокая надежность.

Трубы Вентури, установленные на водопроводных линиях С.-Петер- бурга, исправно действуют более 60 лет. Но тахометрические расходомеры и счетчики с движущимся ротором имеют много меньший срок службы, хотя у ряда турбинных расходомеров установлен шестилетний межповерочный интервал.

3.Малая зависимость точности измерения от изменения плотности вещества.

Необходимы корректоры на изменение плотности или хотя бы на изменение температуры и давления. Это особенно необходимо при измерении расхода газа.

4.Быстродействие.

Градация постоянных времени от сотых долей секунды у турбинных расходомеров до десятков секунд у тепловых счетчиков.

5. Большой диапазон измерения (dmax / dmin).

Диапазон у приборов с линейной характеристикой равен 10 100

иболее, с квадратичной – 3÷10.

6.Измерение многофазных и многокомпонентных веществ (нефть, вода, газ – двухфазная, трехкомонентная) в экстремальных условиях.

9.2. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА

Расходомеры, применяемые в настоящее время для измерения расхода жидкостей, паров и газов, движущихся в трубопроводах, по методам измерения могут быть разделены на следующие типы:

1) счетчики и расходомеры объемные, в которых жидкость измеряется отдельными равными по объему дозами; число доз сумми-

275

руется счетными механизмом, а количество, равное сумме объемов протекших доз, показывается счетным указателем;

2)расходомеры переменного уровня, в комплект которых входит сосуд с отверстием истечения, и уровень в сосуде, являющийся функцией расхода, измеряется с помощью вторичного прибора;

3)расходомеры обтекания, чувствительным элементом которых является какое-либо тело (поплавок, шарик, диск), воспринимающее динамическое давление потока, обтекающего и перемещающего это тело в зависимости от значения расхода (ротаметры);

4)расходомеры переменного перепада, которые являются измерительными комплектами и состоят из приемного преобразователя, образующего перепад давления в зависимости от величины расхода, соединительных трубок со вспомогательными устройствами

идифманометра. В качестве приемных преобразователей наиболее широко распространены стандартизированные сужающие устройства, напорные устройства, измеряющие динамическое давление потока, а также приемные преобразователи в виде участка трубопровода, сопротивление которого изменяется в зависимости от расхода;

5)счетчики жидкости скоростные (тахометрические), основным элементом которых является крыльчатка или другое тело, совершающее под действием потока непрерывное вращательное дви-

жение с угловой скоростью, пропорциональной скорости потока, а следовательно, и расходу; число оборотов вращающегося элемента суммируется счетным механизмом, а количество вещества указывается счетным указателем;

6)вихревые расходомеры, которые работают на основе измерения частоты образования вихрей, возникающих в потоке при обтекании неподвижного тела и базируются на теориях Ван-Кармана и Струхаля

овзаимосвязи частоты вихреобразования со скоростью потока жидкости или газа (обеспечивают прямую пропорциональность);

7)электромагнитные (индукционные) расходомеры, принцип действия которых основан на измерении ЭДС, образующейся в поперечном сечении потока при протекании его в магнитном поле;

8)ультразвуковые расходометры, использующие эффект сложения и вычитания скорости распространения ультразвука в упругой среде со скоростью движения этой среды.

276

Существует большое разнообразие методов измерения расхода и конструктивных разновидностей расходомеров и счетчиков.

Наибольше распространение получили следующие разновидности расходомеров:

–переменного перепада давления;

–постоянного перепада давления;

–тахометрические;

–электромагнитные;

–ультразвуковые

–вихревые;

–вихреакустические;

–резонансные или кориолисовы.

9.3.ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА ПО ПЕРЕМЕННОМУ ПЕРЕПАДУ

ДАВЛЕНИЯ

9.3.1. Расходомеры с сужающими устройствами

Метод измерения расхода по переменному перепаду давления

всужающем устройстве основан на зависимости перепада давления

внеподвижном сужающем устройстве, устанавливаемом в трубопроводе, от расхода измеряемой среды. Это устройство является первичным преобразователем расхода. Создаваемый в сужающем устройстве перепад давления измеряется дифманометром, шкала которого градуируется в единицах расхода. При необходимости дистанционной передачи показаний дифманометр должен быть снабжен преобразователем, который линией связи соединяется с вторичным прибором, градуированным в единицах расхода.

Рассматриваемый принцип измерения заключается в том, что при протекании потока через отверстие сужающего устройства повышается скорость потока по сравнению со скоростью до сужения. Увеличение скорости, а следовательно, и кинетической энергии вызывает уменьшение потенциальной энергии и соответственно статического давления. Расход может быть определен по перепаду давле-

277

ния p, измеренному дифманометром в соответствии с градуировочной характеристикой p = f (Q).

Использование рассматриваемого метода измерения требует выполнения определенных условий:

–характер движения потока до и после сужающего устройства должен быть стационарным, должны быть предусмотрены прямые участки до и после сужающего устройства;

–поток должен полностью заполнять все сечение трубопровода;

–фазовое состояние потока не должно изменяться при его течении через сужающее устройство; пар должен быть перегретым, при этом для него справедливы все положения, касающиеся измерения расхода газа;

–во внутренней полости трубопровода до и после сужающего устройства не образуются осадки и другие виды загрязнения;

–на поверхностях сужающего устройства не образуются отложения, изменяющие его геометрию.

Сужающие устройства условно подразделяются на стандартные

инестандартные. Стандартными называются сужающие устройства, которые изготовлены и установлены в соответствии с руководящим нормативным документом РД-50-213-80. Градуировочная характери-

стика стандартных сужающих устройств p = f (Q) может быть определена расчетным путем без индивидуальной градуировки.

Градуировочные характеристики нестандартных сужающих устройств определяются в результате индивидуальной градуировки.

В качестве сужающих устройств используются диафрагмы, сопла и, значительно реже, сопла Вентури. Диафрагма (рис. 9.1, а) представляет собой тонкий диск (толщина 2,5 15 мм) с отверстием круглой формы, ось которого располагается по оси трубы. Передняя (входная) часть отверстия имеет цилиндрическую форму, а затем переходит в коническое расширение. Передняя кромка отверстия должна быть прямоугольной без закруглений и заусениц. Стандартные диафрагмы устанавливаются на трубопроводах диаметром не менее 50 мм.

278