книги из ГПНТБ / Кондрашкова Г.А. Технологические измерения и приборы целлюлозно-бумажной промышленности учеб. пособие

симости от давления газа электроны при движении от катода ионизируют большее или меньшее количество молекул. Между электродами возникает ток, пропорциональный измеряемому дав­

лению.

Основанный на этом принципе вакуумметр ионизационный типа ВИ-12 рассчитан на давление от 133,3-ІО-4 до 133-3-ІО-10 Па (от (ІО-4 до ІО-10 мм рт. ст.). Основная приведенная погрешность со­ ставляет около ±50% [27].

Радиоактивные манометры основаны на ионизации газа излу­ чениями радиоактивных веществ. Наибольшую интенсивность ионизации дает a -излучение, для получения которого служат изо­ топы радия, тория, полония и др.

Принципиальная схема датчика радиоактивного манометра с использованием a -излучения приведена на рис. 5-14, б. Вели­ чина ионного тока на коллекторе 2 оказывается пропорциональ­ ной измеряемому давлению, если размеры ионизационной ка­ меры 1 выбрать таким образом, чтобы они были значительно меньше длины пробега а-частиц.

Следует отметить, что электрические манометры пока не на­ шли широкого применения в целлюлозно-бумажном производстве. Однако высокая точность при измерении статических и динами­ ческих давлений, возможность измерения как высоких, так и низ­ ких давлений, позволяют надеяться на перспективность примене­ ния электрических манометров и в этой области промышленности.

Глава 6

ИЗМЕРЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА И РАСХОДА ВЕЩЕСТВА

§1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ. КЛАССИФИКАЦИЯ ДАТЧИКОВ

ИПРИБОРОВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА

ИРАСХОДА ВЕЩЕСТВА

Измерение количества и расхода вещества необходимо для уп­ равления технологическими процессами, а также для учетно-рас­ четных операций при производстве и потреблении полуфабрикатов и готовой продукции основного и вспомогательных производств. К современным приборам для измерения количества и расхода веществ, в частности жидкостей, предъявляется ряд требований: высокая точность измерений, простота и надежность, широкий диапазон допускаемых давлений и температур, а также возмож­ ность работы во вредных средах.

На целлюлозно-бумажных предприятиях измерения количе­ ства и расхода веществ осложняются тем, что в средах присут­ ствуют взвешенные твердые частицы. Это приводит к зашламлению первичных измерительных преобразователей, устанавливаемых в потоке. Поэтому, кроме наиболее простых и удовлетвори­ тельных по метрологическим характеристикам расходомеров по­

154 '

стоянного и переменного перепада давлений для воды и пара, наиболее широкое применение нашли электромагнитные расходо­ меры, с успехом работающие с агрессивными пульпами и суспен­ зиями. К ним относятся потоки древесных, целлюлозных, бумаж­ ных масс со значительным содержанием щелочей или кислот.

Расходом вещества в данный момент называется отношение приращения количества вещества (dQ или сШ), протекающего в данный момент времени, к приращению времени при условии, что dt— Д), т. е. для объемного расхода

и для весового расхода

Объем вещества при постоянном сечении трубопровода 5 и длине L составляет Q = SL. Тогда

Qt = ^ S = VS,

‘dt

где — = V — средняя скорость в данном сечении в определенный dt

момент времени.

Если известна и постоянна удельная масса вещества, то пе­ реход к весовому расходу элементарен.

Объемный расход измеряется в м3/с, допускается использо­ вать м3/мин; м3/ч, л/мин, а весовой расход — в кг/с, кроме того применяют кг/ч, т/ч. Приборы, предназначенные для измерения расхода, называются расходомерами.

Количество вещества можно определить операцией суммиро­ вания, зная мгновенный расход Qt. Для этого необходимо про­ извести интегрирование функций Qt за произвольный интересую­ щий нас интервал времени:

іа

Qs=z§Qt dt. h

Количество вещества в объемных или весовых единицах из­ меряется в м3 или в кг, соответственно допускается использовать л (дм3) или т. Приборы для измерения количества вещества на­ зываются счетчиками количества вещества.

При измерении расхода и количества вещества используют прямые и косвенные виды измерений. Прямые измерения основаны на отсчете дискретного значения порций объемного или весового количества вещества за любой (счетчики) или заданный (расхо­ домеры) интервал времени. Косвенные виды измерения основаны на определении количества вещества по связанным с ним величи­ нам: местной скорости, полной скорости, энергии при измерении скорости, потенциальной энергии.

155

Многообразие эксплуатационных требований и широкий диапа­ зон измеряемых величин привели к тому, что счетчики и расходо­ меры вещества имеют многочисленные и разнообразные модифика­ ции. По принципу действия счетчики бывают трех видов: объемные, весовые и скоростные. В объемных и весовых счетчиках осуществ­ ляется периодическая выдача объемных или весовых порций жидкости или газа; число порций суммируется счетным устройст­ вом (устройство электронного счетчика приведено в § 3 главы 4). В скоростных счетчиках используется зависимость количества ве­ щества от скорости, которая измеряется по скорости вращения тела, помещенного в поток вещества (§ 6. Глава 5).

Наибольшую практическую значимость имеют механические и электрические расходомеры, которые по принципу действия де­ лятся на следующие виды.

К м е х а н и ч е с к и м р а с х о д о м е р а м относятся скоростные расходомеры, в которых значения показаний скоростных счетчиков подсчитываются в единицу времени; расходомеры скоростного на­ пора (пневмометрические), измеряющие расход по скорости, свя­ занной с местным динамическим напором жидкости или газа, значение которого преобразуется в выходной сигнал; расходомеры переменного перепада давлений (§ 6. Глава 2); расходомеры об­ текания, к которым, в частности, относятся расходомеры постоян­ ного перепада давлений (§ 6. Глава 3); расходомеры переменного уровня, преобразующие скорость истечения вещества через калиб­

магнитные, ультразвуковые, основанные на зависимости измене­ ния скорости распространения ультразвука, от направления и скорости движения среды; тепловые (термоанемометры и калори­ метрические расходомеры), измеряющие скорость движения среды по интенсивности уноса тепла, которое определяется термо­ метрами электрического сопротивления или термопарами, и ряд других расходомеров [28].

Промежуточное положение занимают расходомеры с преобра­ зованием скорости вещества в скорость поступательного движе­ ния меток, так как в зависимости от физической природы меток и способов их нанесения (и измерения) те или иные расходомеры могут быть отнесены к электрическим или механическим. В таких электрических расходомерах при заданном расстоянии между точ­ ками нанесения и получения меток изменение количества или рас­ хода вещества связано с измерением отрезка времени между им­ пульсами, частоты следования импульсов или разности их фаз, что позволяет получить помехоустойчивый выходной сигнал и реа­ лизовать метрологические преимущества преобразования расхода Q в частотный сигнал. Однако эти расходомеры не вышли из стадии лабораторного апробирования [59].

Для подсчета общего количества вещества часто применяют расходомеры в комплекте с сумматорами (интеграторами). По­ следние суммируют значения мгновенного расхода за любой

156

157

промежуток времени (ограниченный объемом счетчика сумма­ тора). В табл. 6-1 приведены сравнительные характеристики рас­ ходомеров, применяемых в ЦБП.

§ 2. РАСХОДОМЕРЫ ПЕРЕМЕННОГО ПЕРЕПАДА ДАВЛЕНИЙ

Расходомеры переменного перепада давлений широко применя­ ются для измерения расхода жидкостей, газов и паров в трубо­

(датчика или прибора), изме­ ряющего этот перепад давле­ ний. При установке сужающего устройства в трубопровод сред­ няя скорость потока в сужен­

ном сечении повышается и часть потенциальной энергии потока переходит в кинетическую. Вследствие этого статическое давление в суженном сечении потока становится меньше статического дав­ ления перед сужением. По разности статических давлений, по пе­ репаду давлений определяют значение скорости и при постоянном сечении трубопровода расхода протекающей среды. При измере­ нии расхода по перепаду давлений предполагают наличие следую­ щих основных условий:

а) поток полностью заполняет все сечение трубопровода и сужающего устройства;

б) поток измеряемой среды должен быть практически уста­ новившимся— до и после сужающего устройства имеются прямые участки трубопровода достаточной длины;

в) фазовое состояние измеряемой среды не меняется при про­ хождении через сужающее устройство (жидкость не испаряется, водяной пар остается перегретым, растворенные в жидкости газы не выделяются, влажный газ не достигает границы полного на­ сыщения) ;

г) в трубопроводе перед сужающим устройством не скаплива­ ется конденсат, пыль или иные отложения;

д) трубопровод имеет определенный профиль (обычно круглое сечение).

Теория и основные соотношения расходомеров переменного пе­ репада давлений одинаковы для сужающих устройств любой

158

формы; различны лишь некоторые коэффициенты в этих уравне­ ниях, определяемые опытным путем.

Пусть (рис. 6-1) в трубопроводе круглого сечения установлена диафрагма с цилиндрическим отверстием, концентрично располо­ женным по отношению к сечению трубопровода, и по трубопро­ воду протекает идеальная несжимаемая жидкость. Влияние сил вязкости в жидкости и трения ее о стенки трубопровода отсут­ ствует.

Сужение потока начинается до диафрагмы, после диафрагмы в сечении 2—2 поток сужается до минимального сечения, а далее постепенно расширяется до полного сечения трубопровода. При­ ближаясь к диафрагме, скорость потока возрастает, статическое давление изменяется. В области диафрагмы у стенок трубопровода возникает скачок давления (вследствие уменьшения скорости в этом месте). После сечения 2—2 скорость потока увеличивается и к сечению 3—3 статическое давление восстанавливается, но не полностью вследствие потерь на трение и завихрения потока. Раз­ ность давлений Рп= Р і — Рз называют безвозвратной потерей на­

пора.

Обозначим: на рис. 6-15 и*, Р/, Si, Di — скорость, давление, се­

чение и диаметр в і-сечении трубопровода, а отношения — = — =

— т — модуль сужающего устройства и — = —1- = ц— коэффициент

^2 “о

сужения потока вещества (определение т и р , через отношения се­ чений справедливы при условии неразрывности потока вещества).

Подставляя выражение (6.3) в выражение (6.1) и решая урав­ нение (6.1) относительно ѵ2, получим

159

Давления Pi и Ра соответствуют сечениям 1— 1 и 2—2, в дей­ ствительности же измеряют Р\ и Ръ непосредственно до и после диафрагмы у стенки трубопровода. Кроме того, при переходе от идеальной жидкости к реальной необходимо учитывать влияние вязкости, трения, вихреобразования и неравномерности распреде­ ления скорости по потоку. Поэтому для реальных условий вво­ дится в уравнение (6.4) поправочный коэффициент £.

Тогда получим уравнение для действительной скорости реаль­ ной жидкости в сечении 2—2:

160

Для несжимаемых сред, т. е. в технических измерениях для жидкостей, е = 1.

Для удобства расчетов в формулах (6.8), (6.9) и (6.12), (6.13) площади сечений выражают через соответствующие диаметры и, подсчитав значения постоянных, получают следующие зависимости

ииндивидуальные.

Втехнических измерениях пользуются в большинстве случаев стандартными сужающими устройствами, правила расчета, уста­ новки и поверки которых подробно рассматриваются в работе [28].

Кстандартным сужающим устройствам относятся стандартные диафрагмы, сопла и сопла Вентури.

Стандартные диафрагмы применяются без градуировки для трубопроводов £)у^ 5 0 мм. Диафрагма представляет собой тонкий диск с проходным отверстием цилиндрической формы, с острой входной кромкой без вмятин и заусенцев. Для точной работы необходима строгая концентричность отверстия диафрагмы со стенками трубопровода (рис. 6-2). Модуль диафрагмы колеблется в пределах 0 ,0 5 ^ « ^ 0 ,7 . Если толщина диафрагмы Е больше ши­ рины цилиндрической части отверстия диафрагмы е, то с выходной стороны цилиндрического отверстия делают коническую расточку под углом от 30 до 45°.

Отбор перепада давлений в сужающем устройстве произво­ дится через отдельные цилиндрические отверстия, число которых должно быть не менее четырех, или через две кольцевые камеры, каждая из которых соединяется с внутренней полостью трубопро­ вода кольцевой щелью (сплошной или прерывистой) или груп­ пой равномерно распределенных по окружности отверстий. Размер С диаметра отдельных отверстий или ширина щели, соединяющей

дится с помощью равномерно расположенных по окружности от­ дельных цилиндрических отверстий (не менее четырех).

Для D y < 4 5 0 мм применяют камерные диафрагмы. Камеры позволяют исключить влияние местных пульсаций давлений с обеих сторон диафрагмы при завихрениях потока, что существенно при малых D y , т. е. при небольших А Р . При относительно небольших давлениях вещества камеры для отбора давления (рис. 6-2, о) укрепляются вместе с диафрагмами между фланцами трубопро-

161

вода. При этом диаметр камеры DKдолжен быть равен диаметру Dy или превышать его не более чем на 1%. При больших статиче­ ских давлениях вещества диафрагмы ввариваются в трубопровод (рис. 6-2, б). Отбор давлений до и после диафрагмы в этом слу­ чае осуществляется с помощью щелей и кольцевых камер, выта­

чиваемых в утолщенных концах труб (или во фланцах).

На трубопроводах большего диаметра при малых давлениях вещества им­ пульсы давлений раньше отбирали с по­ мощью отверстий круглой формы, а коль­ цевые камеры выполняли в форме коль­ цевых труб, располагаемых с внешней стороны основного трубопровода. В по­ следние годы кольцевые камеры выта­

(в мм); их значения приводятся в обозначении диафрагм, напри­ мер: ДК — 10—100 для Р ст= 10 кг/см2 и Dy= 100 мм.

Профиль стандартного сопла (рис. 6-2, г) образован двумя

162

дороже в изготовлении. Однако их удобно использовать для изме­

рения расхода газов и перегретого пара, если Р і - Р , L<0,1,

Р1

а также для измерения расхода пара высокого давления и агрес­ сивных жидкостей в тру­

жно быть не меньше че­ тырех, а диаметр отверстий выбирается в пределах от 3 до 0,13 мм

для жидкостей и не менее 8 мм для пара.

Стандартные сопла Вентури применяются для трубопроводов

Кроме того, их используют при измерении расходов зашламленных потоков, для пульп и суспензий.

Сопла Вентури находят применение в расходомерах для мас­ совых потоков.

При установке сужающих устройств следует соблюдать следу­ ющие основные правила:

163