Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Системы управления технологическими процессами. Учебное пособие для студентов 3 и 4 курсов направлений подготовки 151000, 222900, 240100, 240700, 2410.pdf
4. ДАТЧИКИ РАСХОДА ВЕЩЕСТВА
ру
В этом разделе изложены основные принципы контроля и автоматического управления расходом жидких и сыпучих веществ, описаны
основные классы приборов, применяемых в промышленности в цепях
автоматического и полуавтоматического управления расходом жидких
и сыпучих веществ, типовые конструкции датчиков и приборов контроля расхода вещества, приведены примеры промышленных приборов контроля расхода с техническими ха
рактеристиками. Указаны достоинства и недостатки различных типовых схем контроля и автоматического управления расходом жидких и сыпучих веществ.
Расходом вещества обычно называют количество вещества (массы или объёма), проходящее через определённое сечение канала (трубопровода) в единицу времени, а приборы или компоненты приборов,
определяющие расход вещества в единицу времени, называют рас
ходомерами. Расходомер может быть снабжён счётчиком (интегратором), показывающим массу или объём вещества, прошедшего через
прибор за какой-либо промежуток времени. Единицы измерения расхода могут быть объёмные – м
3
/ч, м3/мин, л/мин и т.д. и массовые –
кг/ч, т/ч и т.д. В зависимости от принципа действия, наиболее часто
применяемые в промышленности приборы для измерения расхода вещества можно разделить на следующие группы: постоянного и переменного перепада давления, тахометрические, электромагнитные,
ультразвуковые и различные конструкции специальных.
4.1. РАСХОДОМЕРЫ ОБТЕКАНИЯ
К этим расходомерам относятся приборы, чувствительные элементы которых
обтекаются потоком. Наибольшее распространение получили расходомеры постоянного перепада давления, у которых перепад давления измеряемого вещества на
чувствительном элементе на всём диапазоне измерений с некоторым приближением можно считать постоянным. К этой
группе приборов относятся ротаметры
(рис. 4.1). Выпускают ротаметры дл
местного измерения расхода без дистан-
ционной передачи показаний, с электрической дистанционной передачей показаний
2
1
я
Рис. 4.1. Схема ротаметра
с конической т
бкой
81
без местной шкалы, с пневматической дистанционной передачей и
местной шкалой показаний. Широко применяются для измерения малых расходов жидкостей и газов. Основными элементами ротаметра
для местного измерения расхода являются расширяющаяся кверху
вертикальная конусная трубка – 1 (длина трубки обычно не менее
чем в 10 раз превышает её диаметр) и поплавок – 2, находящийся
токе измеряемого вещества внутри трубки. Принцип действия рота-
в по
метров (стеклянных и металлических) основан на восприятии динамического напора потока измеряемой среды чувствительным элементом
ротаметра – поплавком, помещённым в коническую трубку, по которой
вверх проходит поток измеряемой среды. По мере повышения расхода
через ротаметр поплавок перемещается вверх. При изменении положения поплавка сечение между ни
м и внутренней стенкой конической трубы изменяется, что ведёт к изменению скорости потока в проходном
сечении, а, следовательно, к изменению перепада давления на поплавке.
Перемещение поплавка происходит до тех пор, пока перепад давлений
не станет равным массе поплавка, приходящейся на единицу площади
его поперечного сечения. Каждому значению расхода среды, п
роходящему через ротаметр при определённой плотности и кинематической
вязкости, соответствует определённое положение поплавка. Поплавок
можно визуально контролировать по всему диапазону его применения.
Равновесное состояние поплавка, соответствующее его определённому
положению по вертикали, однозначно характеризует расход. Ротаметры
предназначены для измерения объёмного расхода плавно меняющихся
однородных потоков чистых и слабо загрязнённых жидкостей и газов
исперсными включениями инородных частиц.
с д
К основным преимуществам ротаметров можно отнести простоту
конструкции, возможность измерения малых расходов, значительный
диапазон измерения, возможность измерения расхода агрессивных сред,
достаточно равномерную шкалу. Недостатками ротаметров являются
большая чувствительность к температурному изменению вязкости (особенно при малых расходах), невозможность измерения расхода загрязнённых жидкостей и жи
дкостей, из которых выпадает осадок.
Общие сведения о использовании ротаметров. Ротаметры вы-
пускают по ГОСТ 13045–81. Длина прямого участка трубопровода
перед ротаметром должна быть не менее 10 D
не менее 5 D
. Потеря напора от установки ротаметра не превышает
y
, после ротаметра –
y
0,01 МПа для жидкостей и 0,005 МПа для газов.
При заказе ротаметра следует указать его тип, предел измерения,
измеряемую среду, исполнения, категорию размещения и тип вторичного прибора.
82
На заводе-изготовителе ротаметры тарируются по воде или воздуху. Для применения ротаметров на других средах требуется индивидуальная градуировка. Промышленный ротаметр для
местного измерения расхода (рис. 4.2) представляет собой коническую трубку 2 из стекла (или
органического стекла), закреплённую в металлических головках 5, которые стянуты шпильками 4,
образующими защитную реш
ётку вокруг стекла.
В трубке 2 свободно перемещается поплавок 1.
Движущийся поток измеряемого вещества, проходя по косым прорезям, имеющимся в верхней
части поплавка, вращает его, благодаря чему поплавок центрируется в трубке. Шкала 3 прибора
(условно в процентах) нанесена непосредственно
на стеклянную трубку. Отсчёт показаний прибора
производят по острой ве
рхней кромке поплавка.
Технические характеристики промышлен-
Рис. 4.2. Ротаметр
ных ротаметров. Давление контролируемой ротаметрации 0,6 МПа,
температура для ротаметров типа РМ-А, РМ и PC-3 от 5 до 50 °С, для
ротаметров PМФ от –30 до +100 °С. У ротаметров типа РМ-А и
РМ поплавок изготовляют из стали 12Х18Н9Т, X18H9T, анодированного дюралюминия, эбонита или титана. У ро
таметров типа РМФ,
PCC, предназначенных для измерения расхода агрессивных сред,
поплавок футерован фторопластом-4, а, соприкасающегося с измеряемой средой – лабораторное стекло и фторопласт-4.
Ротаметры типа PCC могут работать при температуре измеряемой
среды –40 + 100 °С. Относительная влажность окружающего воздуха
до 80%.
Верхние фактические пределы измерения ротаметров не должны
превышать значений верхних пределов, указанных для каждого пр
ибора, более чем на 20%, нижний предел измерения должен составлять
не более 20% от верхнего фактического предела измерения. Основная
погрешность Δ2,5%.
Ротаметры с электрической дистанционной передачей пока-
заний являются бесшкальными датчиками, предназначенными для
измерения расхода жидкости, нейтральной к стали 12Х18Н9Т, и преобразования величины расхода в электрический унифицированный
сигнал. Для этого типа пр
иборов минимальный расход среды, который
может быть надёжно измерен, составляет 20% максимального значения измеряемого расхода. Прибор состоит из двух основных частей –
83
ротаметрической и электрической, которые трубкой разделены между
собой. Основным элементом ротаметрической части является конический поплавок, перемещающийся внутри кольцевой диафрагмы или
грибообразный поплавок, движущийся внутри вертикально расположенной конической трубки. Электрическая часть состоит из индукционной катушки с сердечником, жёстко связанным с поплавком.
Катушка включена в дифференциально-трансформаторную схему вторичного пр
ибора. Под действием потока измеряемого вещества поплавок перемещается вверх и увлекает за собой плунжер индукционного
датчика. Перемещение плунжера приводит к дисбалансу дифференииально-трансформаторной схемы, и на вторичный прибор поступает
сигнал, пропорциональный измеряемому расходу. Конструктивно ротаметр представляет собой стальной корпус с камерой, внутри которой
имеется кольцевая диафрагма и поплавок со стержне
м. В верхней части корпуса имеется направляющая трубка с насаженной на неё индукционной катушкой, закрытой кожухом. Под кожухом имеется регулировочная гайка, вращением которой производят перемещение индукционной катушки при градуировке ротаметра. На верхнем конце
стержня закреплён плунжер индукционного датчика. Под действием
потока измеряемого вещества поплавок перемещается вверх и увлекает за со
бой плунжер индукционного датчика. Перемещение плунжера
приводит к разбалансу дифференциально-трансформаторной схемы,
и на вторичный прибор поступает сигнал, пропорциональный измеряемому расходу. Ниже приведено описание принципа работы ротаметра. РЭ с дифференциально-трансфарматорным выходом включает
в себя ротаметр электрический РЭ-16 и вторичный дифференциальнотрансформаторный прибор типа КСД-3
. Схема лабораторной установки приведена на рис. 4.3. Ротаметр типа РЭ-16 разрезан для того,
чтобы было видно его устройство. Для перемещения поплавка 1 относительно дискового седла 2 служит винт 3 с нарезанной на нём резьбой. Вращая ручку 4 можно поднимать или опускать площадку 5,
на которую опирается стержень 6, св
язанный с поплавком 1 и сердеч-
ником 7 дифференциально-трансформаторного датчика 8.
Вторичный прибор 9 типа КСД-3 включает в себя электронный
усилитель ЭУ, реверсивный двигатель РД, кинематически связанный
с кулачком 10 и стрелкой прибора, а также дифтрансформаторный
датчик 11, аналогичный датчику 8. Сердечник 12 дифтрансформаторного датчика 11 прибора КСД-3 мо
жет перемещаться при вращении
кулачка 10.
К первичным обмоткам датчиков 8 и 11 подводится переменное
напряжение 24 В с частотой 50 Гц.
84
Рис. 4.3. Схема лабораторной установки
Вторичные обмотки датчиков 8 и 11 включены встречно друг
к другу. Если сердечники 7 и 12 находятся в одинаковых положениях,
то сигналы в них равны по амплитуде и противоположны по фазе.
В этом случае на вход усилителя ЭУ сигнал не поступает и реверсивный двигатель РД не вращается. При изменении расхода жидко
сти
поплавок 1 переместится относительно дискового седла 2, а вместе
с ним переместится сердечник 7. В результате сигнал во вторичной
обмотке датчика 8 станет отличаться от сигнала датчика 11. Сигнал
разбаланса поступит на усилитель ЭУ, усилится и приведёт во вращение реверсивный двигатель РД, который посредством кулачка 10
переместит сердечник 12 в такое но
вое положение, в котором сигналы
во вторичных обмотках датчиков 8 и 11 станут равны по амплитуде и
противоположны по фазе. В результате сигнал на входе усилителя ЭУ
станет равен нулю и схема придёт в равновесие.
Ротаметры с пневматической дистанционной передачей и
местной шкалой показаний выпускают четырёх типов: типа РП для
ения расхода жидкостей, нейтральных к стали 12Х18Н9Т, типа
измер
РПФ для измерения расхода агрессивных жидкостей, нейтральных к
фторопласту-4, типа РПО с паровым обогревом для измерения расхода
кристаллизующихся жидкостей, нейтральных к стали 10Х17Н13М2Т,
типа РПФ-И, которые являются индикаторами и применяются для
контроля расхода агрессивных жидко
стей, нейтральных к фторопла-
сту-4. Все эти четыре типа приборов предназначены для измерения
85
расхода жидкости и преобразования его в дифференцированный
выходной сигнал 0,02…0,10 МПа, подаваемый на вторичный прибор.
Ротаметр с пневматической дистанционной передачей и местной шкалой показаний (рис. 4.4) состоит из двух основных частей – ротаметрической и пневматической. Ротаметрическая часть прибора представляет собой прямоточную трубу, в которой находятся мерительный
конус, и перемещающийся под воздействием и
змеряемого потока
поплавок с хвостовиком, направленным вверх и имеющим дополнительное центрирующее устройство. К корпусу ротаметрической части
крепят пневмоголовку, обеспечивающую местные показания и преобразование высоты положения поплавка в пневматический сигнал, который поступает к вторичному прибору.
Преобразование высоты положения поплавка в пневматический сиг-
нал осуществляется с помощью магнитопневматического преобразовате-
и перемещении сдвоенных магнитов 5, встроенных в хвостовик
ля. Пр
поплавка, изменяется положение находящегося в пневмоголовке следящего магнита 4 и жёстко связанной с ним заслонки сопла 3. Изменение
зазора между соплом и заслонкой вызывает изменение давления в пневмоусилителе 2. Усиленный по мощности сигнал поступает на выход прибора и в с
такан 7. Вследствие этого, сильфон 8 сжимается или разжимается, перемещая шток 6 с закреплённым на его конце соплом 3. Перемещение будет происходить до тех пор, пока следящий магнит с заслонкой
не займёт первоначальное положение относительно сдвоенных магнитов.
а) б)
Рис. 4.4. Ротаметр с пневматической дистанционной передачей данных:
а – схема магнитопневматического преобразователя; б – внешний вид
86
Перемещение штока 6 с помощью кинематической передачи преобразуется во вращательное движение стрелки, шкала местных показаний – 100%-ная равномерная. Выходное давление и давление питания контролируются по манометрам 1.
При перемещении поплавка из нижнего положения, соответствующего отсутствию расхода, в верхнее положение, соответствующее
верхнему пределу измерения, давление на выходе прибора изменяется
до 100 кПа.
от 20
Кроме соблюдения общих требований к месту расположения
приборов, фланцевым соединениям и т.п., следует предусмотреть обводную линию (байпас) с запорными вентилями для возможного отключения прибора без перекрытия потока жидкости в трубопроводе.
Направление потока среды должно быть таким, чтобы она входила
в вертикальный патрубок и выходила из г
оризонтального (ротаметры
РЭ) и снизу вверх (ротаметры РС, РП, РПО). Ротаметры устанавливаются строго в вертикальном положении во избежание заклинивания
поплавка или штока, возможно дальше от побудителей расхода.
Работы по наладке ротаметров состоят из индивидуального опробования и собственно наладки систем измерения. При наладке систем измерения расхода требуемую точность измер
ения проверяют сравнением показаний прибора систем измерения с непосредственными измерениями расхода или данными, полученными расчётом.
4.2. РАСХОДОМЕРЫ ПЕРЕМЕННОГО ПЕРЕПАДА ДАВЛЕНИЯ
Наибольшее распространение из расходомеров переменного перепада давления получили расходомеры с сужающим устройством,
работа которых основана на зависимости от расхода перепада давления, образующего на сужающем устройстве в результате частичного
перехода потенциальной энергии в кинетическую.
Причиной широкого распространения таких расходомеров являются следующие их достоинства:
1. Универсальность применения. Они пригодны для измерения
расхода, каки
х угодно однофазных, а в известной мере и двухфазных,
сред при самых различных давлениях и температурах.
2. Удобство массового производства. Индивидуально изготовляется только преобразователь расхода – сужающее устройство. Все остальные части, в том числе дифманометр и вторичный прибор, могут
изготавливаться серийно; их устройство не зависит ни от вида, ни от
араметров измеряемой среды.
п
3. Отсутствие необходимости в образцовых установках для градуировки. Градуировочная характеристика стандартных сужающих
устройств может быть определена расчётным путём. Наряду с этим,
87
расходомеры с сужающим устройством имеют недостатки, наиболее
существенными из которых являются следующие:
1. Квадратичная зависимость между расходом и перепадом, что
не позволяет измерять расход менее 30% максимального из-за высокой
погрешности измерения и затрудняет использование этих приборов
для измерения расходов, изменяющихся в широких пределах.
2. Ограниченная точность, причём погрешность измерения колеблется в ш
ироких пределах (1,5…3,0%) в зависимости от состояния
сужающего устройства, диаметра трубопровода, постоянства давления
и температуры измеряемой среды.
Метод основан на том, что поток вещества, протекающего в трубопроводе, неразрывен и в месте установки сужающего устройства
скорость его увеличивается. При этом происходит частичный переход
потенциальной энергии давления в кинетическую энергию скорости,
вследствие чего статическ
ое давление перед местом сужения будет
больше, чем за суженным сечением. Разность давлений до и после сужающего устройства – перепад давления – зависит от расхода протекающего вещества и может служить мерой расхода.
К стандартным (нормализованным) сужающим устройствам относятся диафрагма, сопла и трубы Вентури, удовлетворяющие требованиям Правил и применяющиеся без индивидуаль
ной градуировки
(в процессе проектирования при выборе стандартных сужающих устройств не нужно производить полный расчёт, так как его выполняет
завод-изготовитель по данным опросного листа, заполняемого заказчиком. В связи с этим в проекте делают только приближённые расчёты
в целях выбора типа сужающего устройства, проверки величины потери давления в этом устро
йстве и определения требуемых длин прямых
участков трубопровода до и после сужающего устройства, а также выбора типа и пределов показаний дифманометра) в комплекте со стандартным дифманометром. При измерении расхода газов и жидкостей
допускается применять как угловой, так и фланцевый способы отбора
перепада давления на диафрагмах и углово
й способ отбора на соплах,
на соплах и трубах Вентури. Перепад давления при угловом способе
отбора измеряют как разность между статическими давлениями, взятыми непосредственно у плоскостей сужающего устройства в углах,
образуемых последними со стенкой трубопровода. При угловом способе отбора перепад давления измеряется через отдельные цилиндрические отверстия или через две кольцевы
е камеры, каждая из которых
соединена с внутренней полостью трубопровода кольцевой щелью
(сплошной или прерывистой) или группой равномерно распределённых по окружности отверстий. При применении отдельных отверстий
наилучшие результаты обеспечивает установка устройств в обойму.
88
Кольцевая камера выполняется либо непосредственно в «теле» сужающего устройства, либо в каждом из фланцев, либо в специальной
промежуточной детали – корпусе. При малых давлениях и большом
диаметре трубопровода кольцевая камера может быть образована также полостью трубки, согнутой вокруг трубопровода в кольцо или прямоугольник. Сужающие устройства с кольцевыми камерами более
бны в эксплуатации, особенно при наличии местных возмущений
удо
потока, так как кольцевые камеры обеспечивают выравнивание давления по окружности трубы, что позволяет более точно измерять перепад давления при сокращённых прямых участках трубопровода. При
фланцевом способе отбора перепад давления измеряют через отдельные цилиндрические отверстия, расположенные на одинаковом расстоянии до пло
скостей диафрагмы. Оси отверстий для отбора давления
до и после сужающего устройства могут находиться в разных меридиональных плоскостях. На одном сужающем устройстве можно использовать два и более дифманометров с различным сочетанием шкал.
При установке сужающих устройств необходимо соблюдать ряд
условий, существенно влияющих на погрешности измерения.
Сужающие устройства должны располагаться п
ерпендикулярно
оси трубопровода, неперпендикулярность не должна превышать 1°.
Ось сужающего устройства должна совпадать с осью трубопровода,
смещение не должно превышать 0,005D
. Следует обеспечивать
20
установившееся течение потока перед входом в сужающее устройство
и после него, для чего необходимо наличие прямых участков трубопровода определённой длины до и после сужающего устройства.
Длина этих участков должна быть такой, чтобы искажения потока,
вносимые потоками, вентилями, тройниками и т.д., смогли сгладиться
до подхода потока к сужающему устройству. Искаж
ения потока перед
сужающим устройством значительно сильней влияют на погрешность
измерения, чем искажения за сужающим устройством, поэтому задвижки и вентили, особенно регулирующие, рекомендуется устанавливать после сужающих устройств.
Длина прямого участка перед сужающим устройством зависит от
относительной площади m сужающего устройства, диаметра трубопровода и вида местного сопротивления, расп
оложенного до прямого
участка. Длина прямого участка после сужающего устройства зависит
только от числа m.
Стандартные сужающие устройства. При выборе сужающего
устройства необходимо руководствоваться следующими соображениями. Потеря давления в сужающих устройствах увеличивается
в следующей последовательности: труба Вентури, длинное сопло
Вентури, короткое сопло Вентури, сопло, диафрагма; при одних и тех
89
же значениях m и P и прочих равных условиях сопло позволяет измерять больший расход, чем диафрагма, и обеспечивает более высокую
точность измерения по сравнению с диафрагмой (особенно при малых
значениях m); изменение или загрязнение входного профиля сужающего устройства в процессе эксплуатации влияет на коэффициент расхода диафрагмы в большей степени, че
м на коэффициент расхода
сопла; первое место среди сужающих устройств по стоимости, простоте изготовления и монтажа занимают диафрагмы.
Стандартная диафрагма. Для диафрагм с угловым способом
отбора перепада давления допустимые диапазоны значений диаметров
трубопроводов D и относительных площадей сужающих устройств m
должны находиться в пределах 50 мм < D < 1000 мм; 0,05 < m <0,64
рубопроводов диаметром D > 1000 мм рекомендуется принимать
(для т
расчётные значения, соответствуют D = 1000 мм). Для диафрагм
с фланцевым способом отбора перепада давления эти величины должны
находиться в пределах 50 мм < D < 760 мм; 0,04 < m < 0,56. Диаметр
отверстия диафрагм независимо от способа отбора перепада давления
d > 12,5 мм. Бескамерные диафрагмы на P
по ГОСТ 14322–77, а камерные диафрагмы на P
до 32 МПа изготовляются
y
до 10 МПа –
y
по ГОСТ 14321–73.
Диафрагма (рис. 4.5) представляет собой тонкий диск 3 с круглым
отверстием, ось которого располагается по оси трубы. Передняя (вход-
ная) часть отверстия имеет цилиндрическую
форму, а затем переходит в коническое расширение. Передняя кромка должна быть прямоугольной (острой) без закруглений и заусениц. На рисунке приняты следующие обозн
чения: D
да перед сужающим устройством; d
– внутренний диаметр трубопрово-
20
20
а-
– внут-
ренний диаметр диафрагмы.
Выше оси показано измерение перепада
давления через кольцевые камеры 1, ниже
оси – через отдельные отверстия 2. Толщина
диска диафрагмы не должна превышать
0,05D
.
20
В обозначении камерной диафрагмы
указывается условное давление, проход тру-
Рис. 4.5. Диафрагма:
d
диаметр диафрагмы;
D20 – внутренний
диаметр трубопровода
90
– внутренний
20
бопровода, исполнение посадочных мест,
материал корпусов камер и диска, номер соединения с импульсными трубками или сосудами и ГОСТ. Ниже приведён пример обозначения камерной диафрагмы со следую-