Тверской государственный технический университет

Кафедра АТП

Лабораторная работа

Изучение и испытания системы измерений расхода газовых потоков

Тверь 2009

Цель работы: изучение принципа действия дроссельных систем измерений расхода газовых потоков и процедур расчета массового и объемного расходов газовых потоков с изменяющимися параметрами.

Задание на работу:

1. изучить принцип действия дроссельной системы измерений расхода газовых потоков;

2. провести испытания дроссельной системы измерения газовых потоков в соответствии с заданием, полученным у преподавателя;

3. составить отчет по лабораторной работе.

Назначение и принцип действия

Расход жидкостей и газов является одним из важнейшим параметров, информация о котором используется как для управления различными технологическими процессами, так и для выполнения товароучетных операций.

Расход – количество вещества (жидкости или газа), протекающее через данное сечение трубопровода в единицу времени. При этом количество вещества определяется его массой или объемом.

Средства измерения расхода веществ называются расходомерами.

В настоящее время известно множество принципов измерений расхода веществ, однако наиболее распространенным как в нашей стране, так и за рубежом является принцип переменного перепада давлений на сужающем устройстве, который используется в работе дроссельных расходомеров (расходомеров переменного перепадов давления).

Широкое использование дроссельных расходомеров и дроссельных измерительных систем связано с их существенными преимуществами. К ним относятся: простота и надежность, отсутствие движущихся элементов, легкость серийного изготовлений средства измерений, способность работать при практически любых давлениях и температурах контролируемого потока жидкой или газообразной среды, возможность измерения практически любых расходов и, что особенно существенно, возможность определения градуировочной характеристики средства измерения расчетным путем, т.е. без использования дорогостоящих расходоизмерительных эталонных установок.

На рис. 1а показана схема простейшей дроссельной расходоизмерительной системы. Она содержит сужающее устройство (дроссель) 2, размещенное в трубопроводе 1, которое выполняет функции первичного измерительного преобразователя. Принцип действия этого преобразователя состоит в использовании эффекта, сопровождающего протекание потока жидкости, газа или пара через сужающее устройство и выражается в возникновении разности (перепада) давлений на сужающем устройстве, которая зависит от расхода.

Наличие сужение в трубопроводе вызывает увеличение скорости W₂ потока по сравнению с его скоростью W₁ до сужающего устройства. Благодаря этому давление потока на выходе из сужающего устройства уменьшается, т.е. возникает разность давлений, которая воспринимается промежуточным измерительным преобразователем 3 – преобразователем разности давлений. Последний формирует на своем выходе унифицированный сигнал, который по каналу связи 4 поступает в приемник информации 5 (вторичный прибор, автоматический регулятор или компьютер). В качестве сужающего устройства обычно используются диафрагмы (тонкие пластины с отверстием) или сопла, имеющие специальный профиль. Чаще используются диафрагмы. Давления Р₁ и Р₂ (см. рис 1а) отбираются в непосредственной близости от стенок диафрагмы. Причем большее давление Р₁ называют «плюсовым», а меньшее Р₂ – «минусовым». Также называют соответствующие камеры преобразователя разности давлений 3.

В общем случае массовый G и объемный в условиях трубопровода (так называемые рабочие условия) Q_р расходы описываются выражениями:

G=, (1)

Q_p=, (2)

где c= - постоянный коэффициент;

- коэффициент расхода, определяемый опытным путем или по справочным данным;

- поправочный коэффициент (<1), учитывающий расширение измеряемой среды, который применяется в случаях измерения расхода сжимаемых сред (газа или пара) и определяется при расчете расхода измерительной системы;

- диаметр входного отверстия сужающего устройства;

- плотность измеряемой среды в рабочих условиях до сужающего устройства;

- перепад давлений на сужающем устройстве.

При измерении расхода жидких сред (несжимаемые среды) обычно принимается, что плотность среды в рабочих условиях является постоянной величиной, т.к. на нее практически не влияет давление и мало влияет температура в трубопроводе.

Из выражений 1 и 2 следует, что как объемный, так и массовый расходы однозначно определяются разностью давлений на сужающем устройстве.

Для газов и паров задача изменения расхода различными расходомерами, в том числе и дроссельными, существенно усложняется, т.к. плотность сжимаемой среды зависит не только от ее химического состава, но и от давления и температуры в трубопроводе.

Плотность сжимаемой среды в рабочих условиях обычно описывается выражением:

, ,(3)

где – плотность среды в нормальных условиях;

и - абсолютные давление и температура среды в трубопроводе до сужающего устройства;

- коэффициент сжимаемости среды, характеризующий отличия свойств реальной сжимаемой среды от свойств идеально газа (при небольших давлениях обычно принимается равным 1);

и – абсолютные давления и температура соответствующие нормальным условиям (нормальными условиями принято считать температуру =293,15К или t_н=20 ⁰С, давление Р_н=101325 Па или 760 мм. рт. ст и относительную влажности =0).

При измерениях расходов газовых потоков, которые имеют большое коммерческое значение в настоящее время широко используются дроссельные расходоизмерительные системы (рис. 1б), в состав которых, помимо дроссельного расходомера, включается автоматический анализатор плотности газов в рабочих условиях. Такие расходоизмерительные системы осуществляют косвенные измерения расхода в соответствии с выражениями (1) или (2), а именно, здесь осуществляется измерение разности давлений на сужающем устройстве 2 с помощью преобразователя 3 и плотности газа в рабочих условиях с помощью автоматического анализатора 7, часто размещаемого непосредственно в трубопроводе перед сужающим устройством. Сигналы преобразователя 3 и анализатора 7 по каналам связи 4 и 8 поступают в вычислительное устройство 6, которое, используя обычно выражение (1), рассчитывает массовый расход газового потока и вырабатывает сигнал, который по каналу связи 9 поступает в приемник информации 5.

Современные автоматические анализаторы плотности газов в рабочих условиях дороги и сложны в эксплуатации. Поэтому они используются, как правило, в системах коммерческого учета газовых потоков на магистральных газопроводах. В связи с этим в дроссельных расходоизмерительных установках используются более простые косвенные измерения, базирующиеся на измерениях помимо разности давлений еще и давления и температуры или только давления, для чего применяются простые надежные датчики давления и температуры.

Возможность осуществления таких измерений вытекает из анализа выражений (1), (2) и (3), а именно

, (4)

, (5)

где – постоянный коэффициент, значение которого определяется расчетным путем в соответствии с действующим стандартом на дроссельные расходоизмерительные системы.

Часто помимо информации об объемном расходе в рабочих условиях Q_p, необходимо располагать информацией об объемном расходе газа в нормальных условиях Q_н, которое описывается выражением:

, (6)

Если принять, что z=const, а химический состав газа не изменяется, то есть =const, то выражения (4), (5) и (6) можно преобразовать к виду:

, (7)

где ,

, (8)

где ,

, (9)

где .

Выражения (7)-(9) используются в том случае для косвенных измерений расхода, когда измеряются три параметра: разность давлений на сужающем устройстве, абсолютное давление P и абсолютная температура T в трубопроводе до сужающего устройства.

Наиболее распространенным является косвенное измерение расходов газовых потоков с использованием информации только от двух параметров: разности давлений на сужающем устройстве и абсолютном давлении P в трубопроводе до сужающего устройства. В этом случае принимается, что плотность газа в нормальных условиях , коэффициент z и абсолютная температура T в процессе измерений остаются постоянными.

Тогда выражение (4), (5) и (6) могут быть преобразованы к виду

, (10)

где ;

, (11)

где ;

, (12)

где .

В выражениях (10)-(12) обычно абсолютное давление газовой среды принимается равным абсолютному давлению до сужающего устройства ().

При расчетах дроссельных расходоизмерительных систем в соответствии со стандартизованной нормативной документацией принято использовать следующие размерности величин, входящих в выражения (1)-(6): для плотностей и кг/м³; для давлений и - кгс/см²; для разности давлений () – кгс/м²; для температур Т и Т_н – К; для диаметра отверстия сужающего устройства d – мм.

Коэффициент k, входящий в указанные выражения, при этом вычисляется с учетом применения размерностей перечисленных величин. Такой прием позволяет получить возможность использования без предварительного перевода в международную систему единиц результатов измерений всех величин, выполненных соответствующими средствами измерений.

Схема дроссельной расходоизмерительной системы, способной осуществлять косвенное измерение расхода газа в соответствии с выражениями (10) и (12), показана на рис. 1в.

Структурная схема этой системы идентична схеме расходоизмерительной системы показанной на рис. 1б. Отличие состоит в том, что вместо анализатора плотности газовой среды в рабочих условиях в ней используется датчик абсолютного давления этой среды 10. Этот датчик обеспечивает преобразование абсолютного давления до сужающего устройства в унифицированный сигнал. Назначение остальных элементов системы (рис. 1в) аналогично элементам системы, приведенной на рис. 1б.

Погрешность измерения расхода с помощью дроссельных расходоизмерительных систем при условии постоянства параметров z, , T и составляет +- 1,5-2 %.