Измерение расхода

Расход жидкостей, газов и пара является одним из важных показателей многих технологических процессов. Отметим некоторые «особенности наиболее распространенных методов измерения расхода.

Перепад давления Δр, образующийся в комбинированной напорной трубке, равен динамическому напору. Скорость ν, соответствующая этому перепаду, определяется из уравнения

где — коэффициент трубки (для правильно изготовленных трубок близок к единице).

Напорные трубки измеряют скорость в конкретной точке сечения потока. Поэтому для определения расхода необходимо знать соотношение между местной скоростью ν и средней скоростью , которое определяется распределением скоростей по сечению трубопровода. При осеcимметричном потоке распределение скоростей определяется числом Рейнольдcа Re и степенью шероховатости трубы. Установлено , что в широком диапазоне чисел Re от 4·10³ до 3·10⁶ ν/= 1 ±0,005 на раcстоянии 0,762 R от центра трубы. При ламинарном режиме это отношение имеет место на расстоянии 0,707R от центра трубы, где R — радиус трубы.

В настоящее время наиболее распространенным в промышленности . методом является измерение расхода с помощью сужающих устройств. Правила применения и расчета сужающих устройств регламентированы [16].

Взаимосвязь между объемным или массовымрасходом и перепадом Δр на сужающем устройстве определяется уравнениями расхода:

;

где F₀ — площадь отверстия сужающего устройства, м³ ; ρ — плотность измеряемой среды перед сужающим устройством, кг/м³ ; α— коэффициент расхода; ε — поправочный множитель на расширение измеряемой среды.

Коэффициент расхода α зависит от относительной площади (модуля) сужающего устройства m и числа Рейнольдса Re. При Re>Re гр а слабо зависит от Re и в основном определяется значением m. Действительный коэффициент расхода а определяется через исходный α_и по формуле (для промышленных расходомеров)

где — поправочный множитель на шероховатость трубопровода;— поправочный множитель на притупление входной кромки диафрагмы (для сопл= 0).

При использовании этого метода измерения часто имеют место погрешности, вызванные несоответствием расчетных и действительных значений параметров в уравнениях расхода. Например, при отклонении температуры среды t от расчетной t _p изменяется плотность среды, что вызывает изменение показаний расходомера. Для сухого газа новое значение плотности ρ определяется через плотность ρ_н при нормальных условиях по формуле

,

где р и T — действительное давление и абсолютная температура среды; и— параметры среды при нормальных условиях;k — коэффициент сжимаемой среды, определяемый по [16].

Для жидкости плотность ρ при температуре t может вычисляться по формуле

где — плотность жидкости при расчетной температуре; β — средний коэффициент объемного теплового расширения жидкости в интервале температур отt p до.

Средняя квадратическая относительная погрешность измерения рас хода показывающим дифманометром определяется по формуле

Составляющие подкоренного выражения определяются по [16].

Электромагнитные расходомеры применимы для измерения расхода электропроводящих сред. Поэтому они не могут быть использованы для измерения расхода газов, нефтепродуктов, масел и других непроводящих сред. Конструкция измерительного преобразователя расходомера практически не изменяет форму и сечение трубопровода и поэтому может широко использоваться для измерения загрязненных жидкостей и пульп. Это один из немногих методов, позволяющих измерять расходы жидких металлов.

Ультразвуковые расходомеры позволяют измерять расход без непосредственного контакта с измеряемой средой. Этот метод пока применяется только для измерения расхода жидкостей.

Некоторое распространение получили тепловые расходомеры (калориметрические, термоанемометрические), работа которых основана на зависимости теплообмена между нагреваемым элементом и потоком от скорости (расхода) измеряемой среды.

6.1. Какие единицы измерения приняты для расхода в системе СИ и как они связаны между собой?

6.2. По трубе диаметром D=100 мм движется поток жидкости со средней скоростью и с = 1,5 м/с. Определите массовый расход жидкости, если ее плотность р= =990 кг/м 3 .

6.3 Определите, как будет изменяться давление в напорных трубках при изменении скорости потока при неизменном статическом давлении?

6.4. Определите перепад давления, создаваемый напорными трубками, если поток воды движется со скоростью 0,1 м/с, плотность воды р= = 985 кг/м³ , коэффициент трубки & т =0,97.

6.6. Расход воды в трубопроводе диаметром D = 80 мм измеряется бронзовой диафрагмой с отверстием диаметром d=58 мм. Температура воды 150 °С, давление воды 2 МПа, перепад давления на диафрагме 0,04 МПа. Определите, как изменится действительное значение расхода, если температура воды станет 20 °С. Диаметр трубопровода, коэффициент расхода и перепад давления на диафрагме считаем неизменными k' _ ==1,0023.

6.7. При оценке погрешности измерения расхода применяется закон сложения средних погрешностей. Какие допущения принимаются при использовании этого закона?

6.8. Применим ли электромагнитный метод измерения расхода для неэлектропроводных жидкостей? Какие жидкости относятся к электропроводным и неэлектропроводным?

6.9. Определите значение ЭДС, индуцируемой в электромагнитном расходомере с диаметром проходного отверстия cf= 100 мм, при расходе воды Q = 200 м 3 / 4 . Индукция магнитного поля В = 0,01 Тл.

6.10. Для измерения ЭДС электромагнитного расходомера предполагается использовать милливольтметр со шкалой 0—20 мВ и входным сопротивлением i? MB =200 Ом; ЭДС расходомера 15 мВ, измеряемая среда — вода, сопротивление воды между, электродами преобразователя R = 10 МОм. Определите погрешность измерения, ЭДС (погрешностью самого милливольтметра пренебрегаем).

6.11. Какой тип электромагнитного расходомера (с переменным или постоянным магнитным полем) следует применять для измерения расхода раствора щелочи?

6.12. Каким образом в электромагнитном расходомере с переменным магнитным полем можно выделить и оценить значение паразитной трансформаторной ЭДС?

6.13. В трубопроводе диаметром 100 мм протекает вода, расход которой меняется от 0 до 300 м 3 /ч. Для измерения расхода установлены ультразвуковые излучатель и приемник. Расстояние между излучателем и приемником 300 мм. Определите время прохождения ультразвуковых колебаний при распространении их «по потоку» и «против потока». Скорость распространения звуковых колебаний в воде с=1500 м/с.

6.14. Для условия задачи (5.45) определите разность времени прохождения звука «по потоку» и «против потока» и разность фазовых углов ультразвуковых колебаний, вызванных разностью скоростей прохождения звука. Частота ультразвука 20 кГц.

6.15. Выведите уравнение, связывающее фазовый сдвиг ультразвуковых колебаний со скоростью потока воды, и оцените влияние температуры на показания осевого ультразвукового фазового расходомера, если известно, что изменение температуры воды от 8 до 25 °С вызывает изменение скорости звука от 1435 до 1475 м/с. Частота ультразвуковых колебаний 25 кГц, скорость потока 10 м/с, расстояние между пьезоэлементами расходомера – 250 мм.

6.16. Произвести расчет сужающего устройства для измерения расхода среды.

Параметры измеряемой среды до сужающего устройства: давление Р_ь температура х_ь внутренний диаметр трубопровода при 20°С — Т>и максималь­ный расход среды Р_тах, допустимая безвозвратная потеря давления среды (Р/РОхЮО, длина прямого участка трубопровода до сужающего устройства Ь\. Рассчитать также предельную относительную погрешность измерения расхода.

Необходимые для расчета данные выбираются из табл. 3, в соответствии с цифрами шифра студента.

Таблицца 5–Варианты заданий и исходные данные	Варианты и исходные данные	0	Последняя цифра шифра студента	Вода	1,4	70	850	Предпоследняя цифра шифра студента	0,50	6	20
		9		Вода	1,2	60	800		0,55	4	14
		8		Вода	1,3	50	2389		0,60	5	26
		7		Вода	1,4	75	972		0,55	2	8
		6		Вода	1,0	20	1167		0,65	3	22
		5		Пар	11,5	420	322		0,55	10	10
		4		Пар	26,5	650	528		0,50	20	10
		3		Пар	13,5	540	133		0,45	15	15
		2		Пар	10,0	320	117		0,55	10	12
		1		Пар	11,0	540	100		0,6	5	6
	Праметры			Измеряемая среда	Р1, МПа	t1, 0C	Qмах, кг/с		Диаметр трубопровода, D, м	Безвозвратнаяпотеря давления Р/Р1·100%, %	L1/D