3. Ультразвуковые приборы

Принцип действия ультразвуковых расходомеров основан на том, что фактическая скорость распространения ультразвука в движущейся среде газа или жидкости равна геометрической сум­ме средней скорости движения среды и собственной скорости зву­ка в этой среде.

Чувствительным элементом датчика (излучателя и приемника) является пьезоэлемент—прямоугольная кварцевая пластинка с плоско-парательными

Рисунок 5.9 принципиальная схема ультразвукового расходомера

гранями, которая обладает свойствами прямого и обратного пьезоэлектрического эффекта Если к одним противоположным граням пьезоэлемента подключить напряжение то под действием электрического поля на двух других противоположных гранях возникают механические колебания И наоборот, если на одних гранях возбуждать механические колебания то на противоположных гранях возникает пьезоэдс. Ультразвуковой расходомер ИРУ 63 имеет датчик, электронный блок и регистрирующий прибор.

5.4 Выбор и расчет устройства для измерения расхода воды.

При выборе измерительных устройств, принимают во внимание принцип действия, условия работы, а также свойства окружающей среды.

Из всех выше перечисленных устройств наиболее подходящим является расходомер переменного перепада – кольцевой дифманометр. Отличительной особенностью кольцевых дифманометров является возможность их использования при измерении малых перепадов давлений.

Метод измерения расхода по переменному перепаду давления является достаточно точным, удобным и универсальным, а во многих случаях единственно приемлемым для измерения расхода воды.

Далее будет рассмотрено устройство кольцевого дифференциального манометра типа ДК – Ф. В начала общий принцип действия расходомеров переменного перепада. Принцип действия таких приборов, объединенных общим методом измерений, основан на измерении перепада давления, образующегося в результате изменения скорости измеряемого потока на специальном сужающем устройстве, называемом диафрагмой.

При протекании жидкости или газа через сужающее устройство часть потенциальной энергии давления переходит в кинетическую энергию, при этом средняя скорость потока в суженном сечении повышается, а давление уменьшается. (рисунок 5.10).

При протекании газа или жидкости образуется разность давлении до и после сужающего устройства. Разность этих давлений (перепад давлений) зависит от скорости (расхода) протекающего вещества. Величина перепада давлений измеряется специальными устройствами, называемыми дифференциальными манометрами. При прохождении реальных измеряемых сред через сужающее устройство возникают дополнительно такие физические явления, как потери давления на вязкое трение, изменение плотности и другие, которые соответствующим образом учитывают при расчетах сужающих устройств

а — диафрагма, 1 — трубопровод, 2 — сужающее устройство (диафрагма), б—распределение давления у сужающего устройства, P₁'— давление в сечении S₁, P₁—давление перед диафрагмой, Р₂—давление в сечении S₂., P₂ — давление после диафрагмы, ∆Р — перепад давления на диафрагме.

Рисунок 5.10 – Измерение расхода газов и жидкости с помощью сужающего устройства

К стандартным сужающим устройствам относятся диафрагмы, сопла и трубки Вентури. Наиболее распространенным типом сужающих устройств являются диафрагмы дисковые нормальные типа ДДН и диафрагмы камерные нормального типа ДКН.

Нормальная диафрагма представляет собой круглый металлический диск с центральным концентрическим отверстием, диаметр которого строго соответствует выполненному расчету стандартного сужающего устройства.

Диафрагма должна иметь острую прямоугольную кромку со стороны входа измеряемого потока жидкости или газа. К установке диафрагмы относительно оси трубопровода, остроте прямоугольной входной кромке и допуску диаметра диафрагмы предъявляются определенные требования: входная кромка диафрагмы не должна иметь следов затуплений, задиров и закруглений.

Допустимое отклонение от оси отверстия диафрагмы до оси трубы должно составлять не более 0,015 D (D/d—1), где D— внутренний диаметр трубы, d—внутренний диаметр диафрагмы, мм.

Предельный допуск на внутренний диаметр диафрагмы в зависимости от расчетных данных составляет ± (0,001—0,005) мм.

Нормальные диафрагмы устанавливают на прямолинейном горизонтальном или вертикальном участке трубопровода для создания ламинарного потока в измеряемой среде. В зависимости от схемы технологических трубопроводов (наличие вентилей, задвижек, колен и закруглений участков трассы) определяют прямые участки до и после диафрагмы. Ориентировочно длина прямого участка должна составлять: до диафрагмы—не менее 10 диаметров трубопровода—10 D, после диафрагмы—не менее 5 диаметров трубопровода—5 D. Отборы «+» и «—» от камеры при измерении расходов жидкостей устанавливают сбоку перпендикулярно оси трубопровода для исключения погрешности измерений от воздушных «подушек».

В качестве материала диафрагм обычно используют нержавеющую сталь марки Х18Н9Т, устойчивую в условиях агрессивных сред. На верхней части диафрагмы находятся паспортные данные и номер используемого дифференциального расходомера.

Во избежание дополнительной погрешности измерения перепада давлений центр отверстия диафрагмы должен строго лежать на оси трубопровода. Для измерения расхода приборами переменного перепада давлений необходимо иметь: сужающее устройство для создания перепада давлений в измеряемом потоке; первичный датчик—дифференциальный манометр, измеряющий перепад на сужающем устройстве: импульсные соединительные линии, соединяющие сужающее устройство с дифференциальным манометром; вторичный измерительный прибор.

Отборы «+» и «—» от камеры при измерении расходов жидкости устанавливают вверх перпендикулярно оси трубопровода, с тем чтобы исключить попадание конденсата (влаги) от паров (или газов), влияющего на точность измерений.

Все дифманометры переменного перепада для измерения расхода имеют неравномерную (квадратичную) шкалу в связи с существующей квадратичной зависимостью между перепадом давлений и расходом

(5.2)

где Q—объемный расход, —коэффициент, учитывающий отношение диаметров трубопровода и сужающего устройства и степень сжатия потока, —коэффициент, учитывающий изменение плотности потока при прохождении через сужающее устройство, —плотность газа или жидкости, P₁-Р₂—перепад давлений на диафрагме, F₀—площадь внутреннего отверстия сужающего устройства.

Кольцевой дифференциальный манометр типа ДК Ф (рисунок 5.11), работающий по методу переменного перепада давлений применяется для измерения расхода и разности давлений неагрессивных газов и жидкостей Отличительной особенностью кольцевых дифманометров является возможность их использования при измерении малых перепадов давлений.

1 – трубка отбора перепада давления от диафрагмы, 2 – импульсные трубы, 3 – подвижное кольцо, 4 – связь, 5 – шкала, 6 – противовес, 7 – стрелка, 8 – опора, 9 – лекало, 10 – перегородка, 11 – накладка, 12 – кронштейн, 13 – ферродинамический преобразователь.

Рисунок 5.11 – Кольцевой дифманометр типа ДК – Ф:

Чувствительным элементом прибора является заполненное до половины высоты рабочей жидкостью (трансформаторным маслом или водой) полое подвижное подвижное кольцо 3, установленное на опоре 8. В верхней части кольцо разделено перегородкой 10 на два отсека, в которые от камеры через импульсные трубки 2 подается измеряемый перепад давлений. В нижней части кольца укреплен груз — противовес 6. Под действием перепада давлений жидкость,. являющаяся гидравлическим затвором, отделяющим плюсовую и минусовую полости кольцевой камеры, перемещается из камеры с большим давлением (плюсовой) в камеру с меньшим давлением (минусовую).

При этом центр тяжести кольца изменяется, происходит его разворот на опоре 8 на определенный угол. Угол поворота кольца определяется равенством момента вращения М_вр, создаваемого перепадом давлений и противодействующим моментом М_пр. груза — противовеса 6: М_вр=М_пр.

Передаточный механизм преобразует угловое перемещение кольца в перемещение стрелки показывающего прибора.

В целом ряде приборов, в том числе и в приборе ДК-Ф, поворот кольца через передаточный механизм преобразуется в поворот рамок ферродинамических преобразователей.

Кольцевые дифманометры в зависимости от предельного давления различаются: кольцом, поперечной и траверсой, соединительными трубами и запорными органами. Кроме того, приборы различаются схемами передаточных механизмов, способами линеаризации шкалы и характером отсчетного устройства: показывающие, самопишущие и интегрирующие.

Для приборов низкого давления с водяным или масляным заполнением кольцо имеет прямоугольное поперечное сечение и изготавливается из тонкого металла при наружном диаметре 250 – 300 мм.

Для приборов среднего давления с ртутным заполнением кольцо изготавливается из цельнотянутой стальной трубы диаметром 40мм при толщине стенок 3мм.

Опорный узел состоит из поперечины, или траверсы, соединенной с кольцом, в центре которой укреплены две треугольные, равносторонние, призмы из высокоуглеродистой закаленной стали. Призмы опираются на одну длинную или две короткие призматические подушки с внутренним углом около 140º,установленные на кронштейне. Последний укреплен на чугунной или алюминиевой плите, являющейся основанием прибора. Материал подушек должен быть более твердым, чем материал призм.

Присоединительные трубки, передающие перепад к кольцу, имеют максимальную гибкость, обеспечивающую минимальное сопротивление повороту кольца. Для приборов низкого давления применяются резиновые трубки длиной около 200мм при внутреннем диаметре 3 – 5 мм и толщине стенок около 1мм. Трубки должны располагаться параллельно друг другу и не быть закрученными. В приборах с ртутным заполнением, работающих при повышенных давлении, применяются металлические, тонкостенные, спиральные трубки длиной 1300 – 1400мм диаметром 4мм и толщиной стенок 0,2 – 0,3мм. Материал трубок – латунь, фосфористая бронза. Спираль имеет два – три витка.