1.1 Измерение расхода среды методом переменного перепада давления

В данной работе определяется расход жидкостной среды методом переменного перепада давления. Принцип метода состоит в том, что в измерительном трубопроводе, по которому протекает среда, устанавливается сужающее устройство, создающее местное сужение потока. Вследствие перехода части потенциальной энергии потока в кинетическую, средняя скорость потока в суженном сечении повышается, в результате чего статическое давление в этом сечении становится меньше статического давления перед сужающим устройством. Разность этих давлений тем больше, чем больше расход протекающей среды. Следовательно, это может служить мерой расхода [2].

Существует большое количество разновидностей сужающих устройств: диафрагмы, трубы Вентури, сопла Вентури, сопла ИСА 1932 и другие.

Одной из разновидностей сужающих устройств является диафрагма.

Диафрагма – в автоматизации является стальной перегородкой внутри трубы с жидкостью или газом. Используется для создания разности давлений, что в свою очередь необходимо для дифманомегров (измерение расхода жидкости или газа).

Р исунок 1 – Стандартная диафрагма

Сужающие устройства – диафрагмы, предназначены для измерений расхода жидкостей, пара, газов методом переменного перепада давления в комплекте с датчиками разности давлений, а также с датчиками избыточного (абсолютного) давления, датчиками температуры и вычислителем, (по ГОСТ 8.58612005)

Принцип работы диафрагмы. В трубопроводе, по которому протекает жидкое или газообразное вещество, устанавливается диафрагма, создающая местное сужение потока. Вследствие перехода части потенциальной энергии давления в кинетическую, средняя скорость потока в суженном сечении- повышается. Статическое давление потока после диафрагмы становится меньше, чем до неё. Разность этих давлений (перепад давления) тем больше, чем больше расход протекающего вещества.

Конструкция диафрагмы. Выполнена в форме кольца. Отверстие в центре с выходной стороны скошено. Вставляется в кольцевую камеру. Материал диафрагм сталь 12Х18Н10Т ГОСТ 5632, материал корпусов кольцевых камер сталь 20 ГОСТ 1050 или сталь 12Х18Н10Т ГОСТ 5632.

Виды диафрагм. В зависимости от конструкции, износоустойчивости, способа установки, условного давления Ру и диаметра условного прохода трубопровода Dy диафрагмы подразделяются на:

1. ДКС по ГОСТ 8.586-2005- диафрагма камерная стандартная, устанавливаемая во фланцах трубопровода. Рассчитана на условное давление до 10 МПа, с условным проходом от 50 до 500 мм.

2. ДБС по ГОСТ 8.586-2005- диафрагма бескамерная стандартная, устанавливаемая во фланцах трубопровода. Рассчитана на условный проход от 300 до 500 мм, и условное давление до 4 МПа.

3. ДФК (разработана по типу ДКС для Dy < 50 мм) / диафрагма фланцевая, камерная, имеет оригинальную конструкцию, которая позволяет сочетать камерный способ отбора давления и фланцевое соединение.

4. Специальные диафрагмы по РД 50-411

1.2 Кориолисовые силовые расходомеры

Силовыми называются расходомеры, в которых с помощью силового воздействия, зависящего от массового расхода, потоку сообщается ускорение того или другого рода, и измеряется какой-либо параметр, характеризующий степень этого воздействия или его эффекта.

Ускорение потока возникает в процессе изменения его первоначального движения. В зависимости от характера этого изменения и сообщаемого при этом ускорения силовые расходомеры разделяются на: 1) кориолисовые; 2) гироскопические; 3) турбосиловые.

Силовое воздействие может быть внешним и внутренним. Внешнее воздействие сообщается обычно от электродвигателя, который вращает (или колеблет) один из элементов преобразователя расхода, например прямолопастную крыльчатку, закручивающую проходящий через нее поток. Внутренне воздействие осуществляется за счет снижения потенциальной энергии потока, например, при его закручивании неподвижными винтовыми лопатками.

Дополнительное ускорение, сообщаемое потоку в силовых расходомерах, пропорционально массовому расходу. Соответственно пропорционален массовому расходу и измеряемый параметр, характеризующий степень силового воздействия, например мощность, затрачиваемая на закручивание потока, угол закрутки противодействующей пружины и т.п. Поэтому силовые расходомеры, как типичные представители приборов, измеряющих массовый расход, нередко назывались ранее массовыми расходомерами.

Измерение массового расхода – основное и весьма существенное их достоинство. Кроме того, они пригодны для измерения среднего значения пульсирующих расходов, а их показания сравнительно мало зависят от профиля скорости, благодаря чему не требуется значительных прямых участков после большинства местных сопротивлений, за исключением двойного колена, создающего винтовой движение потока. Недостаток силовых расходомеров - сложность конструкции их преобразователей расхода и большое число вращающихся элементов внутри трубопровода.

Корнолисовыми называются расходомеры, в преобразователях которых под влиянием силового воздействия возникает кориолисово ускорение, зависящее от расхода. Для образования этого ускорения непрерывно вращающемуся преобразователю расхода придают конфигурацию, заставляющую поток перемещаться в радиальном направлении по отношению к оси вращения совпадающей с осью трупопровода.

Принципиальная схема кориолисового расходомера изображена на рис. 1 два трубных штуцера 1 и 6 с помощью гибких трубных соединений связаны с трубопроводом, по которому течет измеряемое вещество. Штуцеры соединены друг с другом металлической втулкой (на схеме не показана) и лежат на шарикоподшипниках. Они вместе со стальной частью преобразователя расхода вращаются со скоростью 1800 об/мин от электродвигателя через зубчатую передачу, связанную со штуцером 6. жидкость поступает через штуцер 6. во вращающихся трубках 5 возникает кориолисово ускорение, создающее момент сил, приложенных к стенкам трубки, который направлен противоположно вращающему моменту. В трубках 3, связанных эластичными соединениями 4 с трубками 5, кориолисово ускорение имеет направление, обратное кориолисовому ускорению в трубках 3. поэтому у стенкам трубок 3 приложен момент сил М_к, направленный в сторону от вращающего момента. Момент М_к закручивает тонкую торсионную трубку 2, соединенную с выходным штуцером 1. угол закрутки измеряется с помощью тензорезисторных преобразователей.

Момент М_к определяется уравнением

где r – текущий радиус трубки;

r₁ – радиус (средний), на котором прекращается движение жидкости в радиальном направлении;

r₂ – радиус наружного конца трубки; а – кориолисово ускорение в трубках; р – плотность измеряемого вещества; F – площадь поперечного сечения трубки.

Кориолисово ускорение – ,

где - скорость жидкости в трубке 3; -угловая скорость вращения трубки.

После подстановки значения а в предыдущее уравнение и его интегрирования получается, что

а угол закручивания торсионной трубки 2, имеющей жесткость с, будет

Здесь пренебрежено сопротивлением эластичных соединений 4. Особенность расходомера, приведенного на рис. 1 – независимость мощности, расходуемой электродвигателем, от расхода Q_M, потому что энергия, затрачиваемая при вращении трубок 5, возвращается при проходе жидкости через трубки 3. Мощность электродвигателя расходуется только на преодоление трения в опорах и в уплотнителях или в гибких соединениях преобразователя с трубопроводом.

Более распространен расходомер К-3. Его преобразователь показан на рис. 2. здесь ротор 2 электродвигателя отделен от обмотки 1 статора диамагнитной перегородкой 3 из стали 1X13 толщиной 0,6 мм. Вместе с ротором 2 непрерывно вращается находящийся в нем патрубок 4 с радиальными каналами на выходе. При проходе жидкости через эти каналы возникают кориолисовые силы, создающие момент сопротивления М_к, определяемые уравнением (*). Электродвигателю надо помимо этого момента преодолевать еще момент М_в сопротивления сил вязкого трения жидкости и момент Мм сил трения в опорах. Ротор снабжен шарикоподшипниками, вынесенными за пределы активной зоны потока. Поэтому момент Мм незначителен и постоянен, а следовательно, и не влияет на точность измерения. Предел измерения от 0,1 до 0,7 кг/с. Для увеличения предела при данной мощности электродвигателя надо, согласно уравнению (*), нужно уменьшать наружный радиус г₂. Расходомер К-3 конструктивно прост, но пригоден лишь для измерения веществ с мало изменяющейся вязкостью. Измеряемая величина в нем – мощность, потребляемая электродвигателем.

Для веществ, вязкость которых сильно изменяется, разработан двухсторонний кориолисовый расходомер К-4. его преобразователь состоит из двух роторов, близких по конструкции, направленных навстречу друг другу. Зазор между их радиальными каналами очень небольшой. Каждый ротор приводится во вращение своим электродвигателем в одну сторону с одинаковой угловой скоростью . Поток в радиальных каналах первого ротора направлен от центра к краям и создает кориолисовы силы, противодействующие вращающему моменту первого электродвигателя. В каналах второго ротора поток движется от краев к центру и образует кориолисовы силы, создающие момент, разгружающий второй электродвигатель. Включая обмотки статоров электродвигателей в мостовую схему, измеряют разность токов, потребляемых электродвигателями, которая будет пропорциональна расходу Q_m при условии, что моменты сопротивления М_с и M_m у обоих роторов одинаковые.

Рисунок 1 Рисунок 2