Приборы для измерения расхода

Поток жидкости или газа количественно характеризуется средней скоро­стью и расходом.

Расход — это количество газа или жидкости, протекающее через попереч­ное сечение трубопровода в единицу времени. Расход может быть объемный (Q), выражаемый в м³/с, или массовый (М), выражаемый в кг/с. Внесистемной единицей измерения расхода является литр в секунду (л/с).

Массовый и объемный расходы связаны между собой зависимостью М= Qр, где р — плотность газа или жидкости.

Средней скоростью потока называется отношение объемного расхода к площади поперечного сечения потока: V_ср = Q/ F, где Q— объемный расход газа (жидкости); F— площадь поперечного сечения потока.

Физически V_ср представляет собой постоянную во всех точках сечения потока, однако вследствие влияния сил вязкости скорость по сече­нию потока распределяется неравномерно. Максимальную скорость имеет поток в центре сечения. При удалении от центра скорость потока уменьша­ется до нуля у стенок трубы.

Потоки делятся на установившиеся и неустановившиеся, ламинарные (безвихревые) и турбулентные (вихревые). В установившемся потоке сред­няя скорость и расход жидкости в сечении потока не меняются во времени. Если средняя скорость и расход жидкости в сечении потока изменяются во времени, то такой поток называется неустановившимся.

Расходомеры, применяемые для измерения расхода жидкостей и газов, подразделяются на следующие типы:

скоростные тахометрические и объем­ные счетчики, работающие по принципу измерения частоты вращающихся частей прибора, находящихся в потоке измеряемой среды;

расходомеры по­стоянного перепада давления, воспринимающие рабочим телом (поплавком) гидродинамическое давление измеряемого потока среды;

расходомеры пере­менного перепада давления, воспринимающие перепад давления на сужаю­щем устройстве, установленном в измеряемом потоке;

 индукционные расхо­домеры, работающие на принципе измерения электродвижущей силы, индук­тированной в магнитном поле при протекании потока жидкости;

ультразвуко­вые расходомеры, работающие на принципе измерения скорости распространения ультразвука в измеряемом потоке.

Скоростные и объемные счетчики. Указанные приборы иногда называ­ют водомерами или нефтемерами в зависимости от вида измеряемой жидко­сти. Основным элементом водомера является крыльчатая или спиральная вертушка, установленная на оси в камере прибора. Поступающая в прибор жидкость вращает вертушку, вращение передается счетному механизму, по показаниям которого определяют расход. Как правило, водомеры устанав­ливают на трубопроводе холодного водоснабжения для учета расхода водо­проводной воды. Основным элементом нефтемера является диск, установ­ленный в камере прибора. При заполнении камеры прибора нефтью диск со­вершает колебательное движение, передаваемое счетчику. Каждому колеба­нию диска соответствует определенный объем вытесненной жидкости, равный объему камеры нефтемера.

Тахометрические счетчики. Тахометрические (или турбинные) расходо­меры относятся к наиболее точным приборам для измерения расхода жидко­сти. Погрешность этих приборов составляет 0,5-1,0%. К преимуществам при­боров данного типа относятся простота конструкции, высокая чувствитель­ность, возможность измерений больших и малых расходов. Существенныминедостатками таких приборов являются износ опор и необходимость индиви­дуальной градуировки с помощью градуировочныхрасходомерных установок.

К основным элементам прибора относятся тахометрический датчик (ро­тор) и отсчетное устройство. Принцип действия прибора основан на суммиро­вании за определенный период времени числа оборотов помещенного в поток вращающегося ротора, частота которого пропорциональна средней скорости протекающей жидкости, т. е. расходу.

Счетный механизм расходомера связан с помощью редуктора с тахометрическим ротором. По счетному устройству определяется значение расхода.

Расходомеры (скоростные счетчики жидкости) характеризуются нижним и верхним пределами измерения и номинальным расходом. Нижний предел измерения есть минимальный расход, при котором прибор дает показания с допустимой погрешностью. Верхний предел измерения есть максимальный расход, при котором обеспечивается кратковременная работа счетчика (не бо­лее одного часа в сутки). Номинальный расход есть максимальный длитель­ный расход, при котором обеспечивается допустимая погрешность, а потеря давления не создает усилий, приводящих к быстрому износу трущихся деталей.

Наиболее распространенными типами таких счетчиков являются счетчи­ки типов ВК, УВТ и др. По форме вертушки скоростные счетчики разделяют на крыльчатые и с винтовой вертушкой (турбинные). Вертушка крыльчатых счетчиков имеет прямые лопасти, направленные радиально к ее оси, а у тур­бинных — изогнутые по винтовой линии. Ось вертушки у крыльчатых счет­чиков расположена перпендикулярно оси потока, а у счетчиков с винтовой вертушкой — параллельно ему. На рис. 3.18, а показан счетчик воды турбин­ный ВТ с горизонтальной вертушкой. Поток жидкости при входе в прибор выравнивается струевыпрямителем и направляется на лопатки вертушки. С целью выравнивания (успокоения) потока, кроме стревыпрямителя, до во­домера и после него предусматривают прямые участки трубопровода, длина которых выбирается в зависимости от характера возмущения потока. Червяч­ной парой и передаточным механизмом вращение вертушки передается счетному устройству. Водомеры с винтовой вертушкой могут устанавливаться в любом положении и изготовляются для измерения небольших рас­ходов воды (до 210 м³/ч).

Крыльчатые водомерные счетчики (рис. 3.19) предназначены для уста­новки в горизонтальных трубопроводах и применяются для измерения ма­лых расходов воды (до 6,3 м³/ч). В зависимости от способа подвода воды к вер­тушке крыльчатые водомеры делятся на одноструйные и многоструйные.

В корпусе одноструйного крыльчатого водомера (рис. 3.19, а) выполнены тангенциально направленные каналы для воды, поступающей на лопасти вертушки. Счетный механизм отделен от полости вертушки и передаточно­го механизма сальниковым уплотнением выходной оси.Многоструйныйкрыльчатый водомер имеет в центральной части корпу­са ряд тангенциально направленных каналов для воды, обтекающей лопасти вертушки. Вода отдельными струями проходит через вертушку снизу вверх и уходит из водомера через верхние боковые отверстия. В остальном устрой­ство прибора то же, что и одноструйного водомера.

На рис. 3.19, б показан продольный разрез холодноводного одноструйного крыльчатого водомера (типа СХВК). В бронзовом корпусе, снабженном на входном и выходном патрубках резьбой для установки прибора в трубопрово­де, расположена закрепленная на вертикальной трубчатой оси вертушка с ради­альными лопастями. Внутри расширенной части входного патрубка установле­на металлическая сетка, предохраняющая водомер от засорения. За сеткой по ходу воды расположена продольная пластина с отверстиями, служащая струе- выпрямителем. Ось вертушки опирается агатовым подпятником на керн, соеди­няясь в верхней части с передаточным механизмом, затопленным водой, кото­рый служит для уменьшения числа оборотов ведущей оси и связан со стрелоч­ным счетным механизмом осью, проходящей через сальник. Над счетным ме­ханизмом помещен циферблат (рис. 3.19, в), имеющий шесть круговых шкал с большой стрелкой и пятью малыми, закрытый сверху стеклом в кольцевой оправе и откидной крышкой. Над вертушкой в корпусе прибора расположена чашка с регулировочной пластиной. Крыльчатый водомер устанавливается в прямом горизонтальном участке трубопровода в соответствии с нанесенной на его корпусе стрелкой, указывающей направление потока жидкости.

Шкала большой стрелки водомера (рис. 3.19, в) разбита на 100 частей с ценой деления 0,001 м³ (1 л), а каждой из малых — на 10 частей с ценой деления 0,1; 1; 10; 100 и 1000 м³; дальнейший отсчет показаний начинается снова от нуля.

Ротационные газовые счетчики. Для измерения расхода газа применяют ротационные объемные газовые счетчики типа РГ, которые работают придавлении газа до 100 кПа (1 гс/см²) при температуре газа от 5 до 50 °С. Наименьший расход, измеряемый счетчиком, составляет 10% номинального расхода.

 

Счетчик состоит из корпуса, вращающихся двухлопастных роторов, передаточного и счетного механизмов (рис. 3.20). Перед ротационными счет­чиками устанавливают фильтрующие устройства для дополнительной очис­тки газа перед входом в счетчик (рис. 3.20, б).

Под действием разности давлений газа на входе и выходе прибора роторы приводятся во вращение.

Рис. 3.20.Газовый счетчик типа РГ: а — общий вид; б — фильтр-ревизия; в — схема

б: 1 — выходной патрубок; 2 — сетка; 3 — корпус; 4 — крышка; 5 — входной патрубок;

в: 1 — корпус; 2 — вращающиеся роторы; 3 — дифференциальный манометр; 4 — указатель

счетного механизма

 

Принцип действия объемных ротационных счетчиков основан на сумми­ровании единичных объемов газа V₀, вытесненных роторами из измеритель­ной камеры прибора за определенный период времени. За один оборот два ротора вытесняют объем газа V₍₎. Частота вращения fроторов за определен­ный период времени фиксируется счетным механизмом.

Следовательно, формула для измерения объема газа V, прошедшего через прибор, будет иметь вид V=V₀f.

Газовые счетчики типа РГ в зависимости от модификации выпускают на расходы 20, 40, 100, 400, 600 и 1000 м³/ч. Погрешность показаний в пределах 10-100% номинального расхода составляет ±2%.

Газ поступает в счетчик сверху через входной патрубок и заставляет вра­щаться в противоположных направлениях два ротора, имеющих профильвосьмерки. При каждом повороте роторов захватывается определенное количество газа и передается из верхней части счетчика в нижнюю. Вал од­ного из роторов соединен через редуктор со счетным механизмом, фиксиру­ющим объем проходящего газа в соответствии с частотой вращения роторов. Чем больше расход газа, тем больше скорость вращения роторов, а следова­тельно, и перепад давления до и после счетчика. Каждый счетчик снабжен дифманометром для проверки перепада давления газа (не более 30 мм вод. ст.). Повышение перепада давления в дифманометре, а также стук вращающихся роторов говорит о необходимости ревизии (чистке) механизмов счетчика.

Счетчики могут работать с минимальным расходом не менее 10% и с мак­симальным не более 120% номинального.

Поскольку ротационные счетчики ведут учет газа в кубических метрах при рабочих условиях (давлении и температуре), а расчет с поставщиками газа производится при стандартных условиях (давление 760 мм рт. ст. и темпера­тура 20 °С), отсчитанное приборами количество газа приводится к стандарт­ным условиям по формуле

V _н = V _пр ^Pp /₇₆₀ * ²⁷³/ _Tp

 

где F— объем газа, измеренный прибором;

Р_р и Тр— абсолютные давления и температуры газа, соответствующие ра­бочим условиям.

 

Расходомеры постоянного перепада давления. Расходомеры обтекания, относящиеся к расходомерам постоянного перепада давления, применяются при измерении расходов газов и жидкостей.

Название приборов (расходомеры обтекания) связано с тем, что рабочая сре­да (газ или жидкость) обтекает чувствительный элемент прибора — поплавок.

Расходомеры обтекания имеют: высокую чувствительность; малую сто­имость; незначительные потери давления; простоту конструкции и эксплуа­тации; возможность использования при измерении агрессивных жидкостей и газов, а также в тех случаях, когда невозможно использовать другие при­боры измерения расхода.

Наиболее распространенным типом такого расходомера является рота­метр, который имеет расширяющуюся коническую трубку 2 и поплавок 1 (рис. 3.21). Шкала стеклянных ротаметров имеет 100 делений, а ротаметры с электрическим и пневматическим выходным сигналом имеют дополнитель­но вторичные приборы для определения расхода.

В зависимости от пределов измерений поплавок изготовляют из эбонита, дюралюминия или нержавеющей стали. По типу поплавок выполняется цель­ным или облегченным. Поплавок имеет нижнюю коническую часть, среднюю цилиндрическую и верхнюю со скошенным бортиком и направляющими ка­навками, которые служат для придания вращательного движения поплавку, центрирующего его в измеряемом потоке.

Рис. 3.21.Ротаметр: а — общий вид; б — расходная характеристика прибора 1 — поплавок;

2 — коническая трубка

Принцип действия ротаметров состоит в том, что гидродинамическое дав­ление измеряемого потока среды воздействует снизу на поплавок и вызывает его вертикальное перемещение. Под действием перемещения поплавка из-за конусности трубки изменяется площадь проходного сечения между поплав­ком и трубкой, а перепад давления по обе стороны поплавка остается постоян­ным. Поэтому такие приборы называют расходомерами постоянного перепа­да давлений. Под действием потока жидкости или газа, направленного по труб­ке снизу вверх, поплавок поднимается до тех пор, пока не уравновесятся его сила тяжести и подъемная сила, возникающая от перепада давления по обе стороны. По положению поплавка определяют расход жидкости или газа. Шкалу ротаметра градуируют в единицах объемного расхода.

В установившемся режиме при определенном расходе масса поплавка уравновешивается динамическим давлением потока. Поплавок при этом за­нимает соответствующее положение относительно стеклянной трубки, от­крывая часть проходного сечения прибора.

Каждый ротаметр имеет паспорт, в котором дается градуировочная кри­вая, показывающая зависимость расхода от положения поплавка. Как пра­вило, ротаметры тарируют по воде или воздуху. При использовании приборов для определения расхода других жидкостей и газов в градуировочную кривую вносят поправочный коэффициент, учитывающий плотность измеряемого газа или жидкости.

В зависимости от измеряемых расходов ротаметры имеют ряд моди­фикаций. Ротаметры с дистанционной передачей показаний типа РЭД имеют дифференциально-трансформаторную катушку, плунжер которой жестко связан с поплавком ротаметра. Ротаметры с пневмовыходом типа РПД имеют пневмопреобразователь со стандартным выходным пневматическим сигналом, который в зависимости от расхода измеряемого газа или жидкости формирует пневмосигнал от 20 до 100 кПа (0,2—1,0 кгс/см²).

Тарировку ротаметров на заводе проводят при температуре 20 °С и давлении 100 кПа (760 мм рт. ст.).

 

Корпус ротаметра состоит из двух разборных частей, соединенных между собой стяжными стойками. Снизу и сверху прибор имеет фланцы для уста­новки в трубопроводы. Детали прибора, которые соприкасаются с рабочей средой, выполняют из нержавеющей стали.

Ротаметры всех типов и модификаций устанавливают в строго вертикаль­ных участках трубопроводов при направлении потока снизу вверх. Рабочее давление измеряемой среды в зависимости от типа прибора составляет 0,6; 1,6; 6,4 МПа (6, 16 и 64 кгс/см²).

Расходомеры переменного перепада давления. Для измерения расходов пара, газа и жидкостей широко используют различные типы расходомеров переменного перепада давления. Принцип действия таких приборов, объе­диненных общим методом измерений, основан на измерении перепада дав­ления, образующегося в результате изменения скорости измеряемого потока на специальном сужающем (дроссельном) устройстве, предназначенном для сужения струи потока: диафрагмы, сопла, трубы Вентури (рис. 3.22). Пере­пад давления на сужающем устройстве зависит от скорости движения изме­ряемой среды и служит мерой расхода. Расходомеры этого типа обязательно включают в себя два элемента: сужающее устройство и прибор для измере­ния перепада давления (дифманометр).

                   

Диафрагма представляет собой круглый диск с отверстием по центру, вставляемый в трубопровод. Центр отверстия должен лежать на оси трубо­провода. Диаметр отверстия меньше, чем внутренний диаметр трубопрово­да, поэтому струя жидкости, газа или пара сужается при проходе через ди­афрагму. Сужение струи начинается перед диафрагмой и заканчивается на некотором расстоянии позади нее. В месте сужения струи возрастает скорость движения жидкости или газа, а давление понижается. Минимальное давле­ние образуется на некотором расстоянии позади диафрагмы (рис. 3.23).

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

Нормальные диафрагмы устанавливают на прямолинейном горизонтальном или вертикальном участке трубопровода. В зависимости от схемы трубопровода ( наличие

 

Рис. 3.23. Измерение расхода с помощью диафрагмы: 1 — диск диафрагмы; 2 — камера; 3 — фланец; 4 — прокладка; 5 — игольчатый вентиль; 6 —

импульсные трубки

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 — 10Д после диафрагмы — не менее 5 диаметров трубопровода — 5D. 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 верхнюю часть диафрагмы наносят паспортные данные. Камерные диафрагмы применяют для трубопроводов диаметром 50-400 мм. Бескамерные диафрагмы приме­няют в трубопроводах диаметром более 400 мм.

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

Методом переменного перепада давления измеряется расход газа с давле­нием более 1кгс/см², а также расход газа, превышающий пропускную спо­собность двух параллельно работающих ротационных газовых счетчиков (см. рис. 3.20).

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.

К стандартным сужающим устройствам, в соответствии с ГОСТ 8.563.1-97, относятся диафрагмы, сопла и трубки Вентури. Наиболее распространенным типом сужающих устройств являются диафрагмы дисковые нормальные типа ДДН и диафрагмы камерные нормального типа ДКН.

Сопло представляет собой насадку цилиндрической формы с закруглен­ными краями на входе (рис. 3.22, д).

Трубы Вентури имеют дополнительную насадку в форме раструба (рис. 3.22, г). Это позволяет уменьшить потерю давления на сужающем устрой­стве и повысить точность измерения.

Все дифманометры переменного перепада для измерения расхода имеют неравномерную (квадратичную) шкалу в связи с существующей квадратич­ной зависимостью между перепадом давлений и расходом:Q=hF√∆Pg/y

где Q- расход, м³/с;

∆Р — перепад давления, кгс/м²;

у — плотность среды, кг/м³;'

h— коэффициент, зависящий от диаметров трубопровода и диафрагмы, удельного веса жидкости, заполняющей манометр и др.;

F— сечение диафрагмы, м²;

g— ускорение силы тяжести, м/с².

Если все постоянные параметры (h, F, g, у) для данной точки измерения

обозначить буквой К, тоQ=K√∆P

Расчет диафрагм, их монтаж на трубопроводах производят в соответствии со стандартами Государственной системы обеспечения единства измерений (ГСИ): ГОСТ 8.563.1-97 «Измерение расхода и количества жидкостей и газов методом переменного перепада давления. Диафрагмы, сопла ИСА 1932 и тру­бы Вентури, установленные в заполненных трубопроводах круглого сечения. Технические условия», ГОСТ 8.563.2-97 «Измерение расхода и количества жидкостей и газов методом переменного перепада давления. Методика выпол­нения измерений с помощью сужающих устройств», ГОСТ 8.563.3-97 «Изме­рение расхода и количества жидкостей и газов методом переменного перепада давления. Процедура и модуль расчетов. Программное обеспечение».

Дифманометры. Приборы, измеряющие расход вещества по принципу перепада давлений на сужающем устройстве и отградуированные в едини­цах расхода, называются дифференциальными манометрами-расходомера­ми. По принципу действия и конструкции дифференциальные манометры (дифманометры) подразделяют на: жидкостные и мембранные. Перепад дав­ления в жидкостных дифманометрах измеряется столбом жидкости, уравно­вешивающим перепад. К жидкостным относятся трубные, поплавковые, ко­локольные дифманометры. Трубным называется U-образный дифманометр, в котором показания отсчитывают непосредственно по разности уровней воды в двух сообщающихся коленах стеклянной трубки (см. рис. 3. 23). Поплавко­вый дифманометр выполнен по принципу U-образного из двух соединитель­ных трубок. В колокольном дифманометре чувствительным элементом явля­ется колокол, подвешенный на постоянно растянутой винтовой пружине и плавающий в сосуде, заполненном жидкостью (обычно трансформаторным маслом). Большее давление подводят через импульсную трубку в простран­ство под колоколом, меньшее — через импульсную трубку в пространство над колоколом. В мембранных дифманометрах перепад давления измеря­ется по перемещению упругого элемента — мембраны. Измерительное уст­ройство—преобразователь дифманометра (рис. 3.24) — состоит из двух ка­мер, в которых расположен мембранный блок, состоящий из двух сообщаю­щихся между собой мембранных коробок.

Каждая мембранная коробка собрана из двух мембран, внутри которых находится дистиллированная вода. Давление от сужающего устройства подводится через запорные вентили и трубки в камеры прибора: большее давление — через плюсовую трубку под нижнюю мембрану, а меньшее — через минусовую трубку на верхнюю мем­брану. Под действием разности давлений нижняя мембранная коробка сжи­мается, жидкость из нее перетекает в верхнюю коробку, коробка увеличива­ется в объеме и перемещается вверх.

С верхней мембраной связан плунжер, расположенный внутри раздели­тельной трубки, на которой закреплена

 

 

Рис. 3.24.Дифференциальный манометр ДМ:

1 — мембранные коробки; 2 — шток;

3 -дифференциально-трансформаторный преобразователь;

4 — импульсные трубки;

5 — соединительные вентили;

6 — уравнительный вентиль;

7 — защитный колпак;

 8 — катушка преобразователя;

9 — сердечник;

10 — трубка с регулировочной гайкой; 11 — контргайка; 12 — крышки корпуса

 

индукционная катушка с тремя об­мотками: одной первичной и двумя вторичными. Такая же индукционная катушка находится во вторичном приборе (рис. 3.25).

Рис. 3.25. Схема дистанционной передачи от электрического преобразователя (Г) дифманометра на автоматический дифференциально-трансформаторный вторичный

прибор (II):

1,3 — первичнаяи вторичная обмотки; 2,9 — плунжеры; 4 — усилитель; 5 — электродвигатель; 6 — редуктор; 7 — кулачок-лекало; 8 — стрелка; е₁ и ё₂ — ЭДС в секциях вторичной обмотки преобразователя I; е., и е₄ - то же, дифференциально-трансформаторного прибора II

Обе катушки соединены между собой и работают по дифференциально- трансформаторной схеме (рис. 3.25). Две секции вторичной обмотки 3 пре­образователяIсоединены между собой таким образом, что наводимые в них ЭД С от первичной обмотки 1 направлены навстречу друг другу. Ввиду этого ре­зультирующее напряжение u₁ на зажимах вторичной обмотки будет равно разности ЭДС, наведенных в ее секциях.

При симметричном расположении плунжера 2 преобразователя относи­тельно секций вторичной обмотки напряжение u₁ будет равно нулю. Пере­мещение плунжера 2, вызванное изменением измеряемой величины (расхода), приводит к тому, что ЭДС секции, в которую входит плунжер, увеличивается,а ЭДС секции, из которой выходит плунжер, уменьшается. На зажимах вто­ричной обмотки появляется напряжение, пропорциональное перемещению плунжера. Секции вторичной обмотки вторичного прибора II включены так же, как в преобразователе I, и результирующее напряжение u₂ на зажимах вторичной обмотки будет равно разности ЭДС в ее секциях.

Обмотки преобразователя I соединены с аналогичными обмотками вто­ричного прибора II. При этом их первичные обмотки соединены после­довательно, а вторичные обмотки включены так, что подаваемое от них на электронный усилитель 4 напряжение ∆u будет равно разности напряжений u₁ и u₂.

От электронного усилителя питается реверсивный электродвигатель 5, который, получив напряжение через редуктор 6, поворачивает профилиро­ванный кулачок-лекало 7, а также перемещает стрелку 8 вторичного прибо­ра. Одновременно лекало перемещает плунжер 9 вторичного прибора до тех пор, пока он не примет одинакового положения с плунжером 2 преобразова­теля. Это приведет к исчезновению напряжения между обмотками катушек преобразователя и вторичного прибора и остановке двигателя. По положе­нию стрелки на шкале вторичного прибора можно определить значение рас­хода в данный момент. Таким образом, каждому положению плунжера пре­образователя первичного прибора, определяемому значением измеряемой величины, соответствует определенное положение плунжера вторичного при­бора, а следовательно, и положение стрелки относительно шкалы вторично­го прибора.

Индукционные расходомеры. Приборы этого типа обладают незначитель­ной инерционностью показаний, что является очень существенным фактором при автоматическом регулировании расходов. В датчиках таких расходоме­ров нет частей, находящихся внутри рабочего трубопровода, поэтому они имеют минимальные гидравлические потери.

 

 

Принцип действия индукционного расходомера (рис. 3. 26) основан на за­коне Фарадея — законе электромагнитной индукции. Если в трубопроводе 1 течет проводящая жидкость между полюсами магнита 2, то в направлении, пер­пендикулярном движению жидкости, и в направлении основного магнитного потока возникает ЭДС на электродах 3, пропорциональная скорости движе­ния жидкости. Магнитное поле создается источником питания 6 электромаг­нита. Электронный усилитель 4 усиливает ЭДС, индуктированную на элект­родах 3, которую регистрирует вторичный измерительный электронный при­бор 5 расходомера.

Индуктированная ЭДС в датчике на электродах 3 определяется уравнени­ем электромагнитной индукции: Е = -В DК v_cp, где В — магнитная индук­ция в зазоре полюсов магнита; D— внутренний диаметр трубопровода; К — коэф­фициент, зависящий от вида магнитного поля (постоянного или переменного); v— средняя скорость потока жидкости.

На рис. 3.27 показаны индукционные расходомеры-счетчики, выпускае­мые в настоящее время фирмой «Взлет» (г. Санкт-Петербург).

 

 

Принцип действия расходомеров ЭРСВ-210 и ЭРСВ-110 основан на изме­рении ЭДС индукции в электропроводящей жидкости, движущейся в магнит­ном поле, создаваемом электромагнитом прибора. ЭДС, наведенная в жидко­сти и зависящая от скорости потока, с помощью электродов подается в изме­ритель, где вычисляется расход и объем жидкости, прошедшей через сечение трубопровода. Расходомеры предназначены для измерения объемного расхо­да и объема воды в системах водоснабжения, а также массового расхода и мас­сы теплоносителя в составе теплосчетчиков различного типа и назначения в системах теплоснабжения. Расходомеры выпускаются диаметром от 10 до 200 мм; погрешность измерения — 1-2%; длина соединительного кабеля — до 400 м; наибольшая температура жидкости — 180 °С; футеровка датчика — фто­ропласт; межповерочный интервал — 4 года; питание - ~36/220 В, 50 Гц.

Ультразвуковые расходомеры. Принцип действия приборов этого типа основан на том, чтофактическая 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 плоскопараллельны­ми 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 пьезо ЭДС. Ультразвуковой расходомер име­ет датчик, электронный блок и регистрирующий прибор.

Принципиальная схема расходомера (рис. 3.28) включает в себя излучатель

создающий ультразвуковые колебания частотой от 20 кГц и выше, и при­емник II_Vрегистрирующий эти колебания, расположенный от излучателя на расстоянии L.

Если С — скорость звука в среде, а V — скорость, потока жидкости, то продолжительность распространения звуковой волны по направлению дви­жения потока от излучателя до приемника будет равна t₁ = L/(C+ V). Про­должительность распространения звуковой волны против движения потока от И₂ до П₂: t₂= L/(C- V). Разность ∆t = t₂–t₁измеренная электронным блоком, будет равна ∆t= 2LV/[C²( 1 - V²/C²)]. Так как для жидкости С = - 1000 - 1500 м/с, а V = 6-8 м/с, то величиной V²/С² можно пренебречь.

Выражая скорость потока через расход ( V= Q/F), получим уравнение изме­рения расхода ультразвуковых расходомеров: Q = FС²1∆t/(2 LК), где F— пло­щадь сечения потока жидкости; К — коэффициент, учитывающий распреде­ление скоростей в потоке; Q— расход измеряемого потока.

К достоинствам приборов данного типа относят: высокое быстродействие, надежность датчиков (излучателей и приемников), принципиальная возмож­ность измерения расходов любых жидкостей и газов, в том числе и неэлект­ропроводных.

 

 

АВТОМАТИЗАЦИЯ КОТЕЛЬНЫХ

 

Автоматизацией называется управление и контроль технологического процесса без непосредственного участия производственного персонала. Ав­томатизация может быть частичная и полная (комплексная). При частичной автоматизации автоматизируются отдельные участки производства и узлы оборудования; при комплексной — автоматизируется весь технологический цикл или процесс, все технологическое оборудование.

В понятие автоматизации включают: автоматическую технологическую сигнализацию отклонений рабочих параметров; автоматическую защиту и блокировку; дистанционное управление и контроль; автоматическое уп­равление и регулирование.

Автоматические системы регулирования подразделяются на два вида: зам­кнутые и разомкнутые.

В замкнутых автоматических системах регулирования существует зам­кнутая связь между объектом и регулятором как по прямому, так и по обрат­ному воздействию (например, автоматическое поддержание температуры объекта). В разомкнутых автоматических системах между объектом и регуля­тором существует только прямая связь (рис. 4.1).

 

Рис. 4.1. Структура автоматической системы регулирования:

а — разомкнутая система:

АР — автоматический регулятор;

О — объект; Х₁ — входное воз­действие;

Х₂~ внутреннее воздействие;

Х₃ — выходное воздействие;

б — замкнутаясистема: — входное воздействие; Х₂ — управляющее воздействие; Х₃ — внутреннее воздействие;

Х₄ — выходная величина;

В — структурная схема:

ИУ — измерительное устройство;

 АК — автоматический клапан;

ОС — орган сравнения (сумматор)

 

Автоматическая система или автоматический регулятор служат для под­держания контролируемой величины на заданном значении. Поэтому регу­лятор должен выполнять следующие функции:

•  измерять контролируемую величину;

•  сравнивать значение измеренной величины с заданным значением (за­данием), определять их рассогласование;

•  осуществлять регулирование процесса при получении сигнала рассог­ласования.

В систему регулирования входят следующие основные элементы:

Чувствительный элемент, являясь измерительным органом, предназнача­ется для измерения фактического значения регулируемой величины и пре­образования этой величины в сигнал управления;

Задатчик представляет собой устройство, с помощью которого задается требуемое значение регулируемой величины в системе регулирования;

Орган сравнения (сумматор) позволяет сравнить фактическое и заданное значения регулируемой величины;

Усилитель предназначается для усиления сигнала рассогласования орга­на сравнения;

Исполнительный элемент (механизм) является устройством, с помощью которого регулятор оказывает свое воздействие на регулируемый процесс для поддержания заданного значения контролируемой величины;

Управляющее воздействие представляет собой сигнал определенной величи­ны, сформированный регулятором для управления ре1улируемым объектом;

Сигнал обратной связи представляет воздействие регулируемого объекта на сам регулятор.

Каждый автоматический регулятор имеет порог чувствительности. Он характеризуется минимальным изменением значения контролируемого па­раметра, при котором происходит включение регулятора с целью поддержа­ния заданного значения этого параметра.

Вследствие инерционности звеньев регулятора и исполнительного меха­низма регулятору присуща такая характеристика, как инерционность; она проявляется в отставании времени начала перемещения регулирующего орга­на (исполнительного механизма) по отношению ко времени отклонения кон­тролируемого параметра от заданного значения. Поэтому инерционность систем автоматического регулирования (САР) ухудшает качество регулирова­ния технологического процесса.

Транспортное запаздывание в САР связано с временем распространения сигнала — транспортировки газов, жидкостей от места отбора до регулятора.

Поэтому такие характеристики САР, как инерционность и транспортное запаздывание, обязательно учитываются при определении устойчивости и ка­чества регулирования.

Объект, в котором поддерживается процесс автоматического управления (регулирования), называется объектом автоматического управления.

Автоматическим регулированием называется автоматическое поддержа­ние требуемых значений параметров объекта, осуществляемое методом из­мерения состояния объекта и воздействия на него регулирующего органа.

Изменения внешних и внутренних факторов, вызывающих отклонение ре­гулируемого параметра от заданного значения и нарушающие состояние рав­новесия объекта, называются возмущающим воздействием или возмущением.

Для нового равновесия САР автоматический регулятор должен отрабо­тать регулирующее воздействие, которое прикладывается к объекту.

Кроме того, по виду зависимости между значением регулируемого пара­метра и значением внешнего воздействия (возмущения) на объект регули­рования различают статическое и астатическое регулирование.

При статическом регулировании в установившемся режиме существу­ет определенная зависимость между величиной отклонения регулируемого параметра от заданного значения и величиной воздействующего возмуще­ния. В связи с этим в статических САР наблюдается остаточное отклонение регулируемого параметра от его номинального значения.

При астатическом регулировании в установившемся режиме отклоне­ние регулируемого параметра от заданного значения равно нулю.

Вследствие различных воздействий, приводящих к отклонению регули­руемого параметра от заданного значения, автоматическая система может вы­ходить из состояния равновесия.

Устойчивостью САР называется ее способность восстанавливать состо­яние равновесия, из которого она выводится под влиянием воздействий.

Основным показателем качества регулирования в установившемся режи­ме является точность поддержания регулируемого параметра.

В статических системах точность характеризуется величиной отклонения фактического значения регулируемой величины от его заданного значения, т. е. величиной ошибки. Поэтому в статических САР эта ошибка носит на­звание статической ошибки или статизма.

В астатических системах отклонение регулируемого параметра от задан­ного значения равно нулю, следовательно, статической ошибки не существует.

Динамическая ошибка в САР, т. е. максимальное отклонение регулируе­мой величины от заданного значения, характеризует качество регулирова­ния в переходном (неустановившемся) процессе.

В ряде случаев при регулировании по возмущению вместо понятия «ди­намическая ошибка» вводится другой показатель качества регулирования — перерегулирование.

Перерегулирование в САР представляет собой увеличение регулируемой величины от заданного значения при переходном процессе, при скачкооб­разных входных воздействиях.

Одним из основных свойств объектов регулирования является способ­ность объекта сохранять свою устойчивость без непосредственного учас­тия автоматического регулятора. В связи с этим объекты делятся на устой­чивые и неустойчивые.

Объект является устойчивым, если он самостоятельно возвращается в свое первоначальное состояние при отклонении от состояния равновесия под дей­ствием возмущающего воздействия.

Если объект не может самостоятельно вернуться в устойчивое положение в результате возмущающего воздействия, то объект называется неустойчивым.

Существуют два основных типа регулирования: регулирование по возму­щению, регулирование по отклонению регулируемой величины.

При первом типе регулирования из нескольких возмущений, восприни­маемых объектом, выбирается одно основное, которое, воздействуя на авто­матический регулятор, отрабатывает величину управляющего воздействия на исполнительный механизм (клапан, задвижку), достаточную для поддер­жания заданного значения регулируемой величины.

При втором типе регулирования сравнивается фактическое значение регу­лируемого параметра с его заданным значением. Если возникает разность этих значений, то автоматическая система формирует регулирующее воздействие.

Для повышения качества регулирования сложных объектов, как правило, используют комбинированные системы автоматического регулирования, состоящие из двух указанных выше типов регуляторов.

При работе котлов для поддержания заданных параметров возникает не­обходимость изменения расходов топлива, воздуха, питательной воды, пара, что обеспечивается воздействием на соответствующие регулирующие орга­ны—вентили, клапаны, заслонки и т. п. Например, управление работой паро­вого котла сводится к поддержанию заданных значений ряда параметров: давления пара, давления топлива и воздуха перед горелками, разрежения в топ­ке, уровня воды в барабане парового котла.

 

Рис. 4.2. Схема регулирования уровня воды в паровом котле воды

Например, в барабане котла должен поддерживаться баланс между расхо­дом пара и подачей питательной воды. Заданный уровень воды поддержива­ется путем изменения количества поступающей питательной воды с помо­щью регулирующего клапана. Закрытие или открытие регулирующего кла­пана производится электрическим исполнительным механизмом типа МЭО с реверсивным электродвигателем (рис. 4.2). Преобразование изменения уровня воды в электрический сигнал осуществляет датчик ДМ, который под­ключается к паровому и водяному пространству котла через уравнительный сосуд. При изменении уровня воды от датчика ДМ поступает электрический сигнал на электронный регулятор Р типа Р25, в котором величина поступив­шего сигнала сравнивается с заданным сигналом, установленным с помощью задатчика 3д. При рассогласовании сигналов регулятор вырабатывает коман­дный сигнал на включение электродвигателя МЭО, который открывает или закрывает регулятор питания.

 

Структурная схема рассматриваемой САР (рис. 4.3) состоит из объекта регулирования О (паровой котел), датчика Д (первичный преобразователь), регулятора Р с задатчиком 3d, исполнительного механизма ИМ (с электро­двигателем), регулирующего органа РО (регулирующий клапан). Приведен­ная САР является замкнутой — объект регулирования и регулятор взаимо­связаны друг с другом. Электрический сигнал от датчика объекта регулиро­вания поступает на вход регулятора, а сигнал с выхода регулятора является управляющим для исполнительного механизма и регулирующего органа.

В качестве преобразователей неэлектрических величин в электрические (датчиков) системы автоматического регулирования используются контак­тные (релейные) и бесконтактные полупроводниковые приборы. Некоторые типы датчиков уже были рассмотрены в гл. 3.

Для получения сигналов по давлению пара или мазута используются бес­шкальные манометры со встроенным дифференциально-трансформаторным преобразователем типа МЭД, электроконтактные манометры и др. Давление воздуха и продуктов сгорания передается с помощью мембранных тягонапо- ромеров бесконтактного типа (например, тягомер ДТ-2).

В качестве датчиков температуры применяются термометры сопротивле­ния и термоэлектрические приборы (термопары).

 

Рис. 4.3 . Структурная схема САР

 

Исполнительные механизмы бывают электрические (электромагниты, электродвигатели постоянного и переменного тока), гидравлические (пор­шневые и мембранные), тепловые (манометрические, дилатометрические) и др.

В состав элементов автоматической защиты котла входят фоторезисторы (фотоэлементы), различные датчики давления и температуры, сигнализато­ры уровня воды.

В качестве исполнительных механизмов в системах автоматической за­щиты котлов, работающих на газе и мазуте используются электромагнитные (соленоидные) клапаны.

Для обработки сигналов, поступающих от датчиков, используются раз­личные усилители. В настоящее время широко используются усилители типа Р25 и РС29, предназначенные для суммирования поступающих сигналов, усиления сигнала рассогласования, введения сигнала задания, формирова­ния сигнала для управления исполнительными механизмами.

Приборы контроля, автоматического управления и защиты, приборы ава­рийной сигнализации обычно устанавливаются на щитах управления ра­ботой котлов.

Автоматика «Контур»

 

Система автоматического регулирования технологических процессов «Контур» разработана Московским заводом тепловой автоматики (МЗТА). Система включает в себя автоматику регулирования и автоматику бе­зопасности (защиты). Применяется как на паровых, так и водогрейных кот­лах, работающих на жидком или газообразном топливе. Лицевая панель щита управления котлом (типа Щ-К2) в системе «Контур» показана на рис. 4.4.

Аппаратура щита управления обеспечивает:

1.  Автоматическое регулирование основных параметров работы котла (давления пара, соотношения топливо-воздух, разрежения в топке, уровня воды).

2.  Дистанционный контроль разрежения в топке, давления воздуха за вен­тилятором, температуры дымовых газов за котлом и экономайзером, силы тока электродвигателя дымососа.

3.  Отключение подачи топлива к котлу, световую и звуковую сигнализа­цию при выходе контролируемых параметров за допустимые пределы (дав­ления топлива, воздуха, разрежения в топке, погасание факела, повышение или понижение уровня воды в паровом котле и др.).

Рис. 4.4.Лицевая панель щита управления автоматики (щит Щ-К2): JI 1 — освещение щита;

А — амперметр; 1ТС-6ТС — световые табло с надписями: «Давление пара»; «Давление топлива»; «Давление воздуха»; «Разрежение в топке»; «Уровень воды»; «Факел»;

ЛГ — логометр (температура дымовых газов); НМП — напоромер (давление газа);

ТНМП — тягонапоромер (разрежение в топке); 1Р-4Р — регуляторы топлива, воздуха, разре­жения, уровня; ПК — ключ останова котла; ПФ — переключатель фотодатчиков;

1КУ — ключ дымососа; 2КУ — ключ дутьевого вентилятора; ПБ — переключатель блокировки; ПТ — пере­ключатель топлива; 1-13 — рамки для надписей

4. Дистанционное управление электродвигателями дымососа и вентиля­тора, питательным клапаном, направляющими аппаратами дымососа и вен­тилятора, регулирующей заслонкой на газопроводе и регулирующим клапа­ном на мазутопроводе котла.

5.  Полуавтоматический розжиг котла электрозапальником.

6.  Плановый останов котла.

7.  Аварийный останов котла персоналом со щита управления.

Примечания: 1. Ключ останова котла имеет следующие фиксированные

положения: защита отключена; предварительное включение (розжиг горе­

лок); защита полностью включена.

2. Рукоятка переключателя топлива имеет два фиксированных положе­ния: вертикальное — котел работает на мазуте (под напряжением находится электромагнит клапана ЗСК на мазутопроводе котла); горизонтальное — котел работает на газе (под напряжением находится электромагнит клапана ПКН на газопроводе котла).                              _t

3. Переключатель фотодатчиков имеет два положения: вертикальное — контролируется факел левой горелки; 45° от вертикали против часовой стрел­ки — контролируется факел правой горелки.

4. Переключатель блокировки служит для блокирования и разблокирова­ния вентилятора (в положении «блокировка включена» пуск вентилятора и дымососа возможен только в определенной последовательности: сначала дол­жен быть включен дымосос, а затем вентилятор).

Автоматика регулирования

Автоматика регулирования водогрейного отопительного котла обеспечи­вает: пропорциональное регулирование температуры горячей воды в системе отопления в зависимости от температуры наружного воздуха. Автоматика регулирования обеспечивает автоматическую подачу газа или мазута к горелкам котлов в зависимости от температуры прямой воды и ее отноше­ния к температуре наружного воздуха по температурному графику. При изменении температуры наружного воздуха происходит изменение парамет­ров датчиков и к регулятору поступают соответствующие сигналы. В зави­симости от полученного сигнала регулирующий орган регулятора принима­ет новое положение, изменяя количество подаваемого к котлам топлива, что отражается на температуре горячей воды на выходе из котла. Кроме того, автоматика регулирования водогрейного котла может обеспечивать регу­лирование процесса горения и подпитку системы отопления водой.

Автоматика регулирования парового котла предназначена для поддер­жания давления пара в котле постоянным в заданных пределах, поддержа­ния соотношения топливо-воздух на горелках и разрежения в топке (регу­лирование процесса горения) и поддержания уровня воды в барабане (паро­сборнике) котла.

Автоматика регулирования парового котла включает в себя: 1) регулятор давления пара;

2) регулятор соотношения топливо-воздух; 3) регулятор раз­режения; 4) регулятор уровня.

На рис. 4.5. приведена структурная схема автоматики регулирования, а на рис. 4.6 показана система автоматического регулирования «Контур» на при­мере парового котла.

Температурный график, как правило, представляет собой таблицу, в одной графе которой указывается температура наружного воздуха, а в другой — температура воды в подающей магистрали на выходе из котельной. Составляется температурный график по результатам на­ладки тепловой сети.

 

Рис. 4.5.Структурная схема автоматики регулирования: Д — датчик; Р25 — усилитель; ЭИМ — исполнительный механизм ЭИМ (электроисполнительный механизм); РО — регулирующий орган

 

 

Рис. 4.6. Схема системы автоматического регулирования «Контур» парового котла

 

 

Регулятор давления пара (рис. 4.7) включает в себя:

• датчик МЭД (манометр электрический дистанционный);

• усилитель Р25;

• электроисполнительный механизм типа: МЭО (механизм электрический однооборотный);

• регулирующий орган ПРЗ (поворотно-регулирующая заслонка) на га­зопроводе или регулирующий клапан на мазутопроводе котла (см. рис. 4.6).

Рис.4.7. Регулирование давление пара:

1- паровой котел типа ДЕ; 2-датчик давления пара типа МЭД; 3-регулирующий прибор типа Р25; 4-электро исполнительный механизм типа МЭО;5- поворотно регулирующая заслонка на газопроводе(ПРЗ); 6-газомазутная горелка типа ГМ

Рис. 4.8 . Регулирование расхода воздуха, подаваемого на горение, в зависимости от расхода газа

1-камерная диафрагма; 2- датчик типа ДТ-2; 3-котел водогрейный типа КВ-Г;4-регулирующий прибор типа МЭО; 6-направляющий аппарат вентилятора; 7-импульсная трубка; 8- датчик давления воздуха типа ДТ-2; 9- дистанционный указатель положения исполнительного механизма

Регулятор соотношения газ-воздух (рис. 4.8) включает в себя:

•датчик типа ДТ-2 по газу и по воздуху;

•усилитель Р25;

•  исполнительный механизм (МЭО);

•регулирующий орган (направляющий аппарат вентилятора).

•  датчик ДТ-2;

•  усилитель Р25;

•  исполнительный механизм (МЭО);

• регулирующий орган (направляющий аппарат дымососа). Перечисленные регуляторы обеспечивают регулирование процесса горе­ния и составляют автоматику горения.

 Рис. 4.9.Регулирование разрежения в топке: 1 — направляющий аппарат дымососа; 2 — исполнительный механизм типа МЭО; 3 — регули­рующий прибор типа Р25; 4 — датчик по разрежению типа ДТ-2; 5 — паровой котел типа ДЕ;

6 — экономайзер котла

Регулятор уровня (рис. 4.10) включает в себя:

•  уравнительный сосуд;

•  датчик типа ДМ (дифференциальный манометр);

•  усилитель Р25;

•  исполнительный механизм (МЭО);

•  регулирующий клапан на питательной линии.

Рис. 4.10. Регулирование уровня воды в барабане котла: 1 — паровой котел типа ДЕ; 2 — уравнительный сосуд; 3 — датчик уровня типа ДМ; 4 — регули­рующий клапан на линии питания котла водой; 5 — исполнительный механизм типа МЭО;

6 — регулирующий прибор типа Р25; 7 — экономайзер

 

Работа автоматики: регулируемая среда (пар, газ, воздух, разрежение, уровень воды) воздействует на датчик. Здесь изменение параметра среды пре­образуется в электрический сигнал, который поступает на усилитель, где за- датчиком в виде электрического сигнала задано значение данного парамет­ра. Сигналы датчика и задатчика сравниваются, определяется разность, уси­ливается и направляется на исполнительный механизм, который соответ­ственно изменяет положение регулирующего органа.

⇐ Предыдущая567891011121314Следующая ⇒

Поделиться: