С. И. Половнева В. В. Ёлшин М. Ю. Толстой

С. И. Половнева В. В. Ёлшин М. Ю. Толстой

Технические измерения и приборы

И ЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА ГАЗОВ И ЖИДКОСТЕЙ

2-е издание, репринтное

Допущено Учебно-методическим объединением вузов по образованию в области автоматизированного машиностроения (УМО АМ) в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности «Автоматизация технологических процессов и производств (нефтегазовая отрасль) направления «Автоматизированные технологии и производства»

Издательство

Иркутского государственного технического университета

2010

УДК 681.1218(075.8)

ББК 31.32 • 5я73

П52

Рецензенты:

канд. техн. наук, доцент кафедры теплоэнергетики ИрГТУ

А. Н. Кудряшов

канд. техн. наук, директор ЗАО ИРМЕТ Ю. Н. Воронов

Половнева С. И., Ёлшин В. В., Толстой М. Ю.

П52 Технические измерения и приборы. Измерение расхода газов и жидкостей: учеб. пособие. 2-е изд., репр. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2010. 86 с.

Представлены сведения о расходомерах жидкостей и газов. Материал дан в хронологическом порядке, начиная со старых, классических методов измерения расхода и заканчивая новинками отечественных и зарубежных производителей. Приводятся сравнительные данные, замечания по эксплуатации, кратко характеризуются методы и средства поверки.

Предназначено для студентов, бакалавров специальности 220300 «Автоматизация технологических процессов и производств», может быть полезно работникам метрологических служб предприятий и центров стандартизации и метрологии.

УДК 681.1218(075.8)

ББК 31.32•5я73

ISBN 978-5-8038-0655-4 © Половнева С.И., Ёлшин В.В.,

Толстой М.Ю., 2010

технический университет, 2010

Оглавление

Введение.........................................................................................................	4
1. Основные понятия и определения......................................	4
2. методЫ И УСТРОЙСТВА ДЛЯ измерения расхода ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ....................................................................................	7
2.1. Расходомеры переменного перепада давления........................	8
2.2.Расходомеры с осредняющей напорной трубкой AnnuBar......	24
2.3. Расходомеры постоянного перепада давления.........................	26
2.4. Электромагнитные расходомеры...............................................	30
2.5. Ультразвуковые расходомеры....................................................	36
2.6. Вихревые и вихреакустические расходомеры........................	39
2.7. Кориолисовые расходомеры.....................................................	48 47
2.8. Расходомеры переменного уровня............................................	50
2.9.Тепловые (термоанемометрические) расходомеры..................	51
2.10. Корреляционные расходомеры................................................	56
2.11. Тахометрические (скоростные) счетчики и расходомеры....	57
2.12. Струйные расходомеры............................................................	595 59
2.13. Радиоизотопные многофазные расходомеры для нефтедобычи........................................................................................	62
2.14. Теплосчетчики............................................................................	65
3. Поверка расходомеров..................................................................	67
3.1. Методы поверки расходомеров...................................................	68
3.2. Операции поверки.......................................................................	70
3.3. Проливные поверочные установки...........................................	78
3.4. Учебный стенд для исследования расходомеров......................	79
Заключение....................................................................................................	81
Библиографический список.........................................................................	81
Приложение...................................................................................................	83

Введение

Технологические измерения, информационное обеспечение в любом технологическом процессе являются необходимой предпосылкой и обязательной составной частью системы автоматизированного или автоматического управления этим процессом. Чтобы получать продукцию с минимальными затратами и высокого качества, необходимо иметь своевременную достоверную информацию о процессе. Одним из информативных технологических параметров являются расход и количество сырья или продукта. В процессе производства и потребления измерение этих параметров необходимо как для контроля экономических показателей, так и для управления самими процессами.

Современные средства измерения расхода и количества жидкостей и газов разнообразны по принципу действия, метрологическим характеристикам, условиям эксплуатации и методам поверки. Знание особенностей каждого типа расходомеров, его достоинств и недостатков позволят обеспечить единство измерений и избежать потерь из-за неточностей и низкой метрологической надёжности средств измерений.

Следует также различать при выборе того или иного расходомера стоимость приобретения (покупки) и стоимость владения, куда входят затраты на обслуживание и ремонты, демонтаж, монтаж и поверку. Так, например, являясь самым дешевым, дроссельный расходомер (с диафрагмой) требует ежегодной поверки, демонтажа, монтажа и расчета СУ.

1. Основные понятия и определения

Расход – это объем или масса вещества, проходящие в единицу времени через поперечное сечение трубопровода.

Различают расход объемный (g, ) и массовый (g_m_,кг/с):

где u – скорость потока; s – площадь сечения трубопровода; ρ – плотность вещества.

Количество вещества выражают в единицах объема или массы за длительный промежуток времени.

Количество жидкости с равной степенью точности можно измерять объемным и массовым методами, так как плотность жидкости при определенной температуре является величиной постоянной для данной жидкости. При переходе от объемных единиц к массовым необходимо учитывать температуру измеряемой жидкости, так как плотность веществ зависит от температуры.

Зависимость плотности жидкости от температуры приближенно выражается формулой

где – плотность жидкости при температуре 20 °С; – температурный коэффициент объемного расширения жидкости, 1/°С; t – температура жидкости, °С.

Массовый расход измеряют в килограммах в секунду (допускается кг/час), а объемный – в кубических метрах на секунду (допускается м³/час). Средства измерения (СИ) расхода называются расходомерами.

Количество газа измеряют исключительно объемным методом. Для получения сравнимых результатов измерений необходимо объем газа привести к следующим нормальным условиям:

температура 20 °С (293, 15 К);

давление 101 325 Па (760 мм рт. ст.);

относительная влажность = 80 %.

Для пересчета объема сухого газа к объему в указанных условиях используют формулу

где – абсолютное давление газа в рабочем состоянии; = 293, 15 К – абсолютная температура, соответствующая состоянию газа при нормальных условиях; – давление газа при нормальных условиях; T – абсолютная температура газа в рабочем состоянии, К; К – коэффициент, учитывающий отклонение реального газа от идеального, т. е. коэффициент сжимаемости газа (при давлении меньше 0, 49 МПа и температуре ниже 50 °С K практически равен единице для всех газов).

При переходе от объемных единиц к массовым необходимо привести к нормальным условиям плотность газа. Плотность сухого газа при нормальных условиях:

где – плотность сухого газа в рабочем состоянии при данных значениях и Т.

Плотность газовой смеси при нормальных условиях определяют, исходя из ее состава, по формуле:

где – объемное содержание компонентов в газовой смеси, %; – плотность отдельных компонентов, входящих в газовую смесь при нормальных условиях.

Коэффициент сжимаемости К равен отношению плотности , подсчитанной по законам идеального газа, к действительной плотности газа в рабочем состоянии при данных и Т. Для газовых смесей коэффициент сжимаемости определяют по экспериментальным данным или рассчитывают по формуле

где – коэффициенты сжимаемости отдельных компонентов, входящих в газовую смесь.

При отсутствии экспериментальных данных по сжимаемости какого-либо газа коэффициент К приближенно определяют на основании закона соответственных состояний.

На плотность газа заметно влияет влагосодержание. Плотность влажного газа в рабочем состоянии определяют по формулам:

;

где – плотность влажного газа при давлении и температуре Т; – плотность сухого газа во влажном газе при температуре Т и нормальном давлении сухого газа, равном ; – относительная влажность, то есть. отношение массы водяного пара в 1 м³ влажного газа к максимально возможной его массе при тех же температуре и давлении; – плотность насыщенного водяного пара при температуре t; – давление насыщенного водяного пара при температуре t.

Остальные обозначения соответствуют принятым выше. Значения параметров, входящих в приведенные формулы, берут из соответствующей справочной литературы.

Для твердых сыпучих тел пользуются понятием насыпной или объемной массы. Насыпная масса твердого сыпучего материала не имеет для данного вещества постоянного значения; она зависит от гранулометрического состава сыпучего материала, то есть от размеров частиц и количественного содержания частиц различных размеров в общей массе сыпучего материала. В связи с этим для получения более точных результатов количество сыпучего материала определяют взвешиванием.

Средства измерения количества вещества, называют счетчиками. Счетчики измеряют протекающий через них объем вещества за любой промежуток времени: сутки, месяц и т. п. Количество вещества при этом определяют как разность показаний счетчика. Счетчики, как правило, являются приборами прямого измерения, и отсчет по их шкале дает измеряемую величину без дополнительных вычислений. Подвижные элементы счетчика соединяются со счетным механизмом.

Контрольные вопросы

1. Определение объемного расхода.

2. Единицы измерения массового расхода.

3. Каковы особенности измерения расхода газа?

4. Какими параметрами характеризуют нормальные условия?

5. Уравнение пересчета объемного расхода в массовый.

6. Чему равна плотность сухого газа при НУ?

7. Чему равна плотность влажного газа при рабочих условиях?

Давления на диафрагме

Давление потока около стенки трубопровода несколько возрастает из-за подпора перед диафрагмой и снижается до минимума за диафрагмой в наиболее узком сечении потока. Далее, по мере расширения струи, давление потока около стенки снова повышается, но не достигает прежнего значения. Потеря части давления определяется, главным образом, потерей энергии на трение и завихрения.

Рис. 2.5. Диафрагма камерная

Изменение давления потока по оси трубопровода практически совпадает с изменением давления около его стенки, за исключением участка перед диафрагмой и непосредственно в ней, где. давление потока по оси трубы снижается. Разность давлений является перепадом, зависящим от расхода протекающей через трубопровод среды.

Характер потока и распределение давления одинаковые во всех типах сужающих устройств. Так как струя, протекающая через сопло, почти не отрывается от его профилированной части, потери на завихрения возникают в основном за соплом, поэтому остаточная потеря давления в сопле меньше, чем в диафрагме. Еще меньше потери давления в сопле Вентури, профиль которого близок к сечению потока, проходящего через сужение.

Из трех типов сужающих устройств наиболее часто применяют диафрагму.

При измерении расхода по методу переменного перепада давлений протекающее вещество должно полностью заполнять все сечение трубопровода и СУ; поток в трубопроводе должен быть практически установившимся; фазовое состояние веществ не должно изменяться при прохождении их через сужающее устройство (жидкость не должна испаряться, пар должен оставаться перегретым и т. п.).

Рис. 2.6. Труба Вентури

С другой стороны, следует учитывать, что при значительном может увеличиться отношение а это вызовет увеличение погрешности при определении коэффициента . Следует стремиться к тому, чтобы отношение для диафрагм при измерении расхода газа было меньше 0, 2, а при измерении расхода пара – меньше 0, 03. В этом случае погрешность в определении не будет превышать ±0, 5 %. При измерении расхода пара соплами погрешность определения равна нулю, если < (0, 1...0, 2); поэтому измерение расхода пара соплами целесообразнее, чем диафрагмами.

Рис. 2.7. Сопло нормальное

а) б)

Рис. 2.8. Диафрагмы:

а – камерные: 1 – корпус плюсовой кольцевой камеры; 2 – корпус минусовой кольцевой камеры; 3 – диафрагма; 4 – уплотнительная прокладка;

5 – патрубок; б – бескамерные: 1 – диафрагма; 2 – ушко

Рис. 2.9. Зависимость потерь давления в различных сужающих устройствах: 1–диафрагма; 2 – сопло; 3 – короткое сопло Вентури; 4 – длинное сопло Вентури ; 5 – длинное сопло Вентури

Основные правила соединения сужающих устройств с дифманометром: дифманометр и СУ связаны двумя соединительными трубками. Обычно применяют медные, алюминиевые, стальные и пластмассовые (из винипласта или полиэтилена). В трубках не должно быть горизонтальных участков, где могут накапливаться воздух, газы или влага, поэтому трубки прокладывают с уклоном. Существенное значение имеют диаметр и длина соединительных трубок. При малых диаметрах трубки легко засоряются, в них образуются водяные пробки или воздушные пузыри. Вследствие повышенного сопротивления трубок увеличивается время запаздывания дифманометра. Слишком большие диаметры нежелательны из-за громоздкости проводки и увеличения расхода металла, а при измерении расхода газа – из-за увеличения времени запаздывания дифманометра.

Рекомендуется применять трубки с внутренним диаметром 10–12 мм, но не менее 8 мм. Длина соединительных трубок зависит от расстояния между сужающим устройством и дифманометром. С увеличением длины соединительных трубок возрастает запаздывание в передаче импульсов, усложняются поддержание герметичности и удаление воздуха или влаги из трубок.

В процессе работы соединительные трубки необходимо периодически продувать для очистки и удаления из них воздуха (в случае измерения расхода пара) или влаги (при измерении расхода газа). Для этой цели у дифманометров рекомендуется устанавливать продувочные отводы с вентилями. Соединительные трубки должны быть защищены от действия источников теплоты и от возможного замерзания.

Трубки соединяют накидными гайками, резьбовыми муфтами и фланцами. Такие соединения допускают быструю разборку при чистке трубок. В длинных линиях необходимо иметь несколько разборных соединений, желательно вблизи мест изгибов, где чаще необходима чистка. Соединения пайкой трубок из цветных металлов и сваркой стальных трубок можно применять только в случае, если нет опасности засорения.

В частных случаях для обеспечения правильности измерения перепада давлении и создания условий, гарантирующих надежную и бесперебойную работу дифманометра, приходится вводить некоторые вспомогательные устройства, устанавливаемые обычно в соединительных трубках между СУ и дифманометром. Тип этих устройств зависит от рода измеряемой среды (жидкость, газ, пар), ее свойств и характеристик (агрессивность, загрязненность и т. п.).

При измерении расхода воды и неагрессивных невязких жидкостей дифманометр рекомендуется устанавливать ниже СУ (рис.2.10). Такой способ установки исключает возможность попадания воздуха или газа из протекающей по трубопроводу жидкости в соединительные трубки и дифманометр. Если из измеряемой жидкости легко выпадают осадки, то перед дифманометром необходимо устанавливать отстойные сосуды; если необходимо располагать дифманометр выше сужающего устройства, то рекомендуется вначале направить трубки вниз (рис. 2.11), а затем вести их вверх.

Рис. 2.10. Схемы соединения СУ с дифманометром при измерении расхода воды и неагрессивных жидкостей:

а – для чистой жидкости, б – для жидкости, содержащей взвешенные частицы; 1 – дифманометр; 2 – СУ; 3– запорные вентили; 4 – соединительные трубки; 5 – отстойные сосуды

Направленные вниз U-образные вертикальные участки трубок предохраняют от попадания воздуха или газа в соединительные линии. Горизонтальные ветви обеих линий должны иметь уклон и располагаться на одном уровне, чтобы отрицательное давление, создаваемое столбами жидкости в вертикальных ветвях, было равно для обеих ветвей. В верхних точках системы необходимо устанавливать газосборники с вентилями для продувки.

При измерении расхода горячих жидкостей ( > 120 °С) необходимо включать в соединительные линии уравнительные сосуды, заполненные водой. Оба сосуда и боковые отверстия в них должны находиться на одной высоте.

Уравнительные сосуды должны иметь достаточный объем, чтобы температура воды в них изменялась незначительно.

При измерении расхода агрессивных жидкостей для защиты дифманометра и соединительных трубок применяют мембранные устройства, разделительные сосуды и подают защитный газ через соединительные трубки. Такие схемы используют и при измерении расхода вязких жидкостей, загрязненных сред и т. п. Схема установки дифманометра с применением разделительных сосудов показана на рис. 2.12.

При непрерывной продувке газом продуваемый газ (воздух, азот) должен иметь большее давление, чем в производственном трубопроводе. Через обе соединительные трубки должно проходить одинаковое количество газа. Скорость продувки контролируют по количеству пузырьков газа с помощью контрольных стеклянных стаканчиков (установленных в линиях соединительных трубок) или ротаметров. Оптимальный расход газа на продувку каждой трубки 50–200 л/ч.

Рис. 2.11. Схемы соединения СУ с дифманометром при измерении расхода воды и неагрессивных жидкостей:

а – для чистой жидкости; 6 – для жидкости, содержащей взвешенные частицы; 1 – дифманометр; 2 – сужающее устройство; 3 – запорные вентили; 4 – соединительные трубки; 5 – отстойные сосуды; 6 – газосборники

При измерении расхода воздуха или неагрессивного газа дифманометр рекомендуется устанавливать выше сужающего устройства; при этом конденсат, образовавшийся в соединительных трубках, стекает в трубопровод.

Рис. 2.12. Схема соединения СУ с дифманометром при измерении расхода агрессивной жидкости методом непрерывной продувки воздухом или газом:

1 – дифманометр; 2 – сужающее устройство; 3 – запорные вентили; 4 – соединительные трубки; 5 – контрольные стаканчики или ротаметры; 6 – редуктор; 7 – манометры

Если дифманометр приходится устанавливать ниже СУ, то в соединительных трубках накапливается конденсат, который может закупорить трубки и исказить результаты измерений. Чтобы избежать этого, необходимо в нижних точках соединительных линий устанавливать ловушки конденсата. Соединительные линии на всем протяжении должны иметь односторонний уклон, причем при установке дифманометра ниже СУ должен быть обеспечен уклон трубок к ловушкам со стороны и сужающего устройства, и дифманометра. При необходимости (при очень длинной трассе) устанавливают несколько ловушек. Ловушки изготовляют из отрезка трубы диаметром 50–100 мм, емкостью примерно 1000 см³; для периодического выпуска конденсата ловушки снабжают сливным отверстием, закрываемым пробкой или вентилем.

При измерении расхода агрессивных, загрязненных или запыленных газов необходимы также мембранные устройства или разделительные сосуды.

При измерении расхода пара для защиты дифманометра от действия высокой температуры соединительные трубки заполняют водой. Для этого в непосредственной близости от СУ устанавливают конденсационные (уравнительные) сосуды, которые вместе с участками соединительных линий между сосудами и дифманометром заполняют конденсатом. Дифманометр следует устанавливать ниже СУ, так как в этом случае отпадает необходимость в установке газосборников для удаления из трубок воздуха, выделившегося из паропровода или случайно попавшего в них. Оба конденсационных сосуда, а также боковые отверстия в них должны находиться на одной высоте. Давление у СУ целесообразно измерять на среднем диаметре трубопровода. В этом случае обеспечивается постоянство и равенство высот столбов конденсата в соединительных трубках до сужающего устройства и после него. Трубки, соединяющие СУ с конденсационными сосудами, на участках вблизи сосудов нужно располагать горизонтально и на одном уровне. Конденсационные сосуды должны иметь достаточный объём для того, чтобы при любом колебании расхода уровень конденсации всегда находился в пределах объёма сосудов.

При необходимости установки дифманометра выше СУ в верхних точках системы устанавливают газосборники с продувочными вентилями для сбора и удаления воздуха, выделившегося в соединительных трубках.

При наличии взвешенных частиц в паре в нижних точках соединительных линий устанавливают отстойные сосуды.

Таблица 2.1

D_y, мм	10	20	32	40	50	65	80	100	150	200
К_р	1600	400	160	100	65	40	25	15	7	4

Рис. 2.21. Структурная схема расходомера «ВзлётЭР» (ЭСРВ-110)

Ультразвуковые расходомеры

Ультразвуковой (частота более 20 кГц) метод измерения расхода основан на явлении смещения звукового колебания движущейся жидкой средой.

Впервые акустическая технология измерения расхода была предложена в 1935 г, а первый работающий прототип расходомера был представлен в 1948 г.

Благодаря прорыву в электронике первые надежные расходомеры появились в середине 1960-х годов.

Для измерения расхода в основном используют два метода:

первый основан на измерении разности фазовых сдвигов двух ультразвуковых колебаний, направленных по потоку и против него. Такие приборы называют фазовыми расходомерами;

второй основан на измерении разности частот повторения коротких импульсов или пакетов ультразвуковых колебаний, направленных одновременно по потоку и против него. Эти приборы называются частотными расходомерами

(рис.2.20).

Рис. 2.22. Принципиальная схема фазового

УЗ-расходомера: 1, 2 – пьезоизлучатель и пьезоприёмник ультразвуковых колебаний;

3 – переключатель механический

На поверхности трубопровода (рис. 2.22 ) расположены два пьезоэлектрических элемента 1 и 2. В качестве пьезоэлектрических элементов используют пластины титаната бария, обладающие наиболее высоким пьезомодулем по сравнению с другими пьезоэлектриками. Пьезоэлемент 1 механическим переключателем 3 подключен к генератору высокочастотных синусоидальных электрических колебаний. Пьезоэлемент преобразует электрические колебания в ультразвуковые, которые направляются в контролируемую среду через стенки трубопровода. Пьезоэлемент 2 воспринимает ультразвуковые колебания, прошедшие в жидкости расстояние L, и преобразует их в выходные электрические колебания.

Наличие в схеме механического переключателя ограничивает возможность измерения быстро меняющихся расходов вследствие небольшой частоты переключений (порядка 10 Гц). Это можно исключить, если в трубопроводе установить две пары пьезоэлементов так, чтобы в одной паре излучатель непрерывно создавал колебания, направленные по потоку, а в другой – против потока. В таком расходомере на фазометр будут непрерывно поступать Два синусоидальных колебания, фазовый сдвиг между которыми пропорционален скорости потока.

Если колебания распространяются в направлении скорости потока, то они проходят расстояние L (см. рис. 2.22) за время

где а – скорость звука в данной среде; v – скорость потока; L – расстояние между излучателем и приемником УЗ-колебаний.

При распространении колебаний против скорости потока

Отношение весьма мало по сравнению с единицей (для жидкостей 1000... 1500 м/с; 3...4 м/с), поэтому с большой степенью точности можно принять

; (2.13)

. (2.14)

В фазовых расходомерах фиксируется разность времени . Из уравнений (2.13) и (2.14) получим уравнение фазового ультразвукового расходомера (разность фаз пропорциональна скорости потока, а значит и его объёмному расходу):

^. (2.15)

Из уравнения (2.15) следует, что точность измерения расхода зависит от точности измерения и постоянства значения L.

Частотно-пакетные расходомеры. Принцип действия этих расходомеров основан на измерении частот импульсно-модулированных ультразвуковых колебаний, направляемых одновременно по потоку жидкости и против него.

Рис. 2.23. Структурная схема частотно-пакетного расходомера

Генераторы Г (рис. 2.23) создают синусоидальные колебания высокой частоты (10 МГц) и подают их через модуляторы М на излучающие пьезоэлементы П1 и ПЗ, Пьезоэлемент П1 создает направленные ультразвуковые излучения (с частотой 10 МГц), которые воспринимаются пьезоэлементом П2. При неподвижной жидкости время распространения излучений при расстоянии L между пьезоэлементами равно .

Если жидкость перемещается по трубе со скоростью v, то составляющая скорости в направлении движения ультразвуковых колебаний равна , следовательно, время перемещения колебаний между пьезоэлементами П1 и П2 по потоку жидкости .

Соответственно время перемещения колебаний между пьезоэлементами П3 и П4 против направления потока . Модулятор совместно с двумя пьезоэлементами и усилителем-преобразователем УП включены в схему периодического модулирования.

Как только первые колебания, поступающие на приемные пьезоэлементы П2 и П4, достигнут модуляторов, работающих в триггерном режиме, произойдет отключение генераторов от пьезоэлементов П1 и ПЗ, и излучение ультразвуковых колебаний прекращается. Оно возобновляется в те моменты, когда последние ультразвуковые колебания первых пакетов достигнут приемных пьезопреобразователей и генерация электрических колебаний прекратится.

В эти моменты модуляторы вновь пропускают электрические колебания от генератора к приемным пьезоэлементам и процесс повторяется. Частота модулирования сигналов зависит от скорости потока и направления ультразвуковых колебаний (по потоку или против него).

Разность частот, определяемая пересчетной схемой ПС, пропорциональна скорости потока и не зависит от скорости распространения звука в среде. Это является преимуществом частотного метода, так как исключается воздействие физических параметров среды (плотность, температура) на показания прибора.

Разность регистрируется прибором РП. Диапазон измерения расхода приборами данного типа теоретически неограничен. Погрешность ультразвуковых расходомеров примерно ±2 % скорости движения жидкости:

Для конкретной конструкции прибора и L постоянны, поэтому

Рис.2.24. Внешний вид измерительного преобразователя

Рис.2.25. Ультразвуковой расходомер, установленный на газопроводе

На рис.2.24, рис.2.25 показаны ультразвуковой расходомер и его измерительный преобразователь.

2.6. Вихревые и вихреакустические расходомеры

В 1911 г. Теодор фон Карман опубликовал работу, посвященную математическому анализу перемежающегося двойного ряда вихрей, образующегося после тела обтекания в турбулентном потоке жидкости. Важными чертами этого явления являются стабильность и высокая периодичность вихрей. Сейчас эта структура именуется дорожкой Кармана и является одним из наиболее известных и хорошо изученных явлений в гидродинамике.

Суть эффекта заключается в том, что образование вихрей происходит по- очередно на противоположных ребрах тела обтекания. При этом частота образования вихрей прямо пропорциональна скорости потока:

f = St (v/d),

где f – частота образования вихрей Кармана; St – число Струхаля; v – скорость потока среды; d – ширина тела обтекания.

Число Струхаля – эмпирическая величина, определенная геометрией расходомера и свойствами среды.

Однако данный эффект имеет естественные ограничения. При малых скоростях поток ламинарно огибает препятствие без образования вихрей. Упорядоченное образование вихрей начинается только с определенного порога (рис.2.26).

Ламинарный поток

Переходной поток

Турбулентный поток

Рис.2.26. Режимы течения потока

Известная величина в гидродинамике – число Рейнольдса – позволяет привести все среды к одному безразмерному параметру, который характеризует турбулентность течения потока:

Re= ( r n / m ) / D,

где n – скорость среды; m – ее вязкость; r – плотность среды; D – диаметр трубопровода.

При малом Re, порядка нескольких десятков, течение ламинарно, при Re больше нескольких тысяч устанавливается развитый турбулентный режим. В вихревых расходомерах используется тот эффект, что в определенном диапазоне чисел Рейнольдса число Струхаля St практически постоянно (рис. 2.27), благодаря чему получается, что коэффициент преобразования скорости потока в частоту вихрей становится не зависящим ни от плотности, ни от вязкости измеряемой среды и одинаков для всех типов сред.

Рис.2.27. Зависимость числа Струхаля от числа Рейнольдса

При этом следует отметить, что в силу природы эффекта при числах Рейнольдса ниже 20000 вихревые расходомеры не гарантируют точность измерений, так как число Струхаля в этом диапазоне значительно варьируется, хотя некоторые расходомеры, такие как digital YEWFLO имеют специальный инструмент для индивидуальной калибровки в диапазоне 5000< Re< 20000, чтобы измерять с хорошей точностью и здесь. Также следует отметить, что в реальности число Струхаля не строго постоянно с изменением Re. Естественно, оно меняется в определенных границах, ширина которых зависит от геометрии тела обтекания. Соответственно, этой геометрией и определяется точность, которую можно достичь конкретным расходомером.

Рис. 2.28. Принципиальная схема расходомера

Метран – 335

При том, что все вихревые расходомеры используют в своей основе одно и то же физическое явление, расходомеры разных производителей имеют отличающиеся как технические характеристики, так и надежность и требования по установке. В основе этих отличий лежат в первую очередь разные принципы детектирования вихрей. Наиболее популярные из них: манометрический (Метран – 335, рис.2.28; FOXBORO) и термальный (YOKOGAWA).

Изменяющееся давление, приложенное к телу обтекания, измеряется встроенным датчиком давления. Датчики давления имеют непосредственный контакт с технологической средой, что увеличивает вероятность его выхода из строя.

Термальный преобразователь (рис.2.29) имеет встроенный термодатчик. Давление, приложенного к телу обтекания, отводится через сквозной канал, проходящий от одной грани тела обтекания к другой. В результате генерируются колебания среды внутри этого канала. Термодатчик используется для измерений колебаний среды.

Рис. 2.29. Устройство термального детектирования вихрей

. В вариантах конструкции датчик расположен внутри тела обтекания для измерений изменения скорости благодаря образованию вихрей. Этот принцип измерений имеет два существенных недостатка: с одной стороны, канал может засоряться, с другой стороны – полости внутри вихреобразователя не позволяют применить достаточно твердый материал и сами по себе ослабляют вихреобразователь. Это может приводить к частым поломкам вихреобразователей при гидроударах, газовых или жидкостных пробках.

Осциллирующий диск. Образование вихрей вызывает возникновение переменного давления, приложенного с той же частотой к телу обтекания. Давление передается через канал внутри завихрителя к чувствительному диску или диафрагме. Таким образом, диск осциллирует частотой изменения локального давления. Осцилляции диска измеряются магнитным датчиком положения, расположенным непосредственно вблизи диска. Недостатком данного метода является возможность закупоривания канала, а также возможность выхода из строя как диска, так и магнитного датчика.

Электромагнитный (ВЭПС). В электромагнитных вихревых расходомерах детектирование вихрей осуществляется благодаря явлению электромагнитной индукции: жидкость, движущаяся в постоянном магнитном поле, создает ЭДС, частота которой прямо пропорциональна частоте вихреобразования. Недостатками данного метода является возможность измерения расхода только жидкостей, подверженность электродов загрязнению магнитными примесями, чувствительность к электромагнитным помехам.

Вихреакустический. Принцип действия преобразователя основан на ультразвуковом детектировании вихрей, образующихся в потоке жидкости при обтекании ею призмы, расположенной поперек потока. Частота образования вихрей пропорциональна объемному расходу (Метран – 300 ПР).

Преобразователь состоит из проточной части и электронного блока (рис.2.30). В корпусе проточной части расположены тело обтекания - призма трапецеидальной формы 1, пьезоизлучатели ПИ 2, пьезоприемники ПП 3 и термодатчик 7. Электронный блок включает в себя генератор 4, фазовый детектор 5, микропроцессорный адаптивный фильтр с блоком формирования выходных сигналов 6, собранные на двух печатных платах: приемника и цифровой обработки.

Рис. 2.30. Устройство вихреакустического преобразователя расхода

На плате цифровой обработки расположены два светодиода - зеленый и красный, выполняющие функцию индикаторов состояния преобразователя. Зеленый светодиод сигнализирует о нормальной работе преобразователя, причем частота мигания соответствует частоте следования импульсов выходного сигнала преобразователя.

Красный светодиод загорается при расходе меньшем 0, 8Qmin, либо хаотичном характере процесса вихреобразования, в частности, при попадании посторонних предметов на тело обтекания и т.п.

Тело обтекания расположено на входе жидкости в проточную часть. При обтекании этого тела потоком жидкости за ним образуется вихревая дорожка, частота следования вихрей в которой с высокой точностью пропорциональна расходу.

За телом обтекания в корпусе проточной части расположены диаметрально противоположно друг другу стаканчики, в которых собраны ультразвуковой пьезоизлучатель ПИ и пьезоприемник ПП.

В зависимости от типа преобразователь имеет два конструктивных исполнения:

однолучевой преобразователь - одна пара ПИ-ПП (Ду 25-200 мм);

двухлучевой преобразователь - две пары ПИ-ПП (Ду 250; 300 мм).

На ПИ от генератора подается переменное напряжение, которое преобразуется в ультразвуковые колебания. Пройдя через поток, эти колебания в результате взаимодействия с вихрями оказываются модулированными по фазе. На ПП ультразвуковые колебания преобразуются в электрические и подаются на фазовый детектор.

На фазовом детекторе определяется разность фаз между сигналами с ПП и опорного генератора - для однолучевого преобразователя, или разность фаз между ПП первой и второй пары - для двухлучевого преобразователя.

На выходе фазового детектора образуется напряжение, которое по частоте и амплитуде соответствует интенсивности и частоте следования вихрей, которая в силу пропорциональности скорости потока является мерой расхода.

Для фильтрации случайных составляющих сигнал с фазового детектора подается на микропроцессорный адаптивный фильтр и затем в блок формирования выходных сигналов. Для повышения достоверности показаний при обработке сигнала вычисляется дисперсия периода колебаний вихрей.

Для увеличения динамического диапазона преобразователя за счет измерения малых расходов, где характеристика преобразователя нелинейна и зависит от температуры теплоносителя, в проточную часть установлен термодатчик. Сигнал от него автоматически вводится в программу вычисления расхода в области малых значений.

Таким образом, в результате преобразований и программной обработки модуль формирует импульсный выходной сигнал.

Рис. 2.31. Измерительный преобразователь вихреакустического расходомера серии Метран-300: 1 – проточная часть; 2 – тело обтекания; 3 – электронный блок; 4 – трубчатый кронштейн; 5 – клеммная колодка; 6 – два светодиода; 7 – перемычка; 8, 9 – розетки вывода кабеля для аналогового токового сигнала и(или) цифрового); 10 – контргайка

Перемычка служит для настройки вида выходного сигнала измерительного преобразователя: при замыкании клемм «0» и «4» имеют импульсный выходной сигнал типа «замкнуто-разомкнуто» (оптопара); при отсутствии перемычки – токоимпульсный.

Технические и метрологические характеристики: измеряемая среда – вода питьевая, теплофикационная, техническая, речная и водные растворы, кроме абразивных, с вязкостью до 2*10⁶м²/с (2сСт); диапазон температур измеряемой среды 1...150 °С; избыточное давление измеряемой среды в трубопроводе до 1, 6 МПа; диаметр условного прохода Dy трубопровода 25...300 мм; пределы измерений 0, 18...2000 м³/ч; динамический диапазон 1: 100; предел относительной погрешности измерений объема V = ±1, 0%; межповерочный интервал - 4 года.

Номинальная статическая характеристика (НСХ) преобразователя линейна

V = N • c,

где V – объем измеряемой среды, прошедшей через преобразователь, м³; N – количество импульсов, поступивших на импульсный выход, имп; с – цена импульса, м³/с.

Выходные сигналы:

токоимпульсный (ТИ);

импульсный типа " замкнуто" /" разомкнуто" -оптопара (ОП);

унифицированный токовый 0-5, 0-20, 4-20 мА;

цифровой интерфейс на основе RS-485, HART;

ЖК-индикатор для отображения значений расхода, накопленного объема, времени наработки, кода самодиагностики.

Температурная коррекция расходной характеристики в области малых значений расхода: питание от источника постоянного тока стабилизированным напряжением от 16 до 36 В (внесен в госреестр средств измерений под №16098-02, сертификат №12877).

Основные преимущества:

наличие беспроливной методики поверки;

поверка на месте без демонтажа с помощью имитатора расхода " Метран-550ИР";

высокая надежность, стабильность в течение длительного времени;

отсутствие в проточной части подвижных элементов;

надежная работа при наличии вибрации трубопровода, изменений температуры и давления рабочей среды;

малые длины прямых участков трубопроводов в месте установки преобразователя;

самодиагностика.

По способу монтажа преобразователи Ду 25-200 мм имеют два типа исполнения:

А – патрубки отсутствуют, функцию патрубков обеспечивают конические переходы, выполненные в проточной части корпуса;

В – установка измерительного преобразователя на трубопроводе производится с помощью патрубков (конфузор-диффузор), обеспечивающих сопряжение проточной части с трубопроводом, и фланцев. Геометрическая форма патрубков на входе и выходе проточной части обеспечивает сохранение метрологических характеристик и снижает требования к длине прямых участков трубопроводов до и после места установки прибора.

Для увеличения срока службы преобразователя и сведения к минимуму образования отложений в проточной части, проточная часть изготовлена из нержавеющей стали и обработана по высокому классу чистоты поверхности.

Для проведения периодической поверки по беспроливной методике тело обтекания сделано легкосъемным.

Электронный блок размещен в отдельном корпусе, соединенном с проточной частью трубчатым кронштейном, и состоит из платы приемника и платы цифровой обработки, установленных на клеммной колодке. На клеммную колодку с платы цифровой обработки сигналов выведены два светодиода. Соединение плат электроники с пьезоэлементами осуществляется проводами, проходящими внутри трубчатого кронштейна.

На боковой стороне корпуса располагаются вилка, служащая для соединения преобразователя со вторичными приборами и источником питания. Корпус закрыт крышками, уплотнение которых производится резиновыми прокладками, что обеспечивает герметичность корпуса.

В конструкции электронного блока с заказываемыми опциями аналогового выходного сигнала, цифрового интерфейса на основе стандарта RS485 и модуля индикации добавляются три платы, а одна из крышек корпуса имеет увеличенный размер и прозрачную (стекло) торцевую поверхность для визуализации показаний ЖК-индикатора.

На индикаторе одновременно отображаются: время наработки прибора (ч), объемный расход (м³/ч), накопленный объем (м³), код самодиагностики.

Фирма YOKOGAWA вот уже более 30 лет применяет в своих вихревых расходомерах метод изгибных напряжений (серия YEWFLO). Суть этого принципа заключается в том, что формирование вихрей на теле обтекания приводит к возникновению переменного давления, приложенного к телу обтекания, что приводит к возникновению переменной силы, которая приводит к возникновению малых изгибных напряжений в теле обтекания с той же самой частотой, что и частота образования вихрей. Эти изгибные напряжения регистрируются пьезодатчиками, расположенными в теле обтекания. Изгибающая сила, возникающая в момент срыва, регистрируется пьезодатчиками, расположенными внутри него (рис. 2.32).

Рис. 2.32. Расходомер, детектирующий вихри методом

Изгибных напряжений (YOKOGAWA)

Достоинствами такого метода измерений являются:

усреднение потока по сечению трубопровода;

исключение контакта датчиков с процессом;

возможность применения ультрастойких материалов в качестве вихреобразователя.

Кориолисовые расходомеры

Принцип действия основан на возникновении эффекта Кориолиса, возникающего при движении жидкости или газа в колеблющейся трубке. Под действием сил Кориолиса входная и выходная части трубки изгибаются друг относительно друга.

Устройство. В качестве чувствительного элемента первичного преобразователя (ППВ) расходомера используется камертонная колебательная система (рис 2.33), состоящая из двух изогнутых трубок с консольно-закрепленными входными и выходными патрубками.

Подобно камертону изогнутые трубки имеют собственную частоту колебаний относительно оси W-W и зани мают постоянное угловое положение относительно оси O-O при отсутствии в них потока.

Рис. 2.33. Сенсор

Кориолисового расходомера

При появлении в измерительных трубках потока, движущегося радиально от оси W-W по входному участку I, генерируется первая сила Кориолиса Fк1, направленная перпендикулярно вектору скорости потока и перпендикулярно оси W-W. В это же время на выходном участке 2 генерируется вторая сила Кориолиса Fк2, направленная также перпендикулярно вектору скорости потока и оси W-W, но противоположно направленная относительно силы Fк1, так как на участках 1 и 2 противоположно направлены вектора скорости потока. Сила Кориолиса определяется соотношением

F_к = 2M_r V_r w, (1)

где Mr – масса продукта; Vr – линейная скорость продукта вдоль оси трубки; w – угловая скорость вокруг оси W- W.

Противоположно направленные силы Fк1 и Fк2 образуют крутящий момент M вокруг оси O-O:

M = Fк1 r1 + Fк2 r2,

где r1 и r2 – расстояния от оси О-О до прямых участков 1 и 2 изогнутой трубки.

Так как ось O-O является осью симметрии изогнутой трубки, то r1 = r2 = r и, следовательно:

M = 2F к r = 4M_r V_r w r. (2)

Поскольку произведение Mr ^.Vr, отнесенное к длине прямого участка трубки L, представляет собой массовый расход G, то последнее соотношение можно переписать как

М = 4rGwL.

Под действием момента М изогнутая трубка деформируется и ее плоскость разворачивается вокруг оси O-O на угол α , значение которого определяется следующим соотношением:

a = =

где k – коэффициент, характеризующий жесткость трубки на скручивание.

Отсюда следует, что

G = .

Для преобразования массового расхода в выходной информационный сигнал определяется фазовый сдвиг между синусоидальными напряжениями электромагнитных датчиков скорости, установленных на противоположных ветвях изогнутых трубок. Этот фазовый сдвиг измеряется в единицах времени и определяется по формуле

T = ,

где V_A – линейная скорость электромагнитных датчиков скорости на круговой траектории вокруг оси W-W.

Так как V_A = Lw, то формула для определения массового расхода с учетом трех последних соотношений принимает вид

G = = .

Таким образом, сдвиг по фазе Т между синусоидальными сигналами электромагнитных датчиков скорости на входе и выходе трубки пропорционален массовому расходу G.

Кориолисовый расходомер Метран-360 (рис. 2.34, рис. 2.35) является измерителем массового расхода (массомером) жидких и газообразных сред. Он имеет модульную конструкцию и состоит из:

измерительного преобразователя расхода;

измерительного микропроцессорного преобразователя;

основного процессора;

присоединительных фланцев.

Рис. 2.34. Измерительный преобразователь расхода

Расходомеры

Принцип действия расходомеров основан на нагреве потока жидкости или газа и возникновении разности температур ( до нагревателя и после него), зависящей от скорости потока. Тепловая энергия, выделяемая нагревателем, определяется уравнением

q = 0, 24 I ² R,

Пренебрегая потерями теплоты в окружающую среду, можно получить уравнение теплового баланса потока:

q = k F_m c_p ( t ₁ - t ₂ )

Приравнивая эти выражения, можно определить массовый расход:

F_m = 0, 24 I ² R / ( k c_pΔ t )

где R- сопротивление нагревателя; k-поправочный коэффициент; c_p-удельная теплоемкость потока при t=( t1+ t2)/2; F_m- массовый расход жидкости или газа; Δ t- разность температур потока до и после нагревателя.

Возможны два варианта расходомера:

Δ t = const, I = f ( Fm ) (ток нагрева датчика регулируется, таким образом, чтобы его температура оставалась постоянной, а скорость оценивают по значению питающего тока);

Δ t = f ( Fm)( по разности температур при постоянной мощности нагревателя).

Парциальный меточный тепловой расходомер (термоанемометр постоянной температуры) представляет собой трубу, внутри которой установлен электрический нагреватель (рис.2.37

Рис. 2.37. Структурная схема парциального расходомера:

1 – корпус ПИП; 2 – измерительный (основной) канал; 3 – обводной канал; 4, 5 – измерительные плёночные терморезисторы; 6, 7 – компенсационные плёночные терморезисторы; 8 – нагреватель плёночный; 9 – вставка с набором диафрагм (Dy=3; 5; 6 мм); 10 – измерительно-преобразующий блок; 11 – ПЭВМ с видеотерминалом

Экспериментальные исследования парциального расходомера показали, что его динамический диапазон увеличился более чем в 7 раз, что обеспечило измерение расхода воздуха в диапазоне 10 - 300 мл/с с приведенной погрешностью, не превышающей ±1, 2%. Градуировочные характеристики парциального расходомера при различных Dy диафрагм обводного канала представлены на рис.2.38.

Рис. 2.38. Градуировочные характеристики расходомера: 1 – градуировочная характеристика с закрытым обводным каналом; 2, 3, 4 – градуировочные характеристики с Dy =3; 5; 6 мм соответственно

Количественно оценено влияние нестабильности таких неинформативных величин и факторов, как температура потока, окружающей среды, а также начальных параметров теплового импульса. Подтверждена перспективность организации двух каналов измерения генерируемых терморезисторами и соответственно измерение времени переноса метки между зонами установки этих терморезисторов. При этом минимизируется влияние указанных неинформативных величин. Тепловые расходомеры находят практическое применение для широкого спектра задач специфических измерений расхода, отмеченных выше, например, в химической, целюлозобумажной, электронной отраслях промышленности.

Расходомеры газа термоанемометрические РГА-100(300), Ростов-на-Дону. Используются для работы в составе автоматизированных узлов коммерческого учета и имеют следующие технические и метрологические характеристики (табл.2.2).

Таблица 2.2

Параметр	Значение
Диапазон измерений объемного расхода газа При абсолютном давлении 0, 1 МПа, м³/ч	1, 5 – 287 000
Диаметр условного прохода трубопровода, мм	50 – 1300
Диапазон измерений температуры газа, °С	от минус 40 до плюс 50
Максимальное давление газа в трубопроводе, МПа	7, 0
Пределы относительной погрешности при измерении расхода газа, %	± 1
Пределы абсолютной погрешности при измерении температуры, °С	± 0, 3
Пределы абсолютной погрешности при измерении времени, с	± 5 за 24 ч

Требования к минимальным длинам прямых участков трубопровода перед измерительным сечением согласно табл.2.3.

Расстояние от измерительного сечения до конца прямого участка в любом случае не менее 5 Д_у.

Таблица 2.3

Тип местного сопротивления	Длина Д_у
Колено или тройник	20
Два или более колен в одной плоскости	20
Два или более колен в разных плоскостях	50
Полностью открытая задвижка	20
Конфузор	20
Диффузор	20

Принцип действия расходомеров термоанемометрических (рис. 2.39) основан на зависимости тепловой мощности, рассеиваемой нагретым до постоянной температуры телом (датчиком), от разности температур тела и газа и массовой скорости движения газа.

Массовую скорость (кг/м²·с) определяют по формуле

Vm = ρ · v =

=η / d { A · L ( T _w – T _g )- W ( A + L )\ B λ ( T_w / T_g ) ^m ( W - L ( T _w – T_g ) ))}^1/ ⁿ,

где ρ – плотность газа при рабочих условиях;

v – скорость потока, м/с;

d – характерный размер ИСП, м;

η – динамическая вязкость газа при рабочих условиях, кг/м·с;

А, L – постоянные градуировочные коэффициенты ПИП, Вт/м·К;

Т_W – абсолютная температура ПИП, К;

Т_g – абсолютная температура газа;

К; – тепловая мощность ПИП, Вт;

B, n, m – постоянные, характеризующие конструкцию ПИП;

λ –теплопроводность газа, Вт/м·К.

Рис. 2.39. Термоанемометрический расходомер газа РГА-100:

1 – трубопровод; 2 –сверло d-12; 3 – контргайка М15; 4 – кран шаровый

d 15; 5 – кольцо фторопластовое уплотнительное; 6 – кольцо металлическое уплотнительное; 7 – втулка уплотнительная; 8 – гайка М10; 9 – пружина прижимная; 10 – шпилька крепёжная; 11 – площадка направляющая; 12 – рычаг

Метрологические характеристики расходомера:

предел относительной погрешности при измерении объема газа ± 1%;

предел допускаемой абсолютной погрешности при измерении (индикации) температуры ± 0, 3 °С;

предел допускаемой абсолютной погрешности измерения времени ± 5 с за 24 часа.

Состав расходомера:

измеритель скорости потока (ИСП);

вычислитель расхода (ВР);

базовый блок питания (ББ);

блок автономного питания (БАП);

комплект монтажный.

На рис. 2. 40 представлен вычислитель термоанемометрического расходомера газа РГА-100.

Рис. 2.40

Назначение клавиш вычислителя расхода:

1 – температура измеряемой среды t, °С;

2 – текущий расход газа Q, м³/ч;

3 – давление Р, МПа;

4 – суммарный объем за текущие сутки Q, м³;

5 – суммарный объем за предыдущие сутки Q, м³;

6 – суммарный объем с начала эксплуатации Q, м³;

7 – время наработки с начала эксплуатации, ч/м;

8 – время простоя с начала эксплуатации, ч/м;

9 – суммарный объем за текущий месяц Q, м³;

0 – суммарный объем за прошлый месяц Q, м³;

С – перевод ВРГ в режим автоиндекации;

• – помощь;

Ввод – вход в систему меню;

Канал 1, Канал 2 – предназначены для выбора измерительной линии (функция доступна при наличии двух блоков ИСП в комплекте).

Корреляционные расходомеры

Большинство однофазных потоков, не говоря уже о многофазных, не строго однородны. Поэтому те или другие свойства или параметры потока (плотность, электрическая проводимость, температура и т. д.) непрерывно меняются случайным образом. Если с помощью коррелометра определить абсциссу максимальной ординаты взаимной корреляционной функции двух случайно изменяющихся параметров потока одного и того же рода, в двух сечениях, отстоящих друг от друга на небольшом расстоянии L, то эта абсцисса будет соответствовать времени τ п перемещения потока на указанном расстоянии L. Зная поперечное сечение потока S, его объемный расход можно будет определить по формуле:

где k – коэффициент, учитывающий влияние профиля скоростей, свойств вещества и характера информационно-измерительного устройства.

Принципиальная схема корреляционного расходомера показана на рис. 2.41. Изменение того или другого параметра потока, например концентрации отдельных его фаз, воспринимается в сечениях А и Б двумя преобразователями 1 и 2.

Рис. 2.41

Хотя сигналы х (t) и у (t) носят случайный характер, но, благодаря сравнительно небольшому расстоянию L между сечениями А и Б, они имеют тесную корреляционную связь. Форма сигнала х (t) опережает форму сигнала у (t) на время τ п, необходимое для перемещения частиц потока от сечения А до сечения Б. Для измерения этого времени служит коррелометр, состоящий из блоков 3, 4, 6 и измерительного прибора 5. Блок 6 преобразует сигнал х (t) в сигнал х (t - τ ). Он имеет регулирующее устройство, позволяющее изменять время задержки т. Блок 3 дает произведение сигналов х (t — τ ) у (t). Блок 4 интегрирует это произведение и выдает его среднее значение Rxp(τ ) за некоторый период времени Т. Значение корреляционной функции Rxp(τ ) определяется уравнением

Достоинства корреляционных расходомеров: возможность применения для измерения расхода загрязненных сред, многофазных потоков и расплавленных металлов; отсутствие потери давления; отсутствие контакта с измеряемым веществом в большинстве случаев.

Недостатки корреляционных расходомеров: длительность процесса измерения, так как с уменьшением времени измерения Т погрешность возрастает; ограниченная точность, обычно погрешность измерения расхода не менее 1, 5 –2 %.

Корреляционные расходомеры предназначены в первую очередь для измерения многофазных веществ и различных потоков, имеющих какие-либо неоднородности.

И расходомеры

Турбинный счетчик использует многолопаточный ротор, который поддерживается при помощи подшипников внутри секции трубы, перпендикулярно потоку (рис.2.42). Жидкость вращает ротор со скоростью, которая пропорциональна скорости жидкости и, следовательно, общему объемному расходу. Магнитная катушка, расположенная снаружи счетчика, производит переменное напряжение каждый раз когда лопатка пересекает линии магнитного поля катушки. Таким образом, каждый импульс представляет дискретный объем жидкости. Так как ротор обычно изготавливается из нержавеющей стали, он совместим со многими средами. Тем не менее, подшипники, которые необходимы для поддержки ротора и должны позволять ему вращаться свободно с высокой скоростью, требуют тщательного процесса очистки. Размеры турбинных счетчиков от 12 до 300 мм. Они имеют высокий отклик и хорошую точность.

Рис. 2.42. Турбинный расходомер

Тахометрические счетчики состоят из механизма (тахометра),

в котором поток воды напрямую, путем механического давления,

воздействует на лопасти крыльчатого колеса или турбины и вызывает

их вращение. Это вращение посредством зубчатой передачи передается на счетное устройство, регистрирующее количество расходуемой воды.

Место применения тахометрических счетчиков в коммунальном хозяйстве зависит от конструктивных особенностей этих приборов. Различают крыльчатые (вертикальное расположение оси) и турбинные (горизонтальное расположение оси) счетчики, а по типу подведения воды - одноструйные и многоструйные. Турбинные счетчики рационально использовать на более крупных промышленных предприятиях. Счетчики устанавливаются на общем вводе в здание при расходе воды не ниже 0, 1 м3/ч. При меньших расходах счетчики устанавливать нецелесообразно. Многоструйные и одноструйные водосчетчики бывают к тому же сухими и мокрыми.

Счетчики мокрого типа – это самые простые, но достаточно эффективные приборы учета воды, счетное устройство которых никак не изолировано от протекающей через счетчик воды. Простота исполнения и сопутствующая дешевизна при достаточно высокой надежности - вот главные достоинства счетчиков мокрого типа. В то же время, такие водосчетчики неприменимы для учета воды, загрязненной взвешенными механическими частицами.

Счетчики сухого типа лишены этого недостатка. В таких приборах счетный механизм герметично отделен от измеряемой воды немагнитной перегородкой, благодаря этому на нем не образуется отложений взвешенных частиц. Передача же показаний с вращающейся крыльчатки или турбины на счетный механизм осуществляется с помощью закрепленного на них магнита. Подобное устройство делает счетчик пригодным для учета воды любой степени загрязнения, но значительно повышает его стоимость. Поэтому сухим механизмом много чаще оснащаются и так более дорогие многоструйные счетчики, которые применяются в тех случаях, когда действительно необходим особенно точный учет расхода воды. Сухой механизм на одноструйных счетчиках устанавливается редко, это лишило бы данные приборы их главного преимущества - дешевизны.

Шариковые расходомеры. Принцип работы шариковых расходомеров основан на вращении закрученным потоком жидкости свободно плавающего шара, вызывающего модуляцию в специальном устройстве электрического тока. Расходомеры могут быть с гидродинамически подвешенным ротором (ротор с размещенным внутри магнитом вращается под воздействием измеряемой жидкости) и кориолисовые (используется принцип регистрации возникновения кориолисова ускорения, которое зависит от расхода).

Камерные расходомеры. Камерные расходомеры измеряют объемный расход напрямую путем повторяющегося захвата порции жидкости. Общий объем жидкости, проходящей через расходомер в заданный промежуток времени, – это произведение объема порции на количество порций. Камерные расходомеры часто суммируют расход напрямую на встроенный счетчик, но они также могут генерировать импульсный выход, который может быть прочитан на местном ЖКИ или передан в комнату управления.

Так как каждый импульс представляет дискретный объем жидкости, они хорошо подходят для автоматического дозирования и учета. Снижение точности камерных расходомеров связано с просачиванием через внутреннюю изолированную поверхность. Три основных типа таких расходомеров: поршневые счетчики, счетчики с овальными шестернями и дисковые счетчики.

Струйные расходомеры

В основе устройства струйного расходомера-счетчика заложен принцип работы струйной техники.

Струйная техника – это область пневмогидроавтоматики, основанная

на использовании взаимодействия струй жидкости или газа. Струйная техника аналогична электронике в отношении, как основных принципов построения, так и практического применения. Устройства и системы струйной техники не имеют подвижных деталей и используются в компьютерах, насосах аппаратов искусственного кровообращения, системах управления ракетной техники, станкостроения, машиностроения и т.д. Элементом струйной техники в расходомере-счетчике РС01 является струйный автогенератор (рис. 2.43).

Принцип работы струйного автогенератора: измеряемое вещество (жидкость, газ, пар) поступает в автогенератор через сопло и попадает в рабочую камеру, где отклоняется к одному из бортов и прижимается к нему давлением, которое создается потоком, отраженным вогнутым дефлектором в область между измеряе-

Рис. 2.43 мым веществом и бортом. Измеряемое вещество течет вдоль борта и попадает в приемный канал, в результате торможения потока давление в канале по сравнению с давлением в рабочей камере и в приемном канале повышается. Это создает в обратном канале связи разгон измеряемого вещества. Через промежуток времени, равный времени прохождению по каналу обратной связи, расход в сопле управления достигает величины расхода переключения, что приводит к отрыву измеряемого вещества от первого борта и перемещения его ко второму борту. Через интервал времени запаздывания в струйном элементе в приемном канале №2 повышается давление, при этом давление в приемном канале №1 становится равным давлению в рабочей камере. Через интервал времени, равный прохождению по каналу обратной связи №2, расход в сопле управления достигает величины расхода переключения, что приводит к отрыву измеряемого вещества от второго борта и перемещения его к первому борту, в результате этого начинаются новые колебания и возникают устойчивые автоколебания измеряемого вещества, которые образуют пульсации давления. Струйный расходомер-счетчик РС01 (ЗАО «Термоавтоматика») имеет следующие метрологические параметры:

измеряемые среды: жидкость, газ, пар;

диаметр условного прохода, мм: 10-300;

минимальный измеряемый расход, м³/ч: 0, 05;

динамический диапазон измерения, Q_max/Q_min: 50: 1;

предел основной относительной погрешности преобразования:

для жидкостей ….±1%;

для газов и пара ±1, 5%;

параметры измеряемой среды:

температура - 35 - +400 °С;

статическое давление не более 10 МПа;

кинематическая вязкость. не более 100*10^-6 м²/с;

тип выходного сигнала:

токовый (0…5 мА, 0…20 мА, 4…20 мА);

частотный;

кодовый.

ООО «Интер Инвест Прибор» разработан и подготовлен к промышленному серийному производству ряд универсальных струйных расходомеров-счетчиков (РСП-А) жидкостей, газов и пара с использованием чувствительного элемента датчика на основе синтетического полупроводникового алмаза (СПА).

Принцип действия струйных автогенераторных расходомеров-счетчиков основан на возникновении устойчивых автоколебаний струи в струйном элементе, охваченном каналами обратной связи. Частота автоколебаний пропорциональна объемному расходу среды, протекающей через струйный элемент. В коммерческих узлах учета тепла и газа и пара сопрягается с вычислителями. Предусмотрен выход на компьютер через разъем RS-232. Прибор установлен более чем в 35 регионах Российской Федерации. Промышленной площадкой для производства серийной продукции является ОАО «ЛОМО», г. Санкт- Петербург. Достоинства струйных расходомеров-счетчиков:

унификация измерительных приборов для различных сред;

отсутствие подвижных частей, что обуславливает высокую надежность, стабильность характеристик во времени, высокую технологичность изготовления;

независимость градуировочного коэффициента от плотности измеряемой среды;

возможность измерения малых расходов, агрессивных, неэлектропроводных и криогенных сред;

не требуются прямые участки до и после места установки;

возможность поверки на месте установки. Рис. 2.44

Принцип измерения расходомера РМ-5-ПГ (рис.2.44) заключается в следующем. Поток среды, проходя через сужающее устройство, создает перепад давления в камерах отбора давления. Под действием перепада часть потока перетекает через струйный автогенератор, создавая в нем устойчивые автоколебания, которые воспринимаются пьезоэлектрическими датчиками и преобразуются в электрический сигнал. В электронном блоке сигнал подвергается цифровой обработке, в результате которой измеряются частота колебаний и связанный с ней расход среды через прибор.

Таблица 2.4

Теплосчетчики

Теплосчетчики (ТС) являются измерительно- информационным комплексами (ИИК), предназначенными для измерения расходов теплоносителя (горячей воды или пара) и потреблённого количества тепловой энергии. Одновременно они информируют о температуре, давлении теплоносителя в подающем и обратном трубопроводе.

Уравнение НСХ: потреблённое количество тепловой энергии можно рассчитать для различных типовых схем теплоснабжения, например:

для закрытых систем теплоснабжения (рис.2.46)

Q = G 1( h 1- h 2);

для открытых систем теплоснабжения с разбором горячей воды (рис.2.47)

Q = G 1( h 1- h 2)+ G 3 ( h 1- hx ),

где G1, h1 – массовый расход и энтальпия теплоносителя в подающем, прямом трубопроводе; h3, hx - энтальпии теплоносителя в обратном трубопроводе и подпитке, определяемые по значениям температуры Т3, Тх; G3- массовый расход воды на бытовые нужды (ГВС).

ВЧ

Рис. 2.46. Схема установки ТС для закрытой системы теплоснабжения: V1, T1 – расходомер и термометр на подающем (прямом) трубопроводе отопительной сети; T2 – термометр на обратном трубопроводе; ВЧ – микропроцессорный тепловычислитель

Теплосчетчик является составным изделием, включающим в себя следующие функциональные блоки:

преобразователи расхода;

парные термопреобразователи сопротивления платиновые с НСХ 100П, Рt100 класса В;

вычислительное устройство (тепловычислитель).

В качестве тепловычислителя могут применяться вычислители различных изготовителей по выбору заказчика, но обязательно сертифицированные в комплекте данного теплосчетчика. Например, с теплосчетчиком Метран - 400 (рис. 2.48) сертифицированы тепловычислители ВКТ-7, Эльф, СПТ-941, СПТ-961, ТВМ-5, ТЕКОН-17 ВЗЛЁТ ТСР-М (рис.2.49).

ВЧ

Рис. 2.47. Схема установки теплосчетчика для открытой системы с водоразбором на ГВС: V3, T3 – расходомер и датчик температуры в линии ГВС (горячего водоснабжения на бытовые нужды)

Рис. 2.48. Комплект теплосчетчика Метран – 400

Рис. 2.49. Теплосчетчик-регистратор Взлёт ТСР-М

Поверка теплосчетчиков выполняется поэлементно, то есть средства измерения, входящие в его состав, поверяются по своим поверочным схемам, тепловычислитель поверяют имитационным методом (МПИ теплосчетчиков 3-4 года).

ПОВЕРКА РАСХОДОМЕРОВ

В соответствии с определением поверка средств измерений – установление органом государственной метрологической службы (или другим уполномоченным органом, организацией или индивидуальным предпринимателем) пригодности средства измерения к применению на основании экспериментально определяемых метрологических характеристик и подтверждения их соответствия установленным обязательным требованиям. Поверке подвергают средства измерений, подлежащие государственному метрологическому контролю и надзору. При поверке используют эталон.

Поверку проводят в соответствии с обязательными требованиями, установленными нормативными документами по поверке. Поверку проводят специально обученные специалисты, аттестованные в качестве поверителей органами Государственной метрологической службы.

Результаты поверки средств измерений, признанных годными к применению, оформляют выдачей свидетельства о поверке, нанесением поверительного клейма или иными способами, установленными нормативными документами по поверке. Другими официально уполномоченными органами, которым может быть предоставлено право проведения поверки, являются аккредитованные метрологические службы юридических лиц. Аккредитация на право поверки средств измерений проводится уполномоченным на то государственным органом управления.

Виды поверки. В соответствии с правилами по метрологии ПР 50.2.006-94 «Порядок проведения поверки средств измерений» средства измерений могут быть подвергнуты первичной, периодической, внеочередной и инспекционной поверке. Первичной поверке подлежат средства измерения утвержденных типов при выпуске из производства и ремонта, при ввозе по импорту. Первичной поверке подлежит, как правило, каждый экземпляр. В обоснованных случаях допускается выборочная поверка. Первичной поверке могут не подвергаться средства измерения при ввозе по импорту на основании заключенных международных соглашений о признании результатов поверки, произведенной в зарубежных странах.

Первичную поверку центры стандартизации и метрологии могут производить на контрольно-поверочных пунктах, организуемых юридическими лицами, выпускающими и ремонтирующими средства измерения. Такая практика получила широкое распространение. Результаты первичной поверки действительны в течение межповерочного интервала. Периодической поверке через определенные межповерочные интервалы подлежит каждый экземпляр, находящийся в эксплуатации или на хранении.

Средства измерения, находящиеся на длительном хранении, периодической поверке могут не подвергаться. Пользователь должен представить на поверку средства измерения: расконсервированными, с техническим описанием, инструкцией по эксплуатации, методикой поверки, паспортом или свидетельством о предыдущей поверке и необходимыми комплектующими устройствами.

Методы поверки расходомеров

Государственными поверочными схемами предусмотрены такие методы поверки расходомеров (рис.3.1), как метод непосредственного сличения показаний с применением эталонных расходомеров или проливных поверочных установок, метод косвенных измерений с применением заимствованных эталонов. В последние годы для современных типов расходомеров появился имитационный метод поверки.

По мнению некоторых исследователей, имитационные методы имеют определенные недостатки: узкая специализация на метод измерений и конструктивные особенности, заложенные в тип поверяемых преобразователей; невозможность воспроизведения влияющих факторов (длина прямого участка, температура и давление в трубопроводе, термодинамические характеристики воды). Вместе с тем этот метод поверки является наименее затратным.

Массовый метод (статическое взвешивание) поверки предполагает применение образцовых весов и запорного клапана, работающего в режиме управления " старт - стоп".

Это абсолютный метод, в котором чистая масса собранной жидкости определяется из массы емкости и массы, заполненной жидкостью, взвешенных соответственно до и после того, как жидкость была отведена в резервуар за измеренный интервал времени.

Имитационный

Сличения

Косвенных измерений

С применением эталонов, заимствованных из других поверочных схем

С применением проливных поверочных установок

МЕТОДЫ ПОВЕРКИ РАСХОДОМЕРОВ

Массовые

Комбинированные

Объемные

Рис. 3.1

На результаты измерений могут влиять ускорение и замедление потока в трубопроводе при пропуске необходимой порции воды, температура, давление и состав воды (в основном насыщенность нерастворенными и растворенными газами) и термодинамические характеристики воды в трубопроводе, где расположены поверяемые преобразователи. Для исключения указанных недостатков целесообразно применять массовый метод с применением образцовых весов, перекидного клапана (устройства отклонения потока Divecter в соответствии с международным стандартом ISO 4185 и европейским стандартом EN214185) и плотномера. Достоинства метода: высокая потенциальная точность измерения нормированного потока; прослеживаемость передачи результатов измерений физических величин до рабочих (государственных) эталонов; возможность испытаний на горячей воде; быстродействие проведения измерений; стабильность (повторяемость) результатов измерений; высокая степень автоматизации технологического процесса.

Операции поверки

При утверждении типа СИ для каждого расходомера разрабатывается методика поверки, которая содержит (по Государственной поверочной схеме) перечень средств и операций, а также указаний по условиям поверки и алгоритму расчета относительной погрешности. Основными операциями при поверке являются: внешний осмотр герметичности; опробование; определение основной относительной погрешности измерения. В зависимости от устройства и принципа действия операции поверки могут отличаться. Пример операций поверки расходомера-счетчика вихревого Метран-332 приведен в табл. 3.1.

Таблица 3.1

Операция	Рабочие эталоны и (или) вспомогательные средства поверки	Обязательность выполнения операции при
Операция	Рабочие эталоны и (или) вспомогательные средства поверки	первичной поверке	эксплуатации, хранении и после ремонта
Внешний осмотр	–	Да	Да
Опробование	Установка УГН на расходы воздуха от Q_min до Q_max с пределами погрешности ± 0, 5 %	Да	Нет
Поверка вычислителя:
Определение погрешности преобразования кодовых сигналов Определение погрешности вычислителя Определение погрешности измерения времени	Сравнение с расчетными значениями; имитатор Сравнение с расчетными значениями; имитатор Частотомер Ч357ЕЯ2.721.039 ТУ	Да Да Да	Да Да Нет
Поверка датчика:
Определение погрешности измерения объема Определение погрешности измерения температуры Определение погрешности измерения давления	Установка УГН на расходы воздуха от Q_min до Q_max с пределами погрешности ± 0, 5 %; вычислитель; штангенциркуль типа 6in/150 mm Bean st. no. 182-9363 RS Components, 0-150 мм, ± 0, 02 мм Термостат СЖМЛ-19/2, 5; образцовые термометры 2 разряда с ценой деления 0, 1°С и диапазонами температур от + 100 до + 150 °С, от + 150 до + 200 °С; вычислитель Испытательный стенд на давление до 1, 6 МПа; датчики избыточного давления 408ДИ модели 0803 на давление 1, 0 МПа и 1, 6 МПа с погрешностью ± 0, 25 %; вычислитель	Да Да Да	Да Да Да
Определение погрешности счетчика	Микрокалькулятор «Электроника МК – 51»	Да	Нет

При внешнем осмотре проверяется наличие технического паспорта, соответствие комплектности расходомера, его заводских номеров, типоразмера первичного преобразователя данным, указанным в паспорте. При внешнем осмотре датчика и вычислителя устанавливают наличие пломб, отсутствие механических повреждений, влияющих на работоспособность датчика и вычислителя и их метрологические характеристики, отсутствие дефектов, препятствующих чтению надписей, маркировки и считыванию информации со светового табло (дисплея). Результаты осмотра заносят в протокол поверки и считают удовлетворительными, если выполняются вышеуказанные требования. Расходомер, забракованный при внешнем осмотре, дальнейшей поверке не подлежит.

При проведении поверки должны соблюдаться следующие условия:

температура окружающего воздуха + (25 ± 10) °С;

относительная влажность окружающего воздуха от 45 до 80 %;

атмосферное давление от 84, 0 до 106, 7 кПа;

питание счетчика от сети переменного тока напряжением (220 ± 10)В и частотой (50 ± 1) Гц;

поверочная среда – воздух при избыточном давлении от 0 до 1, 6 МПа и температуре от + 10 до + 35 °С;

объем воздуха, проходящего через датчик за время одного измерения, должен соответствовать указанным пределам;

длина линии связи между датчиком, вычислителем и пультом управления установки УГН не более 20 м;

длина прямолинейного участка трубопровода на входе датчика не менее 5Ду, а на выходе не менее 3Ду;

напряженность магнитного поля не более 80 А/м;

вибрация частотой от 0, 01 до 25 Гц с амплитудой виброперемещений не более 0, 05 мм;

изменение температуры окружающего воздуха за время одного измерения не более ±3°С.

При поверке ЭМР, например, дополнительным условием является отсутствие внешних магнитных полей.

При опробовании включают счетчик в работу в соответствии с руководством по эксплуатации вычислителя и проверяют работоспособность каналов измерения объема, температуры, давления и тепловой энергии. При этом на дисплее вычислителя должны отображаться значения расхода, давления, температуры измеряемой среды и тепловая мощность, а регистрируемые объем, масса и тепловая энергия должны постоянно возрастать. На дисплее вычислителя не должно появляться сообщений, указывающих на неисправность блоков счетчика или несоответствие условий измерений требованиям эксплуатационной документации.

Поверка вычислителя состоит из операции определения погрешности: преобразования кодовых сигналов, вычислителя и измерения времени

(табл.3. 2).

Погрешность преобразования кодовых сигналов определяют по схеме в режимах табл.3.2 с использованием имитатора, воспроизводящего выходную информацию датчика. Контроль параметров установленных режимов осуществляют с помощью принтера. При каждом режиме фиксируют не менее трех непрерывно следующих друг за другом отсчетов каждого из параметров: расхода Q, температуры Т и давления Р по показаниям имитатора и вычислителя.

Таблица 3.2

Режим	Расход Q, м³/ч	Температура Т, °С	Избыточное давление Р, кгс/см²
1	6, 0004	+ 100, 004	0, 081584
2	5, 9996	+ 199, 996	16, 3156

Погрешность преобразования кодовых сигналов при i-м измерении δ _пр_i, %, для каждого из параметров Q, Т и Р (далее – Х) при каждом режиме определяют по формуле

где X_i – значение i-го отсчета параметра X (для каждого в отдельности) на дисплее вычислителя;

X_o – табличное значение параметра X, установленное на дисплее имитатора.

Результаты считают удовлетворительными, если ни одно из значений δ _пр_i не превышает ± 0, 1 %.

Погрешность вычислителя определяют по схеме с имитацией сигналов датчика: расход пара Q_п = 6 м³/ч, температура пара t_п = + 200 ^оС, температура холодной воды t_хв = 0 ^оС, избыточное давление пара Р_п = 16 кгс/см², продолжительность одного измерения τ _i = 600 с. Число измерений не менее трех.

Погрешность вычисления массы при i-м измерении δ _М_i, % определяют по формуле

δ _М _i = ·100,

где М _i = М_К _i – М_Н _i;

М_Н _i и М_К _i – начальное и конечное значения массы по показаниям вычислителя при i-м измерении, кг;

М_Р = 8, 5067 кг – расчетное значение массы, определяемое по формуле

Погрешность вычисления тепловой энергии при i-м измерении δ _Wi (%), определяют по формуле

где W_i = W_Ki – W_Hi, ГДж;

W_Hi, W_Ki – начальное и конечное значения тепловой энергии по показаниям вычислителя, ГДж;

W_P = 0, 023678 ГДж – расчетное значение тепловой энергии, определяемое по формуле:

где Q_i– расход при i-м измерении по показаниям имитатора, м³/ч;

r _П – плотность пара при температуре t_п и давлении Р_п, кг/м³, r _П.= 8, 5067 кг/м³;

h _П, – энтальпия пара для температуры t_п и давления Р_п, кДж/кг, h _П = 2783, 50 кДж/кг;

h _ХВ– энтальпия холодной воды, кДж/кг, h_ХВ= 0, 0576 кДж/кг.

Погрешность вычисления тепловой мощности при i-м измерении δ _N_i, % находят

где N_i – i-е значение тепловой мощности по показаниям вычислителя, ГДж/ч;

N_p = 0, 142067 ГДж/ч – расчетная тепловая мощность, определяемая по формуле

N_p = 1 · 10^-6· ρ _п · Q_p · ( h _п - h_x _в ).

Результаты считают удовлетворительными, если ни одно из значений δ _М _i, δ _Wi и δ _Ni не превышает ± 0, 1 %.

Основную относительную погрешность измерения времени определяют путем измерения периода следования сигналов системных часов вычислителя частотомером Ч3-57. Для этого частотомер подключают к выводу микропроцессора ДД3 и определяют период следования сигналов времени при следующих положениях органов управления:

множитель – 10⁰; метки времени – 10^-6; род работы – период.

Погрешность измерения времени δ _ч(%) определяют по формуле

δ _ч =

где Т_ч– период следования сигналов времени системных часов вычислителя, с;

Т_р– расчетный период, равный одной секунде.

Результаты считают удовлетворительными, если значение δ _ч не превышает ± 0, 01%.

Основную относительную погрешность измерения объема определяют на установке УГН, обеспечивающей создание и контроль расходов воздуха от Q_min до Q_max с относительной погрешностью не более ± 0, 5 %. В качестве устройства отображения измерительной информации датчика используется вычислитель. Пульт управления установки УГН соединяют с датчиком и вычислителем по схеме.

После монтажа датчика выдерживают схему во включенном состоянии на расходе Q_n данного типоразмера датчика не менее пяти минут. Погрешность определяют на расходах Q_min, Q_n и Q_max, устанавливаемых с допускаемыми отклонениями ± 10 %. Изменение расхода в процессе измерения должно быть не более ± 0, 5 % от установленного значения. Изменение температуры измеряемой среды должно быть не более ± 3 ^оС.

На каждом расходе проводят не менее трех измерений с регистрацией после каждого измерения объема воздуха V_di, м³, при давлении Р1 (на входе испытуемого датчика) по показаниям вычислителя и вычислением объема V_oi, м³, приведенного к рабочим условиям датчика и рассчитанного по паспортным данным подключенных критических сопел установки УГН с учетом показаний термометра Т2, манометра МН3 и психрометра ПА1 установки УГН.

Основную относительную погрешность измерения объема при давлении Р1 при i-м измерении d_dVi (%) определяют по формуле

Объем V _о _i находят из выражения

где – объем при i-м измерении при давлении Р2, рассчитанный по паспортным данным установки УГН, м³;

Р1 (Р2) – избыточное давление по показаниям манометра МН3 (МН4), МПа;

t 1 _i ( t 2 _i ) – температура по показаниям термометра Т1 (Т2) при i- м измерении, °С.

Если разность показаний термометров Т1 и Т2 не превышает ± 0, 5 °С, их показаниями пренебрегают.

Объем определяют по формуле

где ξ _i – газодинамический коэффициент при i-м измерении;

f_vi – поправочный коэффициент на изменение влажности при i-м измерении, определяемый по таблицам приложения Е;

T_oi = 273, 15 +t2_i – абсолютная температура поверочной среды при i-м измерении, К;

K_vj – коэффициент преобразования расхода j-го критического сопла, л / (с·К^{0, 5});

m – число включенных критических сопел;

τ _i ≥ 30 с – продолжительность i–го измерения.

Результаты считают удовлетворительными, если ни одно из значений d_dVi не превышает ± 1, 5 %.

С помощью штангенциркуля, микрометра или оптического микроскопа измеряют в трех сечениях d (по краям и в середине тела обтекания) и в одном – D (на входе проточной части в трех местах со сдвигом примерно на 120°) и вычисляют их средние арифметические значения d _ср и D _ср. Измерения проводят с абсолютной погрешностью не хуже d × 10^-3 и 2D × 10^-3. Затем определяют К_Гср= d_ср× D_ср².

Основную абсолютную погрешность измерения температуры датчиком определяют в климатической камере или термостате, или любых других устройствах, обеспечивающих воспроизведение и контроль температуры в диапазоне от + 100 до + 200 °C с помощью рабочих эталонов температуры: образцовых стеклянных термометров 2 разряда с ценой деления 0, 1 °С или платиновых термопреобразователей сопротивления ТСП или ТСМ класса допуска А. При этом, при испытаниях в климатической камере датчик погружают в сосуд с жидкостью, не кипящей при этой температуре (например, полиметилсилоксановая жидкость).

Подключения датчика производят по схеме. Погрешность определяют при температурах + 100 и + 200 °С. Допускаемое отклонение от заданной температуры должно быть не более ± 5 °С (но в пределах рабочего диапазона температур). Число измерений не менее трех. При каждом измерении фиксируют не менее трех непрерывно следующих друг за другом отсчетов температуры Т_мгн на дисплее вычислителя и температуры термостатирующей среды Т_{о мгн} по показаниям рабочего эталона температуры. Изменение температуры за время измерения должно быть не более ± 0, 5 °С.

Основную абсолютную погрешность измерения температуры при каждом i-м измерении D_Т_i, °С определяют по формуле

D _Ti = T_i – T _о _i – T _п _i,

где Т _i – среднее значение отсчетов Т_мгн при i-м измерении, °С;

Т _oi – среднее значение отсчетов Т_{о мгн} при i-м измерении, °С;

Т_п _i – температурная поправка к показаниям рабочего эталона температуры при i-м измерении, °С. Поправка берется со знаком, указанным в свидетельстве о поверке рабочего эталона температуры.

Результаты считают удовлетворительными, если ни одно из значений D_Ti не превышает ± 0, 5 °С.

Основную абсолютную погрешность измерения давления датчиком определяют с помощью любого гидравлического испытательного стенда, обеспечивающего создание избыточного давления Р, МПа, в диапазоне от 8∙ 10^-4до 1, 6 МПа и контроль давления с помощью рабочего эталона давления с абсолютной погрешностью не более ± 2, 4∙ 10^-3∙ (Р + 0, 1) МПа, например, датчика избыточного давления 408-ДИ с приведенной погрешностью ± 0, 25 %.

После подключения датчика к гидравлическому испытательному стенду и вычислителю устанавливают избыточное давление от 1, 5 до 1, 6 МПа и выдерживают датчик во включенном состоянии не менее пяти минут.

Погрешность определяют при давлениях 0, 1, 0, 8 и 1, 6 МПа. Допускаемое отклонение от заданного давления ± 10 % (но в пределах рабочего диапазона давлений). Число измерений не менее трех. При каждом измерении фиксируют не менее трех непрерывно следующих друг за другом отсчетов давления P_мгн на дисплее вычислителя и давления P_{о мгн} по показаниям рабочего эталона давления. Изменение давления в процессе измерения не должно превышать ± 1 % от установленного значения.

Основную абсолютную погрешность измерения давления при i-м измерении D_pi, МПа определяют по формуле

где P_i – среднее значение отсчетов давлений P_мгн при i-м измерении, МПа;

P _о _i – среднее значение отсчетов давлений P_{о мгн} при i-м измерении, МПа;

Результаты считают удовлетворительными, если ни одно из значений D_pi не превышает ± 0, 008∙ (Р_i + 0, 1) МПа.

Погрешность счетчика определяют расчетным путем:

;

где d _М – относительная погрешность измерения массы, %;

δ _W – относительная погрешность измерения тепловой энергии, %;

d _dV – предельное значение относительной погрешности измерения

объёма в рабочих условиях, %, d _dV = ± 1, 5 %;

D_Т– предельное значение абсолютной погрешности измерения температуры, °С, δ _Т = ± 0, 5 °С;

D_Р– абсолютная погрешность измерения давления Р_max, МПа, определяемая из выражения D_Р= ± 0, 008∙ (Р_max + 0, 1) МПаD_Р= ± 0, 0136 МПа.

Сведения о результатах первичной или периодической поверки заносят в паспорт счетчика и руководства по эксплуатации датчика и вычислителя.

При положительных результатах поверки счетчик допускают к применению, о чем делают запись в паспорте и ставят подпись поверителя, проводившего поверку, скрепленную оттиском поверительного клейма.

При отрицательных результатах поверки счетчик к дальнейшей эксплуатации не допускается, в эксплуатационной документации счетчика и неработоспособного датчика или вычислителя проводят запись о его непригодности, а поверительное клеймо гасят.

Счетчики, прошедшие поверку при выпуске из производства или в процессе эксплуатации с отрицательным результатом, возвращают в производство или в сервисную службу изготовителя для устранения дефектов с последующим предъявлением на повторную поверку.

Сведения о результатах первичной или периодической поверки заносят в паспорт счетчика и руководства по эксплуатации датчика и вычислителя. При положительных результатах поверки счетчик допускают к применению, о чем делают запись в паспорте и ставят подпись поверителя, проводившего поверку, скрепленную оттиском поверительного клейма. При отрицательных результатах поверки счетчик к дальнейшей эксплуатации не допускается, в эксплуатационной документации счетчика и неработоспособного датчика или вычислителя проводят запись о его непригодности, а поверительное клеймо гасят. Счетчики, прошедшие поверку при выпуске из производства или в процессе эксплуатации с отрицательным результатом, возвращают в производство или в сервисную службу изготовителя для устранения дефектов с последующим предъявлением на повторную поверку.

Заключение

Измерение расходов технологических потоков и потоков теплоносителей в любой отрасли промышленности и ЖКХ является актуальной задачей обеспечения экономической энергоэффективности. За последние 15-20 лет появилось много новых типов расходомеров отечественного, импортного или совместного производства. К сожалению, многие издания, посвященные этим вопросам, устарели или являются перепечаткой источников двадцатилетней давности. В пособии предпринята попытка хотя бы частично ликвидировать этот пробел и помочь студентам и специалистам в освоении данной темы (авторы благодарны ведущему инженеру отдела метрологии ИрГТУ В.П. Попову и аспиранту С.А. Мельнику за помощь в подготовке пособия). При проектировании АИИС или закупке оборудования специалисты должны руководствоваться знаниями метрологических характеристик расходомеров и теплосчетчиков, их принципа действия, условий эксплуатации и поверки, а также возможными убытками из-за мультипликативной (нарастающей) погрешности внутри МПИ (что в конечном итоге выливается в возрастающую стоимость владения СИ).

Библиографический список

1. Автоматическое управление расходом жидких и сыпучих веществ при переработке полимерных материалов: учеб. пособие; под ред. М.В.Соколова. Тамбов: Изд-во ТГТУ, 2003.

2. Алиев Т.М. Измерительная техника. М.: Высш. шк., 1990.

3. Букин А.А. Автоматическое управление расходом жидких и сыпучих веществ при переработке полимерных материалов: учеб. пособие. Тамбов: Изд-во ТГТУ, 2003.

4. ГОСТ 8. 361-79. Расход жидкости и газа. Методика выполнения измерений по скорости в одной точке сечения трубы. М.: Изд-во стандартов, 1979.

5. ГОСТ 8. 586 (ч.1-5) Измерение расхода и количества жидкостей и газов с помощью стандартных сужающих устройств. М.: Изд-во стандартов, 2005.

6. Иванова Г.М., Кузнецов Н.Д. Чистяков В.С. Теплотехнические измерения и приборы. М.: Энергоатомиздат, 1986.

7. Канев С.Н., Глухов А.П., Старовойтов А.А. Теплосчетчики: мифы и реальность // Материалы ХIХ международной конференции (20-22 апр. 2004 г., Санкт-Петербург). СПб.: Борей-Арт, 2004.

8. Каргапольцев В. П., Порошин А.А. О применении электромагнитных расходомеров для учёта расхода теплоносителя // Внедрение коммерческого учёта теплоносителей. СПб.: Изд-во МЦЭНТ, 1996.

9. Клюев А.С. Наладка контрольно-измерительных приборов. М.: Энергоатомиздат, 1987.

10. Коптев В.С., Прохоров А.В., Сычев Г.И. Обзор состояния и перспективы развития электромагнитных расходомеров и теплосчетчиков [Электронный ресурс]. Режим доступа: www. teplopunkt.ru.

11. Кремлёвский П.П. Расходомеры. М.: Машиностроение, 1983.

12. Кулаков М.В. Технологические измерения и приборы для химических производств. М.: Химия, 1984.

13. Лачков В.И. К вопросу о метрологической поверке расходомеров [Электронный ресурс]. Режим доступа: www. teplopunkt.ru.

14. МИ 2762-2002. Методика выполнения измерений термоанемометрическим расходомером газа РГА-100 (300), 2002.

15. ПР 50.2.006-94. Порядок проведения поверки средств измерений (с изменениями от 26.11.2004).

16. ПР 50.2.007-01. Поверительные клейма, 2001.

17. ПР 50.2.012-94. Порядок аттестации поверителей средств измерений, 1994.

18. ПР 50.2.014-96. Правила проведения аккредитации метрологических служб юридических лиц на право поверки средств измерений, 1996.

19. Промышленные приборы и средства автоматизации: справочник / В.Я. Баранов [и др.]; под общ. ред. В.В. Черенкова. Л.: Машиностроение, 1987.

20. Расходомеры и счетчики. Тематический каталог. Челябинск: МЕТРАН, 2007.

21. РМГ 29-99. Рекомендации по межгосударственной стандартизации. Государственная система обеспечения единства измерений. Метрология. Основные термины и определения. М.: Изд-во стандартов, 1999.

Приложение

Продолжение приложения

НПФ «ТЭМ-прибор»

Разработка и производство приборов учета тепловой энергии, газа и расхода жидкостей

tem-pribor.com/

ЗАО ПГ МЕТРАН

Разработка и производство приборов учета тепловой энергии, газа и расхода жидкостей (вихревые, вихреакустические, ЭМР)

www.metran.ru

НПФ ТЕПЛОКОМ

Разработка и производство приборов учета тепловой энергии, газа и расхода жидкостей

www.teplocom.spb.ru

ОАО «Саранский приборостроительный завод»

Разработка и производство приборов учета тепловой энергии, газа и расхода жидкостей

pribor.moris.ru/prib_izm.shtml

Компания «ТБН энергосервис»

Разработка и производство приборов учета тепловой энергии, газа и расхода жидкостей (ЭМР)

energo.tbngroup.com/

НПФ «Вымпел»

Разработка и производство приборов учета тепловой энергии, газа и расхода жидкостей

www.vympelm.ru

ЗАО «ИВК-Саяны»

Разработка и производство приборов учета расхода жидкостей (вихревые) и проливных установок

www.sayany.ru/

ООО «Интелприбор»

Разработка и производство приборов учета тепловой энергии, газа и расхода жидкостей (струйные)

www.intelpribor.ru/

ФГУП ОКБ «Маяк»

Разработка и производство приборов учета тепловой энергии, газа и расхода жидкостей

www.okbmayak.perm.ru/

НПП «Технэс-прибор»

Разработка и производство приборов учета тепловой энергии, газа и расхода жидкостей

www.texnes.chel.ru/

АОЗТ «Экспресс-автоматизация»

Разработка и производство приборов учета тепловой энергии, газа и расхода жидкостей

www.exa.ru/

ЗАО «ТС-Технип»

Разработка и производство приборов учета тепловой энергии, газа и расхода жидкостей

maul.samara.ru/~tehnip/

Окончание приложения

НПП «Флоу-Спектр»

Разработка и производство приборов учета тепловой энергии, газа и расхода жидкостей

www.fs.obninsk.com/

НПО «Системотехника»

Разработка и производство приборов учета тепловой энергии, газа и расхода жидкостей

syst.ru/

ЗАО НПО «Тепловизор»

Разработка и производство приборов учета тепловой энергии, газа и расхода жидкостей

www.teplovizor.ru

ПК « ТЕСС»

Разработка и производство приборов учета тепловой энергии, газа и расхода жидкостей

www.orc.ru/~tassi/

ПК «ТАНО»

Разработка и производство приборов учета тепловой энергии, газа и расхода жидкостей

www.tano.ru/

НПО «Промприбор»

Разработка и производство приборов учета тепловой энергии, газа и расхода жидкостей (ЭМР).

www.prompribor.kaluga.ru

ООО «НЕМТЕХ»

Разработка и производство приборов учета тепловой энергии, газа и расхода жидкостей

www.nemteh.ru/

ООО «CТ -ТЕПЛОСЕРВИС»

Тепловые пункты, автоматика тепловых пунктов, узлы учета тепловой энергии

www.stteploservice.ru

ЗАО «Промсервис»

Вихревые преобразователи расхода (ВЭПС), расходомеры-счетчики горячей и холодной воды (ВЭПС-СР), теплосчетчики на базе ВЭПС, датчики уровня; серию электромагнитных тепловодосчетчиков «Магика»

www.promservis.ru

ЗАО «Энергосервис- ная компания 3Э»

Разработка, производство, поставка теплосчетчиков ЭСКО-Т и квартирных теплосчетчиков, регуляторов теплопотребления ЭСКО-РТ, запорнорегулирующих клапанов, счетчиков воды Meters, поверочных расходомерных установок

www.esco3e.ru

Учебное издание

Половнева Светлана Ивановна

Ёлшин Виктор Владимирович

Толстой Михаил Юрьевич

С. И. Половнева В. В. Ёлшин М. Ю. Толстой

12 3 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒