Курс лекций для студентов специальности 140104 «Промышленная теплоэнергетика»
| Вид материала | Курс лекций |
- Курс лекций для студентов специальности 140104 «Промышленная теплоэнергетика» москва, 1244.1kb.
- Курс лекций для студентов специальности 140104 «Промышленная теплоэнергетика» москва, 877kb.
- Курс лекций для специальности 140104 «Промышленная теплоэнергетика» москва 2011, 1206.2kb.
- Курс лекций для специальности 140104 «Промышленная теплоэнергетика» москва 2011, 2337.25kb.
- Рабочая программа для студентов Vкурса по специальности 140104 промышленная теплоэнергетика, 69.12kb.
- Рабочая программа для студентов IV курса специальности 100700 промышленная теплоэнергетика, 243.31kb.
- Рабочая программа для студентов Vкурса специальности 290800. Промышленная теплоэнергетика, 63.46kb.
- Учебно-методический комплекс по дисциплине «экономика» Для студентов специальностей:, 1055.87kb.
- Нисаев Игорь Петрович, д т. н., профессор учебно-методический комплекс, 329.37kb.
- Нисаев Игорь Петрович, д т. н., профессор учебно-методический комплекс, 356.38kb.
Расходомеры постоянного перепада давления
Принцип действия расходомеров данного типа основан на том, что поплавок плавающий (подвешенный) в потоке изменяет свое положение по вертикали в зависимости от величины расхода газа. Для обеспечения линейности такого перемещения, площадь проходного сечения датчика расхода изменяется таким образом, чтобы перепад давления оставался постоянным. Это достигается тем, что трубка в которой перемещается поплавок выполнена конической с расширением конуса вверх (ротаметры типа РМ) или трубка выполнена с прорезью и поршень (плавок), поднимаясь вверх открывает для потока большее проходное сечение.
Трубки ротаметров могут быть стеклянными (рассчитаны на давление до 2,5 МПа) и металлическими (до 70 МПа). Поплавки в зависимости от свойств жидкости или газа изготовляют из различных металлов либо пластмасс. Приборы работоспособны при температурах от — 80 до 400 °С, предпочтительны для трубопроводов диаметром до 150 мм, имеют равномерные шкалы, градуированные в единицах объемного расхода. Достоинства: возможность измерений расхода жидкостей и газов от весьма малых значений (0,002 л/ч по воде, 0,03 л/ч по воздуху) до высоких (150-200 и до 3000 м3/ч); широкий диапазон измерений (10:1); малые потери давления (до 0,015 МПа). Погрешность 0,5-2,5% от макс. расхода.
Среди расходомеров постоянного перепада давления, или расходомеров обтекания, наибольшее распространение получили ротаметры, которые широко применяются для измерения малых расходов жидкости дисперсными включениями инородных частиц, нейтральных к материалам деталей.
Рис. 29. Типы ротаметров.
РП - металлические с преобразованием измеряемой величины в пневматический выходной сигнал;
РЭ - металлические с преобразованием измеряемой величины в электрический выходной сигнал;
РМ - со стеклянной ротаметрической трубкой и местными показаниями.
Потеря напора от установки ротаметра в технологическую линию не превышает 0,01 МПа для жидкостей и 0,005 МПа для газов. Шкалы ротаметров условные, поэтому для определения расхода к паспорту прибора прикладывается градуировочная характеристика.
Поршневые расходомеры применяются для измерения расхода воды, нефтепродуктов, вязких и агрессивных жидкостей. Устройство поршневого расходомера показано на рис. 29. В корпусе прибора 1 запрессована цилиндрическая бронзовая втулка 2, имеющая круглое входное отверстие и прямоугольное выходное. Внутри втулки под действием динамического давления потока измеряемой среды перемещается поршень 3 с грузами 8, открывая или перекрывая выходное отверстие. Положение поршня, являющееся мерой расхода вещества, передается с помощью штока 7 и фиксируется индукционной системой 4, 5, 6.
Конструктивно корпус, втулка и поршень выполняются таким образом, что в крайнем нижнем положении поршня выходное отверстие остается полностью открытым, а входное полностью закрытым.
Предел измерений прибора регулируется изменением ширины выходного отверстия.
Если у измеряемого вещества высокая температура, крышка прибора снабжается ребристым охладителем, если низкая температура и большая вязкость, то крышка обогревается паром или горячей водой.
Поршневой расходомер следует устанавливать на горизонтальном участке трубопровода длиной не менее 10D до прибора и не менее 10D после прибора. В случае измерения расхода загрязненных жидкостей перед прибором монтируют фильтр.
Рис. 30. Поршневой расходомер.
Основные недостатки ротаметров (необходимость индивидуальной градуировки и существенное влияние свойств измеряемых сред на точность измерений) сохраняются и у этих расходомеров.
Расходомеры и счетчики вязких жидкостей и нефтепродуктов.
В промышленной теплоэнергетике, нефтехимической и других отраслях промышленности для измерения расхода мазута и вязких нефтепродуктов используются счетчики с овальными шестернями, поршневые счетчики-расходомеры и винтовые расходомеры.
Из этой группы средств измерений расхода можно выделить счетчики жидкости с овальными шестернями. имеющие высокую точность измерений и широкие пределы изменений параметров среды. Эти счетчики предназначены для измерения объемного расхода ньютоновских незастывающих жидкостей с кинематической вязкостью (0,55...300)10-6 м2/с, температурой -40...+120°С и давлением до 6,4 МПа в стационарных и подвижных установках.
Счетчики жидкости выпускаются в двух исполнениях: ШЖУ – для неагрессивных жидкостей, ШЖУА - для агрессивных.
Класс точности счетчиков 0,25 или 0,5.
Счетчики изготовляются с отсчетным устройством суммарного и разового количества жидкости.
Расходомеры и счетчики воды
Для измерения расхода воды, кроме расходомеров переменного перепада давления и ротаметров, промышленностью выпускаются крыльчатые и турбинные водомеры, шариковые, электромагнитные и вихревые измерительные преобразователи.
Крыльчатые и турбинные счетчики холодной и горячей воды с отсчетным устройством имеют магнитную передаточную связь и предназначены для измерения объема чистой (на уровне питьевой) воды в системах промышленных и коммунальных водопроводов, находящейся под давлением до 1МПа. Счетчики холодном воды устанавливаются на трубопроводах с температурой воды 5-40°С, счетчики горячей воды - на теплотрассах с температурой воды до 90°C, турбинные водомеры с местной шкалой и дистанционной передачей показаний - в закрытых системах теплоснабжения при температуре 20-120°С.
Рис. 31. Счетчики воды турбинные.
Рис. 32. Счетчики воды крыльчатые.
Рис. 33. Виды крыльчаток и турбинок: аксиальные при малом (а) и большом (б) диаметрах; тангенциальные со светоотражательными пластинками (в), в многоструйных водосчетчиках (г), в одноструйных водосчетчиках с полуцилиндрическими лопастями (е) и лопастями полушаровой формы (ж).
Тахометрические шариковые расходомеры предназначены для измерения объемного расхода жидкостей с кинематической вязкостью (0,3...12)10-6 м2/с и плотностью 0,7-1,4 г/см3.
Шариковыми расходомерами называются тахометрические расходомеры, подвижной элемент которых — шарик — непрерывно движется по кругу. Это движение обеспечивается или винтовым направляющим аппаратом, закручивающим поток, или же тангенциальным подводом измеряемого вещества.
Рис. 34. Преобразователи расхода шариковых расходомеров:
а) с винтовым направляющим аппаратом; б) с тангенциальным подводом; в) с тангенциальным подводом
На рис. 34 показаны преобразователи шариковых расходомеров. Основное применение из них получил преобразователь с винтовым направляющим аппаратом. Поток, закрученный в последнем, приводит в движение ферромагнитный шарик 5 по окружности трубы. Частота вращения шарика по кругу преобразуется в электрический частотный сигнал индукционным или индуктивным преобразователем 2. Ограничительное кольцо 3 удерживает шарик от перемещения вдоль оси трубы. Для выпрямления потока на выходе служат неподвижные лопасти 4. Преобразователи с тангенциальным подводом измеряемого вещества (2б) применяют при измерении малых расходов. Они проще и опасность засорения у них меньше. Во всех случаях шар под действием центробежной силы прижимается к внутренней поверхности трубы (2а) или камеры (2б, в), а под действием осевой скорости потока (2а) или веса (2б, в) — к ограничительному кольцу. При этом возникают силы механического трения, которые вместе с вязкостным трением жидкости тормозят шар. В результате окружная скорость центра шара отстает от соответствующей окружной скорости потока. Расходомеры используются для измерения расхода воды, дистиллята и бидистиллята в трубопроводах при температуре 5-100˚С
Такие расходомеры состоят из датчика расхода и измерительного прибора. Датчик содержит шариковый преобразователь расхода и нормирующий преобразователь.
Несомненное преимущество шариковых расходомеров перед турбинными расходомерами состоит в возможности измерения загрязненных жидкостей, обусловленной отсутствием изнашиваемых подшипников, и простоте конструкции. Однако диапазон измерения у них меньше, а погрешность несколько выше. Кроме того, их показания сильнее зависят от вязкости жидкости. Изнашивание шара и дорожки качения приводит к появлению отрицательной погрешности. Потеря давления достигает 0,05 МПа (у многих турбинных расходомеров меньше).
За рубежом нашли применение главным образом шариковые расходомеры с тангенциальным подводом для измерения малых расходов в диапазонах 0,5-5л/ч и 5-50л/ч. Приборы служат только для измерения расхода, так как их градуировка нелинейная.
Промышленные электромагнитные расходомеры и измерительные преобразователи предназначены для измерения и (или) преобразования в унифицированный выходной сигнал объемного расхода невзрывоопасных жидких сред с удельной электрической проводимостью 10-5-10 Ом/м и температурой -40...+180˚С.
В зависимости от удельной электрической проводимости измеряемой среды приборы имеют следующие исполнения: 1 – от 10-2 до 10 Ом/м; 2 – от 10-3до 10 Ом/м; 3 – от 10-5 до 10 Ом/м.
Принцип действия. В проводнике, пересекающем силовые линии поля, индуцируется ЭДС, пропорциональная скорости движения проводника. При этом направление тока, возникающего в проводнике, перпендикулярно к направлению движения проводника и направлению магнитного поля.
Это известный закон электромагнитной индукции — закон Фарадея.
Если заменить проводник потоком проводящей жидкости, текущей между полюсами магнита, и измерять ЭДС, наведённую в жидкости по закону Фарадея, можно получить принципиальную схему электромагнитного расходомера, предложенную ещё самим Фарадеем.
Рис. 35. Принципиальная схема электромагнитного расходомера.
Таким образом, электромагнитные расходомеры могут быть выполнены как с постоянными, так и с электромагнитными, питаемыми переменным током частотой. Эти электромагнитные расходомеры имеют свои достоинства и недостатки, определяющие области их применения.
Погрешность данных приборов определяется в основном погрешностями их градуировки и измерения разности потенциалов Е. Однако электрохимические процессы в потоке жидкости, различные помехи и наводки, непостоянство напряжения питания и другие, не позволяют пока получить той потенциально высокой точности измерений расхода, которая вытекает из принципа действия данного типа расходомеров. Так, изготовляемые в СССР электромагнитные расходомеры, несмотря на индивидуальную градуировку, (на высокоточных расходомерных стендах) и весьма совершенные средства измерения Е имеют класс точности 1,0— 2,5 %.
Существенным и основным недостатком электромагнитных расходомеров с постоянным электромагнитом, ограничивающим их применение для измерения слабопульсирующих потоков, является поляризация измерительных электродов, при которой изменяется сопротивление преобразователя, а следовательно, появляются существенные дополнительные погрешности. Поляризацию уменьшают, применяя электроды из специальных материалов (угольные, каломелиевые) или специальные покрытия для электродов (платиновые, танталовые).
В расходомерах с переменным магнитным полем явление поляризации электродов отсутствует, однако появляются другие эффекты, также искажающие полезный сигнал.
Во-первых, это трансформаторный эффект, когда на витке, образуемом жидкостью, находящейся в трубопроводе, электродами, соединительными проводами и вторичными приборами наводится трансформаторная ЭДС, источником которой является первичная обмотка системы возбуждения магнитного поля. Трансформаторные помехи могут достигать 20—30 % полезного сигнала. Для их компенсации в измерительную схему прибора вводят специальные дополнительные устройства.
Во-вторых, имеет место ёмкостный эффект, возникающий из-за большой разности потенциалов между системой возбуждения магнитного поля и электродами и паразитной емкости между ними (соединительные провода и т. п.). Средством борьбы с этим эффектом является тщательная экранировка.
В-третьих, может иметь место эффект влияния изменения частоты питающего систему возбуждения магнитного поля тока. Компенсируют этот эффект установкой специальных стабилизирующих устройств, что усложняет измерительные схемы и уменьшает надёжность приборов.
Тем не менее электромагнитные расходомеры широко применяют в металлургической, биохимической и пищевой промышленности, в строительстве и руднообогатительном производстве, в медицине, так как они малоинерционны по сравнению с расходомерами других типов. Расходомеры незаменимы в тех процессах автоматического регулирования, где запаздывание играет существенную роль, или при измерении быстро меняющихся расходов.
Первичные преобразователи электромагнитных расходомеров не имеют частей, выступающих внутрь трубопровода (электроды устанавливаются заподлицо со стенкой трубопровода), сужений или изменений профиля. Благодаря этому гидравлические потери на приборе минимальны. Кроме того, преобразователь расходомера и технологический трубопровод можно чистить и стерилизовать без демонтажа. Поэтому эти расходомеры используют в биохимической и пищевой промышленности, где доминирующими являются требования к стерильности измерений среды. Отсутствие полых углублений исключает застаивание и коагулирование измеряемого продукта.
На показания электромагнитных расходомеров не влияют взвешенные в жидкости частицы и пузырьки газа, осесимметричное (а в каналах специальной формы любое) изменение профиля распределения скоростей потока, а также физико-химические свойства измеряемой жидкости (вязкость, плотность, температура и т. п.), если они не изменяют её электропроводность.
Электромагнитные расходомеры можно монтировать в любом положении на расстояниях, равных не менее 20 диаметров трубопровода после местных сопротивлений, нарушающих осесимметричное течение среды, и не менее восьми диаметров до местных сопротивлений.
Конструкция первичных преобразователей позволяет применять новейшие изоляционные, антикоррозийные и другие покрытия, что даёт возможность измерять расход агрессивных и абразивных сред.
Отмеченные преимущества и обеспечили достаточно широкое распространение электромагнитных расходомеров, несмотря на их относительную конструктивную сложность и необходимость тщательного каждодневного технического ухода (подрегулировка нуля, поднастройка и т.п.).
Электромагнитные расходомеры применяют для измерения очень малых (3 • 10-9 м3/с) расходов (например, для измерения расхода крови по кровеносным сосудам) и больших расходов жидкостей (3 м3/с). Причём диапазон измерения расходомера одного типоразмера достигает значения 10:1, т. е. достаточно велик.
Электромагнитные расходомеры непригодны для измерения расхода газов, а также жидкостей с электропроводностью менее 10-3 – 10-5 сим/м (10-5 – 10-7 Ом-1•см-1), например, лёгких нефтепродуктов, спиртов и т. п. Применение разрабатываемых в настоящее время специальных автокомпенсирующих устройств позволит существенно снизить требования к электропроводности измеряемых сред и создать электромагнитные расходомеры для измерения расхода любых жидкостей, в том числе и нефтепродуктов.
Электромагнитные расходомеры можно применять для измерения расходов жидкости в широких пределах. Они обладают высоким быстродействием и имеют линейную шкалу, их показания не зависят от параметров контролируемой среды (вязкости, температуры, химического состава, плотности). С помощью этих приборов можно измерять расход вязких, агрессивных, пастообразных и абразивных жидкостей и пульп. Расходомеры этого типа не имеют механических узлов, на их работу не оказывает влияние характер потока, отсутствуют потери давления.