Автоматические системы регулирования

Основы измерения расходов газов и жидкостей стандартными сужающими устройствами и общие  технические требования к расходомерным устройствам регламентируются Правилами РД 50 – 213 – 80. согласно правилам, расходомерное устройство состоит из расходомера (стандартного сужающего устройства, дифманометра, приборов для измерения параметров среды и соединительных линий)и прямых участков трубопроводов до и после сужающего устройства с местными сопротивлениями. В правилах приведены основные уравнения расхода; формулы для вычисления расхода, измеряемого всеми типами дифманометров; коэффициенты расхода диафрагм, сопел и труб Вентури; методики определения основных параметров потока измеряемой среды, погрешности измерения, расчета среднего суточного расхода, требования к стандартным сужающим устройствам, к исполнению и монтажу прямых участков трубопровода, к дифманометрам и их установке; методики расчета сужающего устройства и проверки расходомера.

Приведенные в Правилах положения справедливы при соблюдении следующих условий измерения: характер движения потока в прямых участках трубопроводов до и после сужающего устройства должен быть турбулентным, стационарным; фазовое состояние потока не должно изменяться при его течении через сужающее устройство (жидкость не испаряется, растворенные в жидкости газы не выделяются, исключается конденсация водяного пара из газов с последующим выпадением жидкой фазы в трубопроводе вблизи сужающего устройства); во внутренней полости прямых участков трубопроводов до и после сужающего устройства не скапливаются осадки в виде пыли, песка, металлических предметов и др. видов загрязнений; на поверхности сужающего устройства не образуются отложения, изменяющие его конструктивные параметры; пар является перегретым, при этом для него справедливы все положения, касающиеся измерения расхода газа; при измерении расхода газа отношение абсолютных давлений на выходе и входе сужающего устройства больше или равно 0,75.

К стандартным (нормализованным) сужающим устройствам  относятся диафрагмы, сопла, трубы Вентури, удовлетворяющие требованиям Правил и применяющиеся без индивидуальной градуировки. В процессе проектирования при выборе стандартных сужающих устройств не нужно производить полный расчет, т.к. его выполняет завод – изготовитель по данным опросного места, заполняемого заказчиком. В связи с этим в проекте делают только приближенные расчеты в целях выбора типа сужающего устройства, а также выбора типа и пределов показаний дифманометра.

При измерении расхода  газов и жидкостей допускается  применять как угловой, так и  фланцевые способы отбора перепада давления на диафрагмах и угловой  способ отбора на соплах, соплах и трубах Вентури. Перепад давления при угловом способе отбора измеряют как разность между статическими давлениями, взятыми непосредственно у плоскостей сужающего устройства в углах, образуемых последними со стенкой трубопровода. При угловом способе отбора перепад давления измеряется через отдельные цилиндрические отверстия или через две кольцевые камеры, каждая из которых соединена с внутренней полостью трубопровода кольцевой щелью (сплошной или прерывистой) или группой равномерно распределенных по окружности отверстий. При применении отдельных отверстий наилучшие результаты обеспечивает установка устройств в обойму. Кольцевая камера выполняется либо непосредственно в «теле» сужающего устройства, либо в каждом из фланцев, либо в специальной промежуточной детали – корпусе. При малых давлениях и большом диаметре трубопровода кольцевая камера может быть образована также полостью трубки, согнутой вокруг трубопровода в кольцо или прямоугольник. Сужающие устройства с кольцевыми камерами более удобны в эксплуатации, особенно при наличие местных возмущений потока, т.к. кольцевые камеры обеспечивают выравнивание давления по окружности трубы, что позволяет более точно измерять перепад давления при сокращенных прямых участках трубопровода. При фланцевом способе отбора перепад давления измеряют через отдельные цилиндрические отверстия, расположенные на одинаковом расстоянии от плоской диафрагмы. Оси отверстий для отбора давления  до и после сужающего устройства могут находится в разных меридиальных плоскостях. На одном сужающем устройстве можно использовать два и более дифманометров с различным сочетанием шкал.

При установке сужающих устройств необходимо соблюдать  ряд условий, существенно влияющих на погрешности измерения. Сужающие устройства должны располагаться перпендикулярно оси трубопровода, неперпендикулярность не должна превышать 1°. Ось сужающего устройства должна совпадать с осью трубопровода, смещение не должно превышать 0,005Д₂₀. следует обеспечить установившееся течение потока перед входом в сужающее устройство и после него,  для чего необходимо наличие прямых участков трубопровода определенной длины до и после сужающего устройства. Длина этих участков должна быть такой, чтобы искажение потока, вносимые коленами, вентилями, тройниками и т.д., смогли сгладится до подхода потока к сужающему устройству. Искажение потока перед сужающим устройством (СУ) значительно сильно влияют на погрешность измерения, чем искажение за СУ, поэтому задвижки и вентили, особенно регулирующие, рекомендуется устанавливать после СУ.

Длина прямого участка  перед СУ зависит от относительной  площади m СУ, диаметра трубопровода и вида местного сопротивления, расположенного до прямого участка. Длина прямого участка после СУ зависит от числа m.

m = (d / D)² – относительная площадь СУ, равная отношению площадей сечения отверстия сужающего устройства и трубопровода при рабочей температуре.

Стандартные сужающие устройства.

При выборе сужающего  устройства (СУ) необходимо руководствоваться  следующими соображениями. Потеря давления в СУ увеличивается в следующей последовательности: труба Вентури, длинное сопло Вентури, короткое сопло Вентури, сопло, диафрагма; при одних и тех же значениях m и ΔР и прочих равных условиях сопло позволяет измерять больший расход, чем диафрагма и обеспечивает более высокую точность измерения по сравнению с диафрагмой (особенно при малых значения m); изменение или загрязнение входного профиля СУ в процессе эксплуатации влияет на коэффициент расхода диафрагмы в большей степени, чем на коэффициент расхода сопла; первое место среди СУ по стоимости, простоте изготовления и монтажа занимают диафрагмы.

Стандартная диафрагма. Для диафрагм с угловым способом отбора перепада давления допустимые диапазоны значений диаметров трубопроводов Д и относительных площадей СУ m должны находится в пределах 50мм ≤ Д ≤1000мм; 0,05 ≤ m ≤ 0,64 (для трубопроводов диаметром Д > 1000мм). Для диафрагм с фланцевым способом отбора перепада давления эти величины должны находится в пределах 50 ≤ Д ≤760мм; 0,04 ≤ m  ≤ 0,56. Диаметр отверстия диафрагм независимо от способа отбора перепада давления d ≥ 12,5мм. Бескамерные диафрагмы на Р_у до 32МПа изготовляются по ГОСТ 14322 – 77, а камерные диафрагмы на Р_у до 10МПа – по ГОСТ 14321 – 73.

Диафрагма (рис  ) представляет собой  тонкий диск 3, с круглым отверстием, ось которого располагается по оси трубы. Передняя (входная) часть отверстия имеет цилиндрическую форму, а затем переходит в коническое расширение. Передняя кромка отверстия должна быть прямоугольной (острой) без закруглений и заусениц. На рисунке приняты следующие обозначения: Д₂₀ – внутренний диаметр трубопровода перед сужающим устройством при температуре 20°С; d₂₀ – внутренний диаметр диафрагмы при той же температуре. Выше оси показано измерение перепада давления через кольцевые камеры 1, ниже оси – через отдельные отверстия 2. толщина диска диафрагмы не должна превышать 0,05 Д₂₀, наименьшую необходимую толщину диска определяют расчетным путем из условий механической прочности.

Расходомеры переменного уровня.

Принцип действия расходомеров переменного уровня основан на зависимости между расходом и высотой уровня жидкости в сосуде, через который непрерывно протекает жидкость. Их обычно применяют для измерения агрессивных жидкостей, а также жидкостей содержащей взвеси. Наибольшее распространение получили приборы с отверстиями истечения щелевой формы, расположенными в боковой стенке. Специальный профиль щели обеспечивает пропорциональность между расходом и высотой уровня в сосуде.

Расходомеры обтекания.

К этим расходомерам относятся  приборы, чувствительные элементы которых обтекаются потоком. Наибольшее распространение получили расходомеры постоянного перепада давления, у которых перепад давления измеряемого вещества на чувствительном элементе на всем диапазоне измерений с некоторым приближением можно считать. К этой группе приборов относятся ротаметры, широко применяемые для измерения малых расходов жидкости и газа. Основными элементами ротаметра являются расширяющиеся кверху вертикальная конусная трубка и поплавок, находящийся в потоке измеряемого вещества внутри трубки. По мере повышения расхода через ротаметр поплавок перемещается вверх, увеличивая кольцевое сечение для прохода вещества. Равновесие состояние поплавка, соответствующее его определенному положению по вертикали, однозначно характеризует расход.

К основным преимуществам  ротаметров можно отнести простоту конструкции, возможность измерения  малых расходов, значительный диапазон измерения, возможность измерения  агрессивных сред, достаточно равномерную  шкалу. Недостатками ротамеров являются большая чувствительность к температурному изменению вязкости (особенно при малых расходах), невозможность измерения расхода загрязненных жидкостей и жидкостей, из которых выпадает расхода осадок.

Длинна прямого участка  трубопровода перед ротаметром должна быть не менее 10Ду, после ротаметра – не менее 5Ду. Потеря напора от установки ротаметра не превышает 0,01МПа для жидкостей и 0,005МПа для газа.

Выпускают ротаметры  для местного измерения расхода  без дистанционной передачи показаний, с электрической дистанционной передачей показаний без местной шкалы, с пневматической дистанционной передачей показаний и местной шкалой показаний.

Ротаметры с электрической дистанционной  передачей показаний.

Являются бесшкальными датчиками, предназначенными для измерения  расхода жидкости, нейтральной к стали 12Х18Н9Т и преобразования величины расхода в электрический выходной сигнал унифицированный. Прибор состоит из двух основных частей – ротаметрической и электрической, которые трубкой разделены между собой. Основным элементом ротаметрической части является конический поплавок, перемещающийся внутри кольцевой диафрагмы, или грибообразный поплавок, движущийся внутри вертикально расположенной конической трубки. Электрическая часть состоит из индукционной катушки с сердечником, жестко связанным с поплавком. Катушка включена в дифференциально-трансформаторную схему вторичного прибора. Под действием потока измеряемого вещества поплавок перемещается вверх и увлекает за собой плунжер индукционного датчика. Перемещение плунжера приводит к разбалансу дифференциально-трансформаторной схемы, и на вторичный прибор поступает сигнал, пропорциональный измеряемому расходу.

Ротаметры с пневматической дистанционной  передачей и местной шкалой показаний состоит из двух основных частей – ротаметрической и пневматической. Ротаметрическая часть прибора представляет собой прямоточную трубу, в которой находятся мерительный конус и перемещающейся под воздействием измеряемого потока поплавок с хвостовиком, направленным вверх и имеющим дополнительное центрирующее устройство. К корпусу ротаметрической части крепят пневмоголовку, обеспечивающую местные преобразования и показания высоты положение поплавка в пневматический сигнал, который поступает ко вторичному прибору.

Преобразование высоты положение поплавка в пневматический сигнал осуществляется с помощью магнитопневматического преобразователя. Шкала местных показаний – 100%ная равномерная. Давление на выходе прибора изменяется от 20 до 100кПа.

Электромагнитные  расходомеры.

В основу работы электромагнитных расходомеров положен закон электромагнитной индукции, согласно которому в жидкости, пересекающей магнитное поле, индуцируется ЭДС, пропорциональная скорость движения жидкости. Выпускаются расходомеры с электромагнитным преобразователем расхода и электромагнитным преобразователем скорости потока. Процессы, протекающие в них, имеют одинаковую физическую основу.

Электромагнитные расходомеры  могут применятся для измерения  больших расходов жидкости, их показания  не зависят от параметров контролируемой среды (вязкости, температуры, химического состава, плотности), они обладают высоким быстродействием, имеют линейную шкалу и значительный диапазон измерения. С помощью этих приборов можно измерять расход агрессивных, абразивных и вязких жидкостей и пульп. Преобразователи электромагнитных расходомеров не имеют движущихся элементов и сужений. В расходомерах применено переменное магнитное поле промышленной частоты (50Гц), при котором практически устраняется влияние поляризации электродов на выходной сигнал преобразователя. Приборы применяют для измерения расходы жидкостей с удельной электропроводностью не менее 10^-3см/м, соответствующей электропроводности воды из водопроводной сети. Верхний предел удельной электрической проводимости 10 см/м.

К недостаткам электромагнитных расходомеров можно отнести необходимость компенсации помех, возникающих при переменном поле в цепи электродов, а также то обстоятельство, что газы и такие жидкости, как масла, бензин и др. нефтепродукты, вследствие малой электропроводности остаются за пределами применения этих приборов. Вблизи преобразователя расхода, измерительного устройства и линии связи между ними не должно быть электросиловых устройств, создающих сильное электромагнитное поле.

Расходомеры с электромагнитным преобразователем расхода.

Расходомер состоит из первичного преобразователя расхода и измерительного устройства или передающего преобразователя.  Первичный преобразователь (датчик)

представляет собой изготовленный  из немагнитного материала (сталь 12Х18Н10Т) участок трубы 1 (рис ), расположенный между полюсами 2 электромагнита, причем магнитное поле направленно перпендикулярно к потоку жидкости. Труба изнутри покрыта изоляционным материалом. Измеряемая жидкость при протекании по трубе пересекает силовые линии магнитного поля. При этом в жидкости, как в движущемся проводнике, индуктируется ЭДС, пропорциональная средней скорости потока, а следовательно, и объемному расходу жидкости. Индуктируемая ЭДС снимается двумя электродами 3, введенными диаметрально в поперечном сечении трубопровода, усиливается и измеряется вторичным прибором.

У расходомеров ИР – 61 и 4РИМ в канале расходомера создается  однородное магнитное поле. В расходомере  типа «Индукция – 51» распределение  магнитного поля выполнено по специальному закону: вблизи электродов оно приблизительно в два раза слабее, чем в центре канала. Такое магнитное поле уменьшает чувствительностьприбора к искажению основной симметрии распределения скорости потока и позволяет сократить длину измерительного участка трубопровода.