Автоматическое управление расходом жидких и сыпучих веществ
Расходом вещества обычно называют количество вещества (массы
или объема), проходящее через определенное сечение канала (трубопровода) в единицу
времени, а приборы или компоненты приборов, определяющие расход вещества в единицу
времени, называют расходомерами. Расходомер может быть снабжен счетчиком
(интегратором), показывающим массу или объем вещества, прошедшего через прибор
за какой-либо промежуток времени.
Единицы измерения расхода могут быть объемные - м3/ч, м3/мин,
л/мин, и т. д. и массовые - кг/ч, т/ч, и т. д. В зависимости от принципа
действия, наиболее часто применяемые в промышленности приборы для измерения
расхода вещества, можно разделять на следующие группы: постоянного и
переменного перепада давления, тахометрические, электромагнитные,
ультразвуковые и различные конструкции специальных.
Принцип действия ротаметров (стеклянных и металлических) основан на восприятии динамического напора потока измеряемой среды чувствительным элементом ротаметра - поплавком, помещённым в коническую трубку, по которой вверх проходит поток измеряемой среды
По
мере повышения расхода через ротаметр поплавок перемещается вверх. При
изменении положения поплавка сечение между ним и внутренней стенкой конической
трубы изменяется, что ведёт к изменению скорости потока в проходном сечении, а,
следовательно, к изменению перепада давления на поплавке. Перемещение поплавка
происходит до тех пор, пока перепад давлений не станет равным массе поплавка,
приходящейся на единицу площади его поперечного сечения. Каждому значению
расхода среды, проходящему через ротаметр при определённой плотности и
кинематической вязкости, соответствует определённое положение поплавка.
Поплавок можно визуально контролировать по всему диапозону его применения.
Равновесное состояние поплавка, соответствующее его определенному положению по
вертикали, однозначно характеризует расход.
Ратометры предназначены для измерения объемного расхода плавноменяющихся
однородных потоков чистых и слабо загрязненных жидкостей и газов с дисперсными
включениями инородных частиц.
К основным преимуществам ротаметров можно отнести простоту конструкции,
возможность измерения малых расходов, значительный диапазон измерения,
возможность измерения расхода агрессивных сред, достаточно равномерную шкалу.
Недостатками ротаметров являются большая чувствительность к температурному
изменению вязкости (особенно при малых расходах), невозможность измерения
расхода загрязненных жидкостей и жидкостей, из которых выпадает осадок.
На заводе - изготовителе ротаметры тарируются по воде или воздуху. Для
применения ротаметров на других средах требуется индивидуальная градуировка.
Промышленный ротаметр для местного измерения расхода (рис. 2) представляет
собой коническую трубку 2 из стекла (или органического стекла), закрепленную в
металлических головках 5, которые стянуты шпильками 4, образующими защитную
решетку вокруг стекла. В трубке 2 свободно перемещается поплавок 1. Движущийся
поток измеряемого вещества, проходя по косым прорезям, имеющимся в верхней
части поплавка, вращает его, благодаря чему, поплавок центрируется в трубке.
Шкала 3 прибора (условно в процентах) нанесена непосредственно на стеклянную
трубку. Отсчет показаний прибора производят по острой верхней кромке поплавка.
|
|
|
|
Рис.2. Ротаметр |
Рис.3. Схема работы ротаметра |
Ротаметры с электрической дистанционной
передачей показаний являются бесшкальными датчиками, предназначенными для измерения
расхода жидкости, нейтральной к стали 12Х18Н9Т и преобразования величины расхода
в электрический унифицированный сигнал. Для этого типа приборов минимальный
расход среды, который может быть надежно измерен, составляет 20% максимального
значения измеряемого расхода.
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 дисбалансу дифференииально-трансформаторной схемы, и на вторичный
прибор поступает сигнал, пропорциональный измеряемому расходу. Конструктивно
ротаметр представляет собой стальной корпус с камерой, внутри которой имеется
кольцевая диафрагма и поплавок со стержнем. В верхней части корпуса имеется
направляющая трубка с насаженой на неё индукционной катушкой, закрытой кожухом.
Под кожухом имеется регулировочная гайка, вращением которой производят перемещений
индукционной катушки при градуировке ротаметра. На верхнем конце стержня
закреплён плунжер индукционного датчика. 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.
Ниже приведено описание принципа работы ротаметра РЭ с дифференциально-трансфарматорным
выходом включает в себя ротаметр электрический РЭ-16 и вторичный дифференциально
- трансформаторный прибор типа КСД-3. Схема лабораторной установки приведена на
рис. 4. Ротаметр типа РЭ-16 разрезан для того, чтобы было видно его устройство.
Для перемещения поплавка 1 относительно дискового седла 2 служит винт 3 с
нарезанной на нем резьбой. Вращая ручку 4 можно поднимать или опускать площадку
5, на которую опирается стержень 6, связанный с поплавком 1 и сердечником 7 дифференциально
- трансформаторного датчика 8.
Вторичный прибор 9 типа КСД -3 включает в себя электронный усилитель ЭУ,
реверсивный двигатель РД, кинематически связанный с кулачком 10 и стрелкой
прибора, а также дифтрансформаторный датчик 11, аналогичный датчику 8. Сердечник
12 дифтрансформаторного датчика 11 прибора КСД-3 может перемещаться при
вращении кулачка 10.
К первичным обмоткам датчиков 8 и 11 подводится переменное напряжение 24 В с
частотой 50 Гц.
Вторичные обмотки датчиков 8 и 11 включены встречно друг к другу. Если
сердечники 7 и 12 находятся в одинаковых положениях то сигналы в них равны по
амплитуде и противоположны по фазе. В этом случае на вход усилителя ЭУ сигнал
не поступает и реверсивный двигатель РД не вращается При изменение расхода
жидкости поплавок 1 переместится относительно дискового седла 2, а вместе с ним
переместится сердечник 7. В результате сигнал во вторичной обмотке датчика 8
станет отличаться от сигнала датчика 11. Сигнал разбаланса поступит на
усилитель ЭУ, усилится и приведёт во вращение реверсивный двигатель РД, который
посредством кулачка 10 переместит сердечник 12 в такое новое положение, в
котором сигналы во вторичных обмотках датчиков 8 и 11 станут равны по амплитуде
и противоположны по фазе. В результате сигнал на входе усилителя ЭУ станет
равен нулю и схема придёт в равновесие.
|
|
Ротаметры с пневматической дистанционной передачей и местной шкалой показаний
выпускают четырёх типов: типа РП для измерения расхода жидкостей, нейтральных
к стали 12Х18Н9Т, типа РПФ для измерения расхода агрессивных жидкостей,
нейтральных к фторопласту-4, типа РПО с паровым обогревом для измерения
расхода кристаллизующихся жидкостей, нейтральных к стали 10Х17Н13М2Т, типа
РПФ-И, которые являются индикаторами и применяются для контроля расхода агрессивных
жидкостей, нейтральных к фторопласту-4. Все эти 4 типа приборов предназначены
для измерения расхода жидкости и преобразования его в дифференцированный
выходной сигнал 0,02 - 0,1 МПа, подоваемый на вторичный прибор. |
|
Рис. 4. Схема лабораторной установки |
К корпусу ротаметрической части крепят пневмоголовку, обеспечивающую местные показания и преобразование высоты положения поплавка в пневматический сигнал, который поступает к вторичному прибору.
Преобразование высоты положения поплавка в пневматический сигнал осуществляется с помощью магнитопневматического преобразователя. При перемещении сдвоенных магнитов 5,
|
|
встроенных в хвостовик поплавка, изменяется положение находящегося в пневмоголовке следящего магнита 4 и жёстко связанной с ним заслонки сопла 3. Изменение зазора между соплом и заслонкой вызывает изменение давления в пневмоусилителе 2. Усиленный по мощности сигнал поступает на выход прибора и в стакан 7. Вследствие этого, сильфон 8 сжимается или разжимается, перемещая шток 6, с закреплённым на его конце соплом 3. Перемещение будет происходить до тех пор, пока следящий магнит с заслонкой не займёт первоначальное положение относительно сдвоенных магнитов. Перемещение штока 6 с помощью кинематической передачи преобразуется во вращательное движение стрелки, шкала местных показаний - 100%-ная равномерная. Выходное давление и давление питания контролируются по манометрам 1.
|
|
Рис.6. Ротаметр
с пневматической дистанционной передачей данных: |
Работы по наладке ротаметров состоят из
индивидуального опробования и собственно наладки систем измерения. При наладке
систем измерения расхода требуемую точность измерения проверяют сравнением
показаний прибора систем измерения с непосредственными измерениями расхода или
данными, полученными расчётом. При отклонениях показаний системы измерений от
расчётных проверяют все элементы смонтированной системы, включая и линии связи,
устраняют неисправности и повторно включают систему в работу. Налаженные
системы измерения в большинстве случаев проходят испытания на точную и
безаварийную работу, в течение определенного времени, обычно не более 3 суток.
В процессе испытаний проводятся эксплутационные операции с приборами: контроль
работы, смазка, продувка мест отбора импульсов, заправка чернилами и т. п.
2. Расходомеры переменного перепада давления
Наибольшее
распространение из расходомеров переменного перепада давления получили
расходомеры с сужающим устройством, работа которых основана на зависимости от
расхода перепада давления, образующего на сужающем устройстве в результате
частичного перехода потенциальной энергии в кинетическую.
Причиной широкого распространения таких расходомеров являются следующие
их достоинства:
1. Универсальность применения. Они пригодны для измерения расхода, каких угодно
однофазных, а в известной мере и двухфазных, сред при самых различных давлениях
и температурах.
2. Удобство массового производства. Индивидуально изготовляется только
преобразователь расхода - сужающее устройство. Все остальные части, в том числе
диффманометр и вторичный прибор, могут изготавливаться серийно; их устройство
не зависит ни от вида, ни от параметров измеряемой среды.
3. Отсутствие необходимости в образцовых установках для градуировки. Градуировочная
характеристика стандартных сужающих устройств может быть определена расчётным
путём.
Наряду с этим, расходомеры с сужающим устройством имеют недостатки, наиболее
существенными из которых являются следующие:
1. Квадратичная зависимость между расходом и перепадом, что не позволяет
измерять расход менее 30% максимального из-за высокой погрешности измерения и
затрудняет использование этих приборов для измерения расходов, изменяющихся в
широких пределах.
2. Ограниченная точность, причём погрешность измерения колеблется в широких
пределах (1,5%-3%) в зависимости от состояния сужающего устройства, диаметра
трубопровода, постоянства давления и температуры измеряемой среды.
Метод
основан на том, что поток вещества, протекающего в трубопроводе, неразрывен и в
месте установки сужающего устройства скорость его увеличивается. При этом
происходит частичный переход потенциальной энергии давления в кинетическую
энергию скорости, вследствие чего статическое давление перед местом сужения
будет больше, чем за суженным сечением. Разность давлений до и после сужающего
устройства - перепад давления - зависит от расхода протекающего вещества и
может служить мерой расхода.
К стандартным (нормализованным) сужающим устройствам
относятся диафрагма, сопла, и трубы Вентури, удовлетворяющие требованиям Правил
и применяющиеся без индивидуальной градуировки в комплекте со стандартным диффманометром.
При измерении расхода газов и жидкостей допускается
применять как угловой, так и фланцевый способы отбора перепада давления на
диафрагмах и угловой способ отбора на соплах, на 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 наличии местных
возмущений потока, так как 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 до плоскостей диафрагмы. Оси отверстий для отбора давления до и
после сужающего устройства могут находиться в разных меридиональных 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.
Стандартные сужающие устройства
При выборе сужающего устройства необходимо руководствоваться следующими
соображениями. Потеря давления в сужающих устройствах увеличивается в следующей
последовательности: труба Вентури, длинное сопло Вентури, короткое сопло Вентури,
сопло, диафрагма; при одних и тех же значениях m и P и прочих равных условиях
сопло позволяет измерять больший расход, чем диафрагма, и обеспечивает более
высокую точность измерения по сравнению с диафрагмой (особенно при малых
значениях m); изменение или загрязнение входного профиля сужающего устройства в
процессе эксплуатации влияет на коэффициент расхода диафрагмы в большей
степени, чем на коэффициент расхода сопла; первое место среди сужающих
устройств по стоимости, простоте изготовления и монтажа занимают диафрагмы.
Стандартная диафрагма. Для диафрагм с угловым
способом отбора перепада давления допустимые диапазоны значений диаметров
трубопроводов D и относительных площадей сужающих устройств m должны находится
в пределах 50 мм < D <1000 мм; 0,05 < m <0,64 (для трубопроводов
диаметром D >1000 мм рекомендуется принимать расчетные значения, соответствуют
D = 1000мм). Для диафрагм с фланцевым способом отбора перепада давления эти
величины должны находиться в пределах 50мм < D < 760мм; 0,04 < m <
0,56. Диаметр отверстия диафрагм независимо от способа отбора перепада давления
d >12,5 мм. Бескамерные диафрагмы на Py до 32 Мпа изготовляются по ГОСТ
14322-77, а камерные диафрагмы на Py до 10 Мпа - по ГОСТ 14321-73.
|
|
Диафрагма (рис.8) 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 должна быть прямоугольной (острой) без закруглений и заусениц. На рисунке приняты следующие обозначения: D20 - внутренний диаметр трубопровода перед сужающим устройством |
|
Рис.8. Диафрагма; d20 - внутренний диаметр диафрагмы, D20 внутренний диаметр трубопровода |
При измерении малых расходов, перепад давления на диафрагме может быть не
достаточен для организации измерения. В таких случаях возможен вариант с
установкой двух диафрагм с разным диметром и отбором разници давлений до первой
и после второй (см рис.10).
|
|
|
|
Рис. 10. Двойная диафрагма |
Рис.11. Сопло |
Сопла. В случае измерения расхода газа, сопла могут
устанавливаться на трубопроводе диаметром не менее 50 мм, в случае измерения
расхода жидкости - не менее 30 мм. Относительная площадь сужающего устройства
должна быть в пре
делах 0,05 < m <0,64, а диаметр отверстия сопла d>15 мм. Схематичное
изображение сопла дано на рис. 11. На рисунке вверху показан отбор статических
давлений через кольцевые камеры, внизу - через отдельные отверстия. На рисунке
12 показан внешний вид сопла в разрезе.
|
|
Профиль входной части сопла образуется двумя дугами окружности,
из которых одна касается торцевой поверхности сопла со стороны входа, а
другая - цилиндрической поверхности отверстия. Сопряжение обеих дуг
происходит практически без излома. На рисунке приведено сопло для m<0.444,
сопло для m > 0,444 отличается конфигурацией профильной части. |
|
Рис 12. Внешний вид сопла |
Сопло
Вентури состоит из профильной входной части, цилиндрической средней части (горловины)
и выходного конуса. Профильная часть выполняется так же, как у нормального
сопла для соответствующих значений m. Цилиндрическое отверстие должно
переходить в конус без радиусного сопряжения. Сопло Вентури может быть длинным
или коротким. У первого наибольший диаметр выходного конуса равен диаметру
трубопровода, у второго он меньше диаметра трубопровода. Перепад давления
следует измерять через кольцевые камеры. Заднюю (минусовую) камеру соединяют с
цилиндрической частью сопла Вентури с помощью радиальных отверстий.
Киевское предприятие ПО "Киевмаш" выпускает сопла Вентури на давление
1,6 МПа и условные диаметры 1000 и 1200 мм. Эти сопла изготовляют двух
типоразмеров на каждый условный диаметр в зависимости от величины модуля m. Модуль
- отношение площадей прохода горловины сужающего устройства и трубопровода,
который равен 0,2 (СВ1-1000-02 и СВ1-1200-02) или (СВ1-1000-04 и СВ1-1200-04).
Для измерения расхода сточной жидкости следует применять сопла Вентури с малыми
сужениями (m>0,4), так как в торцевых частях сопел с большим сужением могут
скапливаться отложения взвешенных частиц.
Труба Вентури (рис. 13) устанавливается в
трубопроводах диаметром от 50 до 1400 мм, при этом относительная площадь
сужающего устройства должна находиться в пределах 0,10<m<0,60.Труба Вентури
состоит из входного патрубка 1,входного конуса 4, горловины 5 и диффузора 6.
|
|
|
Рис.13. Труба Вентури |
Во входном конусе и горловине выполнены кольцевые усредняющие камеры 2. Они сообщаются с внутренними полостями входного конуса и горловины с помощью нескольких отверстий 3, которые при наличии в измеряемой жидкости взвешенных частиц прочищают с помощью специальных приспособлений. В нижней части кольцевых камер устанавливают пробковые краны для спуска жидкости. Труба Вентури называется длинной (Рис.14-1), если наибольший диаметр выходного конуса равен диаметру трубопровода, или короткой (Рис 14-2), если указанный диаметр меньше диаметра трубопровода.
|
|
|
Рис.14. Внешний вид длинной трубы Вентури в разрезе |
1 
2Измерение расходов, имеющих большое отношение Qmax/Qmin.
Вследствие квадратичной зависимости между расходом и перепадом, расходомеры с
сужающими устройствами могут измерять только расходы, у которых отношение максимального
и минимального значений не превышает 3-4. При необходимости с помощью сужающих
устройств можно измерять расходы, у которых диапазон измерения выходит за
указанные пределы, в этом случае применяют или два сужающих устройства с
отверстиями разной площади с подключением одного дифманометра, или одно
сужающее устройство, к которому подключены два дифманометра на различные
пределы измерения.
Применение двух сужающих устройств возможно путём параллельной или
последовательной их установки. Оба эти способа имеют существенные недостатки,
так как параллельная установка сужающих устройств требует достаточно длинного
разветвления трубопровода, чтобы выдержать необходимые прямые участки, а
последовательная связана с дополнительной потерей давления и прямым
дополнительным участком между устройствами. При установке двух сужающих устройств
должно быть предусмотрено переключение дифманометра (желательно автоматическое)
с одного сужающего устройства на другое в зависимости от расхода.
В случае если используются два дифманометра с одним сужающим устройством, то
предельный перепад одного из них принимается равным 0,09 от предельного
перепада другого. При этом первый дифманометр измеряет расходы в пределах от 9
до 30% Qmax, а второй - в пределах 30-100% Qmax. Отношение максимального и
минимального значений расходов равно 11. Сужающее устройство рассчитывается на Qmax
и предельный перепад второго дифманометра. Дифманометры могут подключаться к
сужающему устройству двумя способами: 1) поочерёдно в зависимости от расхода;
2) дифманометр на больший перепад подключен постоянно, второй дифманометр
подключается при падении расхода до 30% от максимального. Каждый из вариантов
можно реализовать путем автоматического переключения.
Использование местных сопротивлений трубопроводов и парциальных устройств для
измерения расхода. Иногда, если не требуется высокая точность измерения,
применения общепромышленных расходомеров технически и экономически нецелесообразно.
В этих случаях может быть использован перепад давления, образующийся при
протекании жидкости или газа через местное сопротивление, а так же парциальный
метод.
Наиболее изученными местными сопротивлениями являются центробежные
преобразователи расхода - закругленные участки трубопровода, например колено,
создающие перепад давления на внешнем и внутреннем радиусах закругления в результате
действия центробежных сил в потоке. Центробежный преобразователь расхода вместе
с дифференциальным манометром, измеряющим создаваемый перепад давления,
образует центробежный расходомер. Преимущество такого расходомера состоит в
том, что не требуется вводить в трубопровод какие-либо дополнительные
устройства. В качестве местного сопротивления для измерения расхода может быть
также использован конический переход (конфузор), который можно рассматривать
как входную часть трубы Вентури.
Парциальными называются расходомеры, в которых производится измерение
определённой доли расхода основного потока. Измерительное устройство
устанавливают в ответвлении основного трубопровода (в шунте). Жидкость или газ
движется в шунте благодаря перепаду давления, создаваемому сужающим устройством
или местным сопротивлением в основном трубопроводе. В качестве парциальных
расходомеров могут быть использованы расходомеры переменного перепада давления,
обтекания, электромагнитные. При измерении расхода парциальным методом
соотношение между расходами в основном трубопроводе и в шунте должно быть
постоянным на всём диапазоне измерения. В некоторых типах парциальных
расходомеров, например в расходомерах, с ротаметром на шунте, допускается
непостоянство соотношения расходов, в этом случае необходимо вводить нелинейную
градуировочную шкалу расходомера на шунте.
Описанные в настоящем разделе устройства требуют индивидуальной градуировки
вместе с прилегающими участками трубы.
3. Тахометрические расходомеры и счетчики количества жидкостей
Счетчики жидкостей турбинные
Принцип действия турбинных счетчиков основан на измерении числа оборотов
крыльчатки (турбинки), которая вращается со скоростью, пропорциональной расходу
жидкости, протекающей в трубопроводе. Счетчики обычно именуются по роду контролируемой
жидкости (например, водомеры). По конструктивному исполнению их подразделяют на
две основные группы: крыльчатые (с тангенциальным подводом потока), в которых
ось вращения крыльчатки перпендикулярна направлению движения воды, и турбинные
(с аксиальным подводом потока), у которых ось вращения параллельна направлению
движения потока воды. Первые применяются для измерения малых, вторые - больших
расходов.
Рис.15. Внешний вид и работа турбинного водомера
Крыльчатые
и турбинные водосчетчики состоят из одинаковых по назначению узлов и имеют
идентичную кинематическую схему. Вращение оси крыльчатки (турбинки) через
редуктор и магнитную муфту передается счетному механизму, по показаниям
которого определяют количество воды, прошедшей через прибор.
Счетчики характеризуются величиной расхода жидкости. Под минимальным расходом
понимается расход, при котором счетчик работает с погрешностью ±5% и ниже
которого погрешность не нормируется. Переходный расход - это расход, при
котором счетчик работает с погрешностью ±2%, а ниже- с погрешностью ±5%. При
эксплуатационном расходе счетчик может работать круглосуточно. Под номинальным
понимается расход, равный половине максимального. При расходе, равном
максимальному, счетчик должен работать в сутки не более 1 ч.
Крыльчатые водомеры. Давление воды до 1 МПа, потеря давления при максимальном
расходе до 0,01 МПа. Счетчики типа ВСКМ и УВКГ - 32 используют в системах
коммунальных и промышленных водопроводов. Счетчики ВСКМ устанавливают на
трубопроводах с температурой воды от 5 до 40 0С, счетчик УВКГ - 32 - на
теплотрассах с температурой воды до 90 0С.
Конструктивно счетчики ВСКМ состоят из корпуса с фильтром, измерительной камеры
и счетного механизма. В корпусе, изготовленном из чугуна, находится винт для
регулирования погрешности измерения пропуском части потока воды в обход
измерительной камеры, разность погрешности измерения при крайних положениях
регулятора составляет 6%. Фильтр может быть снят для очистки без демонтажа
счетчика.
Поток воды, пройдя фильтр, попадает в нижнюю часть измерительной камеры, где
через косые тангенциально направленные отверстия проходит внутрь камеры и
приводит во вращение крыльчатку с закрепленной на ней ведущей магнитной муфтой.
Число оборотов крыльчатки пропорционально количеству прошедшей через счетчик
воды. После зоны вращения крыльчатки вода по винтовой траектории попадает в
верхнюю часть измерительной камеры и через отверстие поступает в выходной
патрубок. Через разделительный стакан, изготовленный из немагнитного материала
(латуни), вращение ведущей части магнитной муфты передается ее ведомой части. Последняя
связана с масштабирующим редуктором и отсчетным устройством. Масштабирующий
редуктор обеспечивает соответствие между показаниями отсчетного устройства и
числом оборотов крыльчатки. Кроме отсчетного устройства роликового типа имеются
стрелочные указатели для определения долей кубического метра (литров).
Конструкция магнитной муфты способствует тому, что имеющиеся в воде ферромагнитные
частицы (окалина) не прилипают к магнитам и выносятся из зоны их расположения.
Редуктор счетного механизма и отсчетное устройство помещены в вакуумированный
стакан, закрытый стеклом. Кроме описанных выше, в промышленности применяются водосчетчики:
ДВ-40.
ВТ, ВТГ, СТВ, СТВГ.
ВД-180.
СТВГ-Д.
СДВ-80.
Счетчики жидкости с овальными шестернями применяются в нефтяной,
нефтехимической и других отраслях промышленности, а также на стационарных и
передвижных. Принцип действия счетчиков основан на отчете строго определенных
объемов жидкости, проходящей через измерительную камеру в процессе
вращательного движения овальных шестерен. Поток измеряемой жидкости, поступает
в счетчик через входной патрубок и проходя через измерительную камеру в процессе
вращательного движения овальных шестерен. Поток измеряемой жидкости, поступая в
счетчик через входной патрубок и проходя через измерительное устройство 2
(рис.18), теряет часть напора на создание крутящего момента, приводящего
овальные шестерни 1 во вращение. В зависимости от положения шестерен каждая из
них попеременно является то ведущей, то ведомой. Измерение количества жидкости
происходит за счет периодического отсечения определенных ее объемов,
заключенных в полостях между цилиндрической поверхностью корпуса измерительного
устройства и овальными шестернями. За один полный оборот шестерен отсекается
четыре таких объема, их суммарная величина равна рабочему объему измерительной
камеры.
|
|
Учет жидкости, прошедшей через счетчик, основан на отсчете числа оборотов овальных шестерен. Вращение шестерен через передаточный механизм 3, состоящий из магнитной муфты и системы зубчатых колес, передается роликовому 4 и стрелочному 5 указателям. Роликовый указатель предназначен для учета (суммирования) общего количества жидкости, прошедшей через счетчик, и представляет собой ряд цифровых барабанчиков, связанных трибками. Двухстрелочный указатель позволяет отсчитывать ра-зовое количество жидкости. По окончании разового отпуска стрелки устанавливаются рычагом сброса на нуль. Предусмотрена возможность установки на счетчике корректора показаний количества жидкости по температуре и плотности и первичного преобразователя расхода для дистанционной передачи показаний. В целях приведения показаний счетчика в соответствие с действительным количеством прошедшей через счетчик жидкости в передаточном механизме предусмотрен сменный блок зубчатых колес |
|
Рис.18. Счетчик жидкости с овальными шестернями. |
4. Электромагнитные (индукционные) расходомеры
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.19), расположенный между полюсами 2 электромагнита, причем магнитное поле
направлено 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 типа 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 чувствительность прибора к искажению
осевой симметрии распределения скорости потока и позволяет сократить длину
измерительного участка трубопровода.
|
|
|
|
Рис.19.
Принципиальная схема электромагнитного расходомера: |
Рис. 20. Схема работы электромагнитного расходомера: |
Каждый
преобразователь может быть отградуирован на один из пределов измерения,
указанных для соответствующего диаметра. Нижний предел измерения равен нулю.
Первичный преобразователь расхода может устанавливаться на горизонтальном,
вертикальном или наклонном трубопроводе при условии, что весь объем трубы
преобразователя заполнен измеряемой средой. Условный диаметр преобразователя
должен быть равен диаметру трубопровода. Допускается установка преобразователя
расхода на трубопроводе с меньшим диаметром через конические патрубки, при этом
перед преобразователем должен быть прямолинейный участок трубы длиной не менее
пяти, а после него длиной не менее трех диаметров.
Питание расходомеров переменным током напряжением 220 В.
5. Ультразвуковые расходомеры
Ультразвуковые
расходомеры отличаются быстродействием, помехоустойчивостью, высокой точностью,
большим диапазоном измерения.
Ультразвуковой расходомер УЗР-В предназначен для автоматического измерения
объемного количества и объемного расхода жидкостей с коэффициентом затухания
акустических волн на частоте 1 МГц не более 7 дБ/м. Принцип действия прибора
основан на изменении скорости распространения ультразвукового сигнала в
движущейся среде в зависимости от значения составляющей скорости этой среды в
направлении распространения ультразвукового сигнала.
По выбору заказчика каждый расходомер может быть настроен на один из пределов
измерения, указанных для соответствующего диаметра. Нижний предел измерения
равен нулю. Температура контролируемой жидкости от -60 до +120 °С, давление не
более 6 МПа, скорость не менее 0,3 см/с. Расходомер имеет частотный выход и 2
выхода постоянного тока 0-5 мА на нагрузку не более 2,5 кОм. Погрешность измерения
в режиме измерения расхода по частотному выходу не более 0,5 %, по токовому
выходу не более 1,0 %, в режиме измерения количества - 0,3 %.
В комплект расходомера входят измерительно-управляющий прибор и два пьезодатчика.
Первичным преобразователем ультразвукового расходомера является отрезок трубы,
на котором под углом a к ее оси установлены два пьезоэлектрических датчика
(рис.21). При сжатии и растяжении в определенных направлениях пьезоэлементов на
их поверхностях возникают электрические заряды. Если к этим поверхностям
приложить разность электрических потенциалов, то пьезоэлемент растянется или
сожмется в зависимости от того, на какой из этих поверхностей будет больше
напряжения. Это явление называется обратным пьезоэффектом. Оно лежит в основе
работы излучателей ультразвуковых колебании, преобразующих переменное
электрическое напряжение в механические колебания той же частоты. Приемники,
преобразующие эти колебания в переменное электрическое напряжение, работают на прямом
пьезоэффекте. Каждый из двух пьезоэлементов по очереди является излучающим и
приемным, с помощью высокочастотных кабелей они соединяются с измерительно-управляющим
прибором.
|
|
|
|
Рис.21. Структурная схема ультразвукового расходомера УЗР-8 |
Рис.22. Схема работы ультразвукового расходомера УЗР-8 |
Основным
функциональным узлом измерительно-управляющего прибора 2 является субпанель
измерения 1, которая содержит два синхрокольца. Импульс с выхода формирователя запускаю-щих
импульсов 3 поступает на пьезоэлектрический первичный преобразователь 1,
который излучает короткий ультразвуковой сигнал. Этот сигнал проходит через контролируемую
среду и принимается пьезоэлектрическим датчиком 2 через время, зависящее от
расстояния между датчиками L и разности с-1, где с - скорость
ультразвука в контролируемой среде;1 - проекция век-тора
скорости v контролируемой среды на направление распространения ультразвукового
сигнала. Принятый ультразвуковой импульс усиливается блоком 4 и поступает на
формирователь за-пускающих импульсов 3 который вновь формирует импульс,
поступающий на преобразователь 1. Процесс прохождения сигнала повторяется,
благодаря чему возникает автоциркуляция импульсов в первом (ведущем) синхрокольце.
Аналогично работает второе синхрокольцо. В этом случае импульс с выхода
формирователя запускающих импульсов 5 посту-пает на пьезоэлектрический
преобразователь 2, который излучает короткий ультразвуковой сигнал. Этот сигнал
проходит через контролируемую среду и принимается пьезодатчиком 1 через время,
зависящее от расстояния между датчиками и суммы с + 1. Принятый пьезодатчиком
1 ультразвуковой импульс усиливается блоком 4 и поступает на формирователь
запускающих импульсов 5, который вновь формирует импульс, поступающий на
пьезоэлектрический преобразователь 2. В результате повторе-ния процесса
прохождения сигналов возникает автоциркуляция импульсов во втором (ведомом) синхрокольце.
Оба синхрокольца одновременно работают в одном электроакустическом канале.
Отличие ведомого синхрокольца от ведущего состоит в том, что в состав
формирователя импульсов 5 входит схема контроля сов-падения рабочих импульсов
обоих синхроколец и восстановления работы ведомого синхрокольца со сдвигом на
полпериода.
Работой синхроколец управляет блок 6, обеспечивающий необходимую их
синхронизацию. С помощью системы автоподстройки блок 6 управляет работой
генераторов импульсов 7 и 8. Импульсы с выходов управляемых генераторов 7 и 8
связаны по частоте и фазе с импульсами ведущего и ведомого синхроколец, но
частоты следования их выше частот следования импульсов синхроколец в 200 раз.
Последовательности импульсов от управляемых генераторов 7 и 8 поступают на смеситель
9, выделяющий разностную частоту, которая линейно зависит от скорости жидкости u
в трубопроводе и не зависит от скорости ультразвука в контролируемой среде, а значит
не зависит от изменения ее физических свойств.
Последовательность
импульсов разностной частоты с выхода смесителя 9 через масштабный
преобразователь 10 подается на аналоговый преобразователь 12, который
преобразует частоту в ана-логовый сигнал, поступающий на стрелочный индикатор
расхода 13. 6-разрядный электромеханический счетчик импульсов 11 позволяет
контролировать количество жидкости, прошедшей по трубопроводу.
В приборе имеется система встроенного контроля, обеспечивающая индикацию
исправной работы, нарушения работы прибора и опорожнения трубопровода.
Максимальное удаление пьезоэлектрических датчиков от измерительно-управляющего
прибора - 150 м, для монтажа датчиков поставляется установочный комплект.
Питание прибора переменным током напряжением 220 В часто-той 50 Гц.
Потребляемая мощность не более 50 В*А.
Расходомеры предназначены для работы при температуре окружающего воздуха от -10
до +45 °С и относительной влажности до 80 %.
Габаритные размеры измерительно-управляющего прибора 400х355х175 мм, масса 12
кг. Прибор имеет настольную конструкцию, на его передней панели расположены
стрелочный индикатор мгновенного расхода, электромеханический счетчик
количества воды, индикатор системы встроенного контроля.
В месте установки расходомера должен быть прямой участок трубы длиной не менее
5 диаметров до первичного преобразователя и не менее 3 диаметров после него.
Поставщик - Союзглавприбор.
6. Функциональные схемы автоматического управления расходом
1.
Расходомеры постоянного перепада давления принцип действия которых основан на
зависимости от расхода вещества вертикального перемещения тела (поплавка),
изменяющего при этом площадь проходного отверстия прибора так, что перепад
давления по обе стороны поплавка остаётся постоянным.
Из расходомеров постоянного перепада давления наибольшее распространение
получили: а) ротаметры с поплавком, перемещающимся вдоль длинной конической
трубки, характерными признаками большинства конструкций ротаметров являются
значительная длинна трубки, обычно не менее чем в 10 раз превышающая его
диаметр, и значительный ход поплавка, видимость поплавка или связанного с ним
стержня; б) поплавковые расходомеры с поплавком обычно конической формы, перемещающимся
внутри отверстия; характерным признаком большинства конструкций поплавковых
расходомеров является дистанционная (электрическая или пневматическая) передача
положения поплавка, незначительный ход поплавка, обычно не превосходящий его
диаметр.
2. Электромагнитные (индукционные) расходомеры, принцип действия которых
основан на измерении ЭДС, возникающей при движении электропроводной жидкости в
магнитном поле. Существует большое количество расходомеров, принципы действия
которых основаны на других зависимостях, например, тепловые, ультразвуковые,
парциальные и др. В зависимости от назначения и поставленных задач системы
измерения расхода , как и любые другие системы измерений, выполняют в виде цепи
последовательно или параллельно соединённых преобразователей, линий связи и
измерительных приборов. На функциональных схемах автоматизации все
контролируемые и регулируемые параметры, приборы и средства автоматизации, их
функциональные признаки, отборные и приёмные устройства, исполнительные
механизмы и т.п. имеет определённые графические условные обозначения согласно
действующим государственным стандартам. На рис. 3 приведены примеры условных
обозначений приборов для измерения расхода методами постоянного перепада (рис.
23а) , переменного перепада (рис. 23б) и электромагнитного расходомера (рис.
23в), приводимые обычно на функциональных схемах автоматизации (разумеется, на
ряду с другими параметрами технологического процесса, подлежащими контролю и
автоматизации). Буквы в условных обозначениях приборов: F-расход или
количество; I-показания: R-регистрация; Е- чувствительный элемент, электрическая
величина, Т- дистанционная передача.
|
|
|
а)
б)
в) |
