Расходометрия
Для начала ознакомимся с несколькими важными терминами, относящимися к теме.
Расход – это количество (масса или объем) вещества, протекающего через заданное сечение трубопровода (канала) в единицу времени.
Расходомер – это прибор или устройство, состоящее из нескольких частей, измеряющих расход вещества (жидкости, газа или пара) (ГОСТ 15528 – 86).
Устройство, непосредственно воспринимающее измеряемый расход (например, диафрагма, сопло, напорная трубка) и преобразующее его в другую величину (например, в перепад давления), которая удобна для измерения, называется преобразователем расхода.
Вычислитель – это специализированный микроконтроллер, запрограммированный для выполнения расчетов расхода и количества вещества, энергосодержания и др. параметров.
Массовый расход Qm измеряется в единицах массы, деленных на единицу времени (килограмм в секунду – кг/с, килограмм в час – кг/ч и т.д.).
Объемный расход Q0 измеряется в единицах объема, деленных на единицу времени (кубических метрах в секунду – м3/с, кубических метрах в час – м3/ч и т.д.).
Единицы массы дают более полные и точные сведения о количестве или расходе вещества, чем единицы объема. Последние могут правильно определять количество вещества, если известны его давление и температура. Особенно это относится к измерению расхода газа, плотность которого сильно зависит и от температуры и от давления. В связи с этим на их фоне предпочтительнее выглядят массовые расходомеры, которые не требуют дополнительных преобразований, что увеличивает погрешность.
Измерительные системы являются разновидностью средств измерений, и на них распространяются все общие требования к средствам измерений. Измерительная система – это совокупность измерительных, связующих, вычислительных компонентов, образующих измерительных устройств (компонентов измерительной системы), функционирующих как единое целое и предназначенных: для получения информации о состоянии объекта; машинной обработки результатов; регистрации и индикации результатов измерений и результатов их машинной обработки; преобразований данных. [9]
Обзор принципов измерения расхода
Большое разнообразие и сложность требований, предъявляемых к расходомерам и счетчикам, явилось причиной разработки и создания значительного числа разновидностей этих приборов. При выборе необходимо исходить из свойств измеряемого вещества, его параметров, а также обоснованности требований к точности измерения, учитывая при этом как степень важности удовлетворения тем, или другим требованиям, так и сложность измерительного устройства и условия его эксплуатации и поверки.
Условно расходомеры и счетчики можно подразделить на следующие группы:
A. Приборы, основанные на гидродинамических методах:
1) переменного перепада давления;
2) переменного уровня;
3) обтекания;
4) вихревые;
5) парциальные.
Б. Приборы с непрерывно движущимся телом:
6) тахометрические;
7) силовые (в том числе вибрационные).
B. Приборы, основанные на различных физических явлениях:
8) тепловые;
9) электромагнитные;
10) акустические;
11) оптические;
12) ядерно-магнитные;
13) ионизационные.
Г. Приборы, основанные на особых методах:
14) корреляционные;
15) меточные;
16) концентрационные.
Расходомеры, основанные на гидродинамических методах
Среди приборов группы А исключительно широкое применение получили расходомеры с сужающим устройством, относящиеся к приборам переменного перепада давления. Для малых расходов жидкостей и газов служат ротаметры и поплавковые приборы, относящиеся к расходомерам обтекания. Сравнительно новые и весьма перспективны – вихревые расходомеры.
Расходомеры с сужающим устройством основаны 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. [6]
Принцип действия приборов переменного уровня основан на зависимости уровня жидкости в сосуде от расхода при свободном истечении ее через калиброванное отверстие (щель) в дне или боковой стенке.
Эти расходомеры применяются для измерения расхода загрязненных жидкостей, известкового молока, диффузионного сока, сусла-самотека и т.п.
Щелевые расходомеры хорошо зарекомендовали себя при измерении сильно загрязненных и быстро кристаллизующихся жидкостей и растворов. Диапазон измерения 0,1-50 м3/ч; основная погрешность устройства в комплекте с вторичным прибором ±3,5%.
Вихревые расходомеры построены на принципе измерения скорости измеряемой среды пропорциональной частоте образования вихрей за телом обтекания. [6]
Преимущественно данный тип расходомеров измеряет: жидкость, газ и пар. Измерение жидкостей ограничено вязкостью, поэтому этот тип применяется, прежде всего, для измерения расхода пара и газов. Ограничения – достаточно дороги для диаметров больше 200 мм.
Главными достоинствами этих расходомеров является: независимость точности измерения расхода от изменений температуры, давления и плотности измеряемой среды, высокая повторяемость и стабильность показаний, простота конструкции, легкость в монтаже, низкая стоимость обслуживания.
Расходомеры с непрерывно движущимся телом
Из группы Б значительное применение находят различные разновидности тахометрических расходомеров: турбинные, шариковые и камерные (роторные, с овальными шестернями и др.), последние – в качестве счетчиков газа, нефтепродуктов и других жидкостей.
Рассмотрим поподробней расходомеры группы Б, к которым относиться кориолисовый силовой расходомер.
Силовыми называются расходомеры, в которых с помощью силового воздействия, зависящего от массового расхода, потоку сообщается ускорение того или другого рода, и измеряется какой-либо параметр, характеризующий степень этого воздействия или его эффекта.
Ускорение потока возникает в процессе изменения его первоначального движения. В зависимости от характера этого изменения и сообщаемого при этом ускорения силовые расходомеры разделяются на:
1) кориолисовые;
2) гироскопические;
3) турбосиловые.
Принцип действия турбосиловых расходомеров основан на закручивании потока жидкости в результате силового воздействия, пропорционального массовому расходу.
Гироскопическими называются силовые расходомеры, в которых возникает и измеряется гироскопический момент. Преобразователь гироскопического расходомера состоит из участка трубы в виде петли кольцевой или другой формы, которая вращается с постоянной угловой скоростью вокруг оси Х. Кориолисовые и гироскопические расходомеры объединяют в одну общую подгруппу, вибрационные расходомеры. Объединяет их то, что подвижный элемент преобразователя не вращается, а лишь совершает непрерывные колебания с постоянной или периодически затухающей амплитудой под влиянием внешнего силового воздействия. Во всех вибрационных преобразователях расхода в подвижном элементе возникает кориолисово ускорение и соответствующе силы, создающие момент Мк, пропорциональный массовому расходу Qм. который действует навстречу вращающему моменту.
Для измерения расхода однофазных веществ (жидкости или газа) в большинстве случаев наиболее целесообразны турбосиловые расходомеры (особенно при измерении больших расходов). Гироскопические расходомеры пригодны лишь для измерения малых расходов в трубах, имеющих диаметр менее 50 мм. Кориолисовы расходомеры занимают промежуточное положение.
Преобразователи турбосиловых и кориолисовых расходомеров, не имеющие электропривода, проще, компактнее и надежнее в работе. Но угловая скорость вращения их зависит от расхода, измерительная схема сложнее и чаще приходится применять измерительные пружины. При этом точность измерения будет зависеть от совершенства упругих свойств пружин, влияния температуры на эти свойства и возможности их изменения во времени и при изменении частоты их вращения из-за отсутствия или несовершенства динамической балансировки.
Преобразователи с внешним электроприводом сложны и нерациональны. Электропривод лучше иметь внутри преобразователя, когда их роторы совмещены друг с другом, а статор отделен диамагнитной втулкой. Относительно просты расходомеры с электроприводом, у которых расход определяется измерением мощности, питающей электродвигатель. Но у них шкала с подавленным нулем (мощность при нулевом расходе), а пропорциональность между мощностью или силой питающего тока и расходом сохраняется лишь в определенных пределах.
Если вязкость измеряемого вещества может существенно изменяться, надо применять двухроторные турбосиловые или кориолисовы расходомеры с компенсацией вязкости. При этом роторы и зазоры у них должны быть совершенно одинаковы, равно как и характеристики электродвигателей, вращающих роторы.
Предпочтительно применение силовых расходомеров для измерения расхода двухфазных сред, в частности нефтегазовых потоков. Но при этом возникает опасность расслоения фаз при вращении подвижного элемента преобразователя расхода, особенно в турбосиловых расходомерах. В меньшей степени это явление наблюдается в кориолисовых расходомерах, поэтому они нашли применение для измерения расхода нефтегазовых потоков, но нес вращающимся ротором, а с колеблющейся (вибрирующей) трубой при небольшой частоте ее вибрации.
Тахометрическими называются расходомеры и счетчики, имеющие подвижный, обычно вращающийся элемент, скорость движения которого пропорциональна объемному расходу. Они подразделяются на турбинные, крыльчатые, шариковые, роторно-шаровые и камерные. Иногда крыльчатки называют турбинками, различаются они конструкцией лопаточного аппарата и подачей потока.
Измеряя скорость движения подвижного элемента, получаем расходомер, а измеряя общее число оборотов (или ходов) его – счетчик количества (объем или массу) прошедшего вещества. Счетчики воды и газа давно получили широкое распространение, т.к. для этого надо лишь соединить вал турбинки или другого преобразователя расхода через зубчатый редуктор со счетным механизмом. Для создания же тахометрического расходомера скорость движения элемента надо предварительно преобразовать в сигнал, пропорциональный расходу и удобный для измерения. В этом случае необходим двухступенчатый преобразователь расхода. Его первая ступень – турбинка, шарик или другой элемент, скорость движения которого пропорциональна объемному расходу, а вторая ступень – тахометрический преобразователь, вырабатывающий измерительный сигнал, обычно частоту электрических импульсов, пропорциональную скорости движения тела. Здесь измерительным прибором будет электрический частотомер: цифровой или аналоговый. Если его дополнить счетчиком электрических импульсов, то получим наряду с измерением расхода так же и измерение количества прошедшего вещества. Тахометрические расходомеры появились значительно позже упомянутых ранее счетчиков количества жидкости и газа и не получили еще столь широкого распространения. Их существенные достоинства – быстродействие, высокая точность и большой диапазон измерения. Так, если погрешность турбинных счетчиков воды (ось которых через редуктор связана со счетным механизмом) равна ±2%, то у измерителей количества, имеющих тахометрический преобразователь, эта погрешность снижается до ±0,5%. Причина в том, что этот преобразователь почти не нагружает ось турбинки в отличие от редуктора и счетного механизма. Погрешность же турбинного расходомера от 0,5 до 1,5%, в зависимости от точности частотомера.
