Основы автоматизации технологических процессов нефтегазового производства

Тензорезисторы закрепляются непосредственно на поверхности УЧЭ или на упругую балочку, связанную с УЧЭ жестким стержнем, и включаются в мостовую схему. Манометры, основанные на указанном принципе, позволяют измерять давление с высокой точностью. Так, цифровой манометр „Diptron 2" фирмы „Wallance & Tiernan" (ФРГ) предназначен для измерения давления с погрешностью 0,05 %. Манометр (рис. 4.32, б) содержит сильфон 1, преобразующий измеряемое давление р в усилие, которое с помощью стержня 2 изгибает упругую балку 4. Пропорциональная давлению деформация воспринимается тензорезисторами 3, включенными в мостовую схему, причем два резистора работают на растяжение, а два других -- на сжатие. Усилителем 1 (рис. 4.30, в) выходной сигнал усиливается и после преобразований поступает на цифровое табло указателя 2. Одновременно происходит преобразование в аналоговый и кодовый выходные сигналы.

Несмотря на ряд очевидных достоинств (высокая точность, хорошая долговременная стабильность, высокая собственная частота, применимость для изготовления небольших серий) фольговые тензорезисторы имеют также и недостатки: относительную дороговизну, в связи с жесткими допусками на изготовление; невысокую тензочувствительность, свойственную всем металлическим тензорезисторам (k ? 2), что требует соответствующего усиления; ограниченные диапазон температур и возможности миниатюризации.

Тонкопленочные тензорезисторы. Дальнейшие возможности развития тензорезистивных манометров предоставила тонкопленочная техника, получившая в последнее время распространение в различных областях микроэлектроники, в которой, в отличие от фольговой техники, перед нанесением на подложку проводящего материала тензорезисторов на поверхность УЧЭ наносится изоляционный слой, толщиной в несколько мкм, затем низкоомные проводники монтажной схемы и, в последнюю очередь, сам тензорезистор. При этом применяются методы напыления в вакууме, плазменной активации паров требуемых химических веществ и пр., которые позволяют наносить не только металлические пленки, но и поликристаллические материалы с повышенным коэффициентом тензочувствительности (k=30-50). Все это позволяет существенно уменьшить размеры УЧЭ при одновременном уменьшении диапазона измерений. Однако сложность технологии изготовления требует значительных затрат на оборудование. Поэтому изготовление тонкопленочных тензорезисторов рентабельно только при условии их массового производства

В отличие от металлических тензорезисторов, сопротивление которых изменяется вследствие деформации поперечного сечения, в полупроводниковых тензорезисторах чувствительным к натяжению является удельное сопротивление, которое занимает очень широкий диапазон значений. Если удельное сопротивление проводников находится в диапазонах 10^-5 10^-8 Омм, а диэлектриков 10⁸ ч 10¹⁶ Омм., то диапазон удельных сопротивлений полупроводников простирается от 10^-5 10⁴, т. е. охватывает почти 10 порядков. Помимо этого сопротивление полупроводников существенно зависит от содержания в них примесей, подбором которых можно изменять сопротивление в нужном на правлении. Примеси, которые создают в полупроводнике свободные электроны, называют донорными, а сам полупроводник называют n-типа (от „негатив” -- отрицательный). Примеси, которые захватывают валентный электрон и при этом у одного из атомов полупроводника возникает „дырка”, называют акцепторными (принимающим), а проводимость про водника р-типа (от „позитив” -- положительный). Количество свободных носителей зарядов (электронов и дырок) определяет проводимость, а, следовательно, и удельное сопротивление полупроводника. При этом чувствительность удельного сопротивления полупроводникового тензорезистора к его деформации существенно выше, чем изменение сопротивления под влиянием изменения поперечного сечения.

Конструктивное выполнение полупроводниковых тензорезисторов аналогично тонкопленочным тензорезисторам (рис. 4.32, а). Те же технологические приемы применяются и при изготовлении полупроводниковых тензорезисторов. При этом используются два основных способа:

1. полупроводниковый кремниевый тензорезистор наносится на изолирующую сапфировую подложку (КНС структура);

2. полупроводниковый кремниевый тензорезистор с р-проводимостью наносится на кремниевую подложку с n-проводимостью (КНК структура).

В зависимости от конструктивного исполнения полупроводниковые тензорезистивные преобразователи применяются для измерения абсолютного и избыточного давления (разряжения) и разности давлений.

Преимуществами тензорезистивных полупроводниковых преобразователей является: высокий коэффициент тензочувствительности; возможность миниатюризации чувствительного элемента; непосредственное применение достижений современной микроэлектроники.

К недостаткам полупроводниковых преобразователей относятся: сложность технологии изготовления ЧЭ, что неприемлемо при мелкосерийном производстве; хрупкость ЧЭ, что ограничивает их применение в условиях сотрясений, скачков давления; относительно большое влияние температуры на коэффициент тензочувствительности. Последнее особенно важно для тензорезисторов, основанных на КНК структурах, максимальная температура эксплуатации которых ограничена 120°С.

Манометры с силовой компенсацией

Все рассмотренные выше деформационные манометры основаны на методе прямого преобразования давления (см. рис. 4.26, а). Метод уравновешивающего преобразования давления (см. рис. 4.26, б), хотя и менее распространен в технике измерения давления, но продолжает сохранять заметную роль в некоторых отраслях промышленности, в которой находят применение манометры с силовым уравновешиванием двух типов: уравновешивание измеряемого давления пневматическим давлением (пневматическая силовая компенсация); уравновешивание измеряемого давления электромагнитными силами (электромагнитная силовая компенсация).

При этом во время уравновешивания силы, возникающей в первичном ЧЭ под действием измеряемого давления, силой, развиваемой цепью обратной связи, происходит незначительное перемещение первичного ЧЭ, независимо от его жесткости, что позволяет в широких пределах варьировать чувствительностью измеряемой системы.

Перспективы развития деформационных манометров

По принципу действия деформационные манометры требуют для своей градуировки применения методов и средств, основанных на абсолютных методах воспроизведения давления. Повышение их точности, в принципе, ограничено точностью применяемых при градуировке жидкостных и поршневых эталонов, которая характеризуется погрешностями порядка 10^-5 - 5*10^-5. Это позволило уже в настоящее время создать образцовые деформационные манометры, погрешности которых не превышают 2,5*10^-4 - 5*10^-4 (0,025--0,05 %).

Одно из важнейших направлений развития точных деформационных манометров -- разработка портативных образцовых переносных манометров, пригодных для контроля рабочих средств измерений на месте их эксплуатации.

Переносной манометр содержит переключатели единиц измерений и диапазонов измерений, ручной насос, регулятор объема, корректор нуля и штуцер для подключения измеряемого давления. Питание прибора осуществляется от батареек напряжением 12В или от внешнего источника питания.

Однако основное назначение деформационных манометров состоит в удовлетворении потребностей различных отраслей промышленности в измерении давления, так как в каждой отрасли существуют свои требования к условиям эксплуатации, формам представления информации, точности и надежности, необходимым габаритным размерам и массе, стоимости приборов и пр. Все это требует совершенствования различных параметров и свойств деформационных манометров, специфика которых определяется их назначением и принципом действия.

Деформационные манометры, основанные на электрических методах преобразования (индуктивные, емкостные и др.), обеспечивая достаточно высокую точность, нуждаются в совершенствовании методов защиты их электрических цепей от воздействия внешних электрических и магнитных полей, особенно при необходимости размещения на расстоянии УЧЭ и электроники.

Дальнейшее развитие получают металлические и полупроводниковые тензорезистивные деформационные манометры.

Технология изготовления кремниевых полупроводниковых тензодатчиков в настоящее время отработана достаточно хорошо и ее совершенствование будет продолжаться по мере развития микроэлектроники. Однако при температуре выше 200°С полупроводниковый кремний теряет свою тензочувствительность, превращаясь в обычный проводник, что не допускает их применение в условиях высоких температур (внутри работающих автомобильных и реактивных двигателей, в буровых установках глубокого бурения и пр.). Весьма перспективна для этих целей замена кремния на карбид кремния (карборунд). В настоящее время уже созданы транзисторы из карбида кремния на подложке из его окислов, нанесенной на металлическую мембрану. Полупроводниковые свой­ства такого тензорезистора при температуре 650°С аналогичны свойст­вам обычного кремниевого тензорезистора при температуре 20°С.

В настоящее время проводятся также разработки полупроводниковых тензорезисторов, предназначенных для работы в условиях низких температур (сверхпроводящие магнитные системы термоядерных установок, криогенные накопители энергии, реактивные двигатели на сжиженном водороде и пр.) в диапазоне от 2 до 100К (от -271 до -173° С). В этих условиях чистые полупроводники превращаются в диэлектрики. Введение в кремний примесей позволяет сохранить тензочувствительность, хотя она существенно снижается. В нашей стране разработан датчик такого типа.

4.4.2 Методы косвенных измерений давления

В отличие от методов прямых измерений давления, на которых основаны рассмотренные ранее жидкостные, поршневые и деформационные манометры, методы косвенных базируются на измерении физических величин (температуре, объеме), значения которых связаны с давлением известными физическими закономерностями, или на изменении физических свойств измеряемой среды под действием давления (теплопроводности, вязкости, электропроводности и пр.).

Косвенные методы, как правило, находят применение в тех случаях, когда прямые методы измерения давления трудно осуществимы, например, при измерении весьма малых давлений (вакуумные измерения) или при измерениях сверхвысоких давлений. Обычно различают косвенные методы, основанные на:

• уравнении состояния идеального газа;

• фазовых переходах;

• изменении физических свойств измеряемой среды.

Косвенные методы, основанные на уравнении состояния идеального газа

Связь между важнейшими термодинамическими параметрами газа определяется соотношением

pV/T= const, (4.29)

где р -- абсолютное давление газа; Т -- абсолютная температура газа; V -- объем, занимаемый газом.

Соотношение (4.29) называется объединенным газовым законом и формулируется следующим образом: при постоянной массе газа произведение объема на давление, деленное на абсолютную температуру газа, есть величина, одинаковая для всех состояний этой массы газа.

Уравнение состояния для произвольной массы идеального газа (уравнение Клайперона-Менделеева) имеет вид

pV_M= m RT/м, (4.30)

где V_M- молярный объем; Т-- абсолютная температура идеального газа, масса газа; м -- масса одного киломоля газа; R=8,3144621 Дж/(мкмоль ) -- универсальная газовая постоянная.

Для упрощения процесса измерения давления один из параметров состояния (Т или V) сохраняется постоянным. Тогда давление однозначно определяется по результатам измерения V или Т. Например, при измерении изменений атмосферного давления в баронивелировании нашли применение газовые барометры, принцип действия которых основан на использовании уравнения состояния газа (8) при постоянной температуре, т. е. при постоянной массе газа и неизменной температуре давление об­ратно пропорционально занимаемому газом объему.

Принципиальная схема газового барометра конструкции Штриплинга. Прибор состоит из двух камер, одна из которых 2 может быть сообщена с атмосферным давлением, а другая 3 замкнута. Обе камеры связаны между собой капилляром, в середине которого находится капля масла 1, выполняющая роль указателя нуля. При равенстве давлений в камерах капля устанавливается на нулевой отметке.

Равенство давлений достигается изменением объема камеры 3 посредством перемещения сильфона 4 с помощью винта и червячной передачи с отсчетом числа оборотов червяка по цифровому счетчику. При погрешности термостатирования 0,001°С изменения давления фиксируются с погрешностью менее 0,5 Па.

В дифференциальном газовом барометре системы Д.И. Менделеева изменение атмосферного давления определяется комбинированным методом. Барометр состоит из замкнуто­го сосуда 1, соединенного с давлением окружающего воздуха при помощи V-образного жидкостного манометра 2.

Барометр основан на уравновешивании изменений атмосферного давления как столбом жидкости, так и сжатием (расширением) газа в замкнутом сосуде по закону Бойля-Мариотта. Как и ранее, необходимо тщательное термостатирование сосуда 1 или введение температурной поправки, равной 0,37 % на 1°С.

Следует отметить, что рассмотренные выше газовые барометры в связи с появлением высокоточных деформационных барометров аналогичного назначения в настоящее время практически не применяются. В отличие от этого в области вакуумных измерений указанный принцип находит широкое применение. Компрессионные („компрессия" -- сжатие) и экспансионные („экспансия" - расширение) манометры являются основными средствами воспроизведения к передачи единицы давления в области вакуумных измерений в диапазоне от 10^-3 до 10³ Па (10^-5 -10 мм рт. ст.).

Косвенные методы, основанные на фазовых переходах

Известно, что любое вещество в зависимости от давления и температуры может находиться в различных агрегатных состояниях (твердой, жидкой и газообразной фазах). Типовая диаграмма состояний в координатах р и Т представлена на рис. 4.35. Кривыми линиями изображены границы между различными фазами (кривые равновесия фаз), соответствующие давлениям и температурам, при которых из одной фазы в другую переходит одинаковое число молекул.

При этом кривая СК выражает зависимость от температуры давления насыщенного пара над жидкостью; кривая АС - давления насыщенного пара над твердым телом, кривая ВС - температуры плавления от давления. Например, при давлении р₁ и температуре Т₁, будет наблюдаться равновесие твердой 1 и газообразной 2 фаз. Если при той же температуре Т₁, давление понизить, то начнется переход твердой фазы в газообразную. Этот процесс называется возгонкой или сублимацией („сублимаре" -- возносить).

Аналогично на границе ВС происходит плавление твердой фазы (кристаллизация жидкой фазы 3), а на границе СК - кипение жидкой фазы (конденсация газообразной фазы). Необходимо отметить также две особые точки. Тройная точка С, находящаяся на пересечении всех трех кривых равновесия фаз, характеризует состояние вещества, когда находятся в равновесии одновременно твердая, жидкая и газообразная фазы. Критическая точка К соответствует критической температуре Т_к и критическому давлению р_к, при которых теряется всякое различие между жидкостью и ее паром, а граница между ними исчезает.

Указанные выше кривые равновесия фаз и тройная точка используются в косвенных методах определения давления по результатам измерения температуры в равновесных точках (в области температурных измерений, наоборот, температура определяется по результатам измерения давления).

Диаграмма состояний дает наглядное представление о выборе того или иного фазового перехода в зависимости от определяемого давления. Кривая плавления ВС немного отклоняется от вертикали к оси абсцисс, т. е. температура плавления имеет небольшую чувствительность к давлению. Так, температура плавления льда изменяется на 1К при изменении давления на 13 МПа (следует отметить, что в отличие от большинства веществ температура плавления льда понижается при повышении давления - штриховая линия СВ на рис. 4.35) , поэтому кривые плавления используются в косвенных методах определения высоких и сверхвысоких давлений. Процесс сублимации (кривая АС) происходит, как правило, при низких температурах и давлениях, что позволяет его использовать при определении давления в области вакуумных измерений. И, наконец, фазовый переход жидкость--пар (кривая СК) наиболее удобен для области средних давлений помимо указанного, пои выборе того или иного фазового перехода необходимо учитывать физические свойства применяемого вещества.

В области измерения высоких и сверхвысоких давлений его значение воспроизводится по кривой плавления ртути, полуэмпирическое уравнение которой получают по результатам исследований сравнением с эталонным поршневым манометром. Это позволяет построить непрерывную шкалу давлений, по которой градуируются средства измерений высоких и сверхвысоких давлений низшей точности.

В области средних давлений, где успешно применяются высокоточные средства измерений, основанные на прямых методах, использование косвенных методов нецелесообразно. Однако представляет интерес, получивший распространение в первой половине нашего века простой способ измерения атмосферного давления, основанный на фазовых переходах „жидкость--пар" (кривая СК на рис. 4.35), который легко может быть продемонстрирован в любой, даже школьной, лаборатории.

Косвенные методы, основанные на изменении физических свойств измеряемой среды

Для определения давления находят также применение методы, основанные на зависимости от давления различных физических свойств жидкостей и газов и протекающих в них процессах. При этом были использованы результаты исследований влияния давления на плотность и вязкость, диэлектрическую проницаемость, скорость распространения ультразвука, теплопроводность и другие свойства измеряемой среды.

В области высоких и средних давлений указанные методы широкого распространения не получили в связи с их относительной сложностью и трудоемкостью по сравнению с другими методами (применение манганинового манометра сопротивления в области высоких давлений, пря­мые методы измерений в области средних давлений).

В области вакуумных измерений указанные методы применяются практически повсеместно. Зависимость теплопроводности разреженного газа от давления используется в тепловых и термопарных манометрах; зависимость тока положительных ионов от измеряемого давления -- в ионизационных манометрах. Используется также зависимость от давления вязкости газа, кинетической энергии молекул, концентрации молекул и пр.

Наибольшее распространение в вакуумной технике (около 70 %) получили термопарные и ионизационные манометры.

Термопарный манометр (рис. 4.36, а) так же, как и тепловой, основан на зависимости теплопроводности разреженного газа от давления. Манометр содержит стеклянную или металлическую колбу 3, в которой помещены нагреватель 1 к впаянная в него термопара 2. Нагреватель питается от источника переменного тока, и его температура, а следовательно, и температура термопары, определяется теплоотдачей в окружающий разреженный газ. Чем меньше давление газа, тем меньше его теплопроводность и тем больше температура, а следовательно, ЭДС на выходе термопары, которая и является мерой измеряемого давления. Шкала прибора 4 для измерения ЭДС градуируется, как правило, в единицах давления. Данный принцип наиболее эффективен при давлениях от 0,1 до 100 Па. При давлениях, меньших 0,1 Па, все большая доля тепла передается излучением, а при давлениях, больших 100 Па, увеличение теплопроводности газа резко замедляется. В обоих случаях существенно уменьшается чувствительность прибора. Погрешность измерений составляет 10--30 %. На градуировочную характеристику существенно влияет состав газа. Поэтому для уточнения показаний термопарного манометра необходима индивидуальная градуировка.

Принцип действия ионизационного манометра основан на зависимости от давления тока положительных ионов, образованных в результате ионизации разреженного газа. Ионизация газа осуществляется электронами, ускоряемыми электрическим или магнитным полями, а также посредством излучения радиоизотопов. При одном и том же количестве электронов, пролетающих через газ, или постоянной мощности излучения степень ионизации газа пропорциональна концентрации его молекул, т. е. измеряемому давлению

В простейшем случае наиболее употребим ионизационный манометр с горячим катодом (рис. 4.36, б), содержащий стеклянную колбу 2, в которую впаяны анод 1 и катод 3. Благодаря разогреву катода источником постоянного тока 4, его поверхность испускает электроны, которые разгоняются напряжением U_а между катодом и анодом и ионизируют находящийся между ними газ.

Для увеличения степени ионизации между катодом и анодом помещена сетка, на которую подается напряжение, сообщающее дополнительное ускорение потоку электронов. Манометры этого типа охватывают диапазон от 10^-7 до 1 Па, дополняя диапазон измерений термопарного манометра. Погрешности измерений составляют также 10--30 % [35].

4.5 Методы и средства измерения расхода

Расход - это количество вещества, протекающее через данное сечение в единицу времени. Количество можно измерять в единицах массы (кг, т) или единицах объема (м³). Следовательно, расход можно измерять в единицах массы, деленных на единицу времени (кг/с, кг/мин, кг/ч, т/ч), или в единицах объема, также деленных на единицу времени (м³/с, м³/мин, м³/ч). В первом случае имеем массовый расход, во втором - объемный расход.

Прибор для измерения расхода называют расходомерами, а приборы для измерения количества - счетчиками количества (счетчиками).

Измерение расхода и количества является сложной задачей, поскольку на показания приборов влияют физические свойства измеряемых потоков: плотность, вязкость, соотношение сред в потоке и т.п. физические свойства измеряемых потоков, в свою очередь, зависят от условий эксплуатации, главным образом от температуры и давления. Если условия эксплуатации отличаются от условий, при которых производилась их градуировка, то ошибка в показаниях прибора может значительно превысить допустимые значения. Поэтому для серийно выпускаемых приборов установлены ограничения области их применения: по свойствам измеряемого потока, максимальной температуре и давлению, содержанию твердых частиц или газов в жидкости и т.п.

Классификация приборов для измерения расхода

В зависимости от принятого метода измерения приборы для измерения расхода и количества подразделяются на:

1. Расходомеры переменного перепада давления;

2. Расходомеры постоянного перепада давления (расходомеры обтекания);

3. Электромагнитные расходомеры;

4. Ультразвуковые расходомеры;

5. Расходомеры переменного уровня;

6. Тепловые расходомеры;

7. Вихревые расходомеры.

8. Тахометрические расходомеры - основаны на преобразовании скорости потока в угловую скорость вращения обтекаемого элемента. Подразделяются на турбинные, шариковые и камерные.

Рассмотрим особенности наиболее распространенных расходометров (1-7).

4.5.1 Расходомеры переменного перепада давления

Расходомеры постоянного перепада давления, работающие по методу дросселирования потока, предназначены для измерения количеств газов, жидкостей и водяного пара, проходящих по трубопроводам.

Принцип метода измерения заключается в том, что если трубопровод сузить в каком-либо месте, то часть потенциальной энергии потока переходит в кинетическую. Это сопровождается увеличением скорости потока в месте сужения и уменьшения давления за сужающим устройством. Разность давления в сужающем устройстве зависит от количества проходящего по трубопроводу вещества и служит мерой его расхода.

В комплект расходомера входят: сужающее устройство, устанавливаемое на трубопроводе, дифференциальный манометр и вторичный прибор, записывающий и показывающий величину расхода газовых или жидкостных потоков. В некоторых случаях вторичный прибор суммирует количество измеряемого вещества.

Расход вещества, соответствующий наибольшему перепаду давления ?P (Н/м²) в сужающем устройстве, рассчитывается по формулам:

где Q₀ - объёмный расход; Q_м - массовый расход; б - коэффициент расхода; F₀ - площадь отверстия сужающего устройства.

Коэффициент расхода газовых и жидкостных потоков б есть отношение действительного расхода к теоретически возможному, и учитывает сопротивление потоку, оказываемое трубопроводом и сужающим устройством. Определяется коэффициент расхода по экспериментальным данным, теоретически он вычислен быть не может. Величина коэффициента расхода определяется многими факторами, а именно: конструкцией дроссельного устройства, значением критерия Рейнольдса, состоянием поверхности (шероховатостью) дроссельного устройства и трубопровода, свойствами протекающей жидкости и отношением диаметра отверстия в дроссельном устройстве к диаметру трубопровода. Это отношение характеризуется числом m = (d₁/D)², которое называется модулем сужающего устройства.

Число Рейнольдса Re определяется режимом течения жидкости или газа. В зависимости от режима различают ламинарное течение и турбулентное течение. Оно является безразмерным числом, зависящим от скорости потока v, вязкости m и плотности жидкости r и характерной длины элемента потока L, т.е.

Re = rvl/m. (4.32)

Влияние числа Рейнольдса на коэффициент расхода сказывается только до некоторого его предельного значения Re_пред, выше которого a перестаёт зависеть от него и остаётся постоянным. Поэтому при измерении расхода необходимо, чтобы действительное значение числа Рейнольдса при данном расходе было выше предельного.

Основные типы сужающих устройств и их характеристики.

Сужающие устройства делятся на нормальные и ненормализованные. К нормальным сужающим устройствам относятся дисковые диафрагмы, сопла и трубы Вентури. Для них справедливы табличные значения коэффициента расхода б, модуля m и числа Рейнольдса предельного Re_пред.

Нормальные сужающие устройства удовлетворяют требованиям [36].

К ненормализованным (специальным) сужающим устройствам относятся устройства индивидуального изготовления, сдвоенные и сегментные диафрагмы, сопла с профилем четверти круга, диафрагмы с двойным скосом и др. Эти сужающие устройства применяются при особых случаях измерения расхода. Например, сдвоенные диафрагмы применяются для измерения расхода при малой линейной скорости потока, сегментные - при измерении расхода газов и жидкостей, содержащих взвешенные частицы. В отличие от нормальных сужающих устройств они требуют индивидуальную градуировку для тех пределов значений Re, при которых каждое из них будет применяться.

Сужающие устройства необходимо выбирать на основании следующих положений:

а) нормальные диафрагмы применяются для трубопроводов диаметром D ? 0,05 м; допустимый модуль диафрагмы лежит в пределах 0, 05 ? m ? 0, 7;

б) сопла рекомендуется устанавливать для трубопроводов диаметром D ? 0,2 м при измерении расхода газа, перегретого пара или агрессивных жидкостей и газов, если m ? 0, 6;

в) трубы Вентури устанавливают в тех случаях, когда требуется повышенная точность измерения и когда величина остаточной потери давления имеет решающее значение.

Диафрагмы. Нормальная диафрагма представляет собой тонкий металлический диск 1, имеющий круглое отверстие, расположенное концентрично оси трубы, с прямоугольной кромкой на стороне входа и со скосом на стороне выхода (при значительной толщине диска диафрагмы). Поток входит в цилиндрическую часть отверстия. Отбор давлений до и после диафрагмы осуществляется, как правило, при помощи кольцевых камер 2, как показано на рис. 4.38. В этом случае сужающее устройство называется камерной диафрагмой. В трубопровод кольцевые камеры вместе с диафрагмой устанавливаются с использованием фланцев 3, соединённых при помощи болтов или шпилек 5 и гаек 6. Трубы 4 соединяются с фланцами при помощи сварки.

Кольцевые камеры позволяют несколько сгладить случайные изменения давления до и после сужающего устройства.

Толщина диска диафрагмы не должна превышать 0,05 D₂₀. Наименьшая толщина диафрагмы при передаче давления ?Р ?15696 Н/м² (1600 кгс/м²) определяется расчётным путём, исходя из условий механической прочности диска.

В трубопроводах диаметром более 0,4 м диафрагмы могут быть установлены без кольцевых камер 2.

При отборе перепада давления через отдельные отверстия без кольцевых камер диаметр отверстий должен быть 0,03?₂₀, но не менее 0,04 м и не более 0,015 м, а при измерении расхода влажного газа - не менее 0,008 м и не более 0,015 м.

В случае больших трубопроводов диаметром более 0,5 м отбор давления по сторонам диафрагмы производится через четыре и более пар отверстий по периметру трубопровода, соединяющих полости трубопровода с двумя усредняющими кольцевыми трубками, от которых импульсные трубки отходят к дифманометру.

Сопло. Устройство сопла показано на рис. 4.39. Давление потока перед соплом и после него отбирается обычно при помощи кольцевых камер 1 и 2. Сопло 3 состоит из профильной входной части, цилиндрической средней части и выходного конуса. Так как сужение потока происходит плавно, то зоны вихрей перед соплом не возникают. Это приводит к меньшей потере давления в потоке за сужением по сравнению с диафрагмой. Сопло, для которого известно значение коэффициента расхода б, называется нормальным соплом.

Значительно более низкая стоимость изготовления диафрагм обусловливает их преимущественное применение в качестве сужающих устройств при измерениях расхода. Однако сопла также имеют некоторые важные преимущества:

а) в процессе эксплуатации в результате коррозии и оседания загрязнений входная кромка диафрагмы скругляется и приобретает форму входного профиля сопла. Коэффициент сжатия струи и коэффициент расхода диафрагмы увеличиваются. В соплах так же как и в диафрагмах, загрязняющие среду частицы оседают на входе, однако основная выходная часть сопла остаётся длительное время чистой. В отличие от диафрагм по мере загрязнения входных отверстий сопел коэффициент расхода сопла уменьшается;

б) основные конструктивные размеры сопел в отличие от размеров диафрагмы определяются кратными значениями D или d, что соответствует требованиям геометрического подобия; основные размеры диафрагм (угол скоса кромки и длина цилиндрической части) не могут отвечать указанному требованию;

в) перепады давления, возникающие в соплах и диафрагмах, при одинаковых расходах и соотношениях размеров проходных сечений обратно пропорциональны квадрату коэффициента расхода, так что перепад давлений на соплах при одинаковом значении m составляет лишь 40% перепада давления на диафрагме. Именно поэтому сопла применяют для измерений таких расходов, при которых соотношение размеров сечений диафрагм при заданном измерителе перепада давления оказывается слишком большим, например, при измерении расхода, пара высокого давления, когда вследствие необходимости экономии дорогостоящих материалов применяют трубопроводы малого диаметра и допускают высокие скорости протекания пара.

Труба Вентури. Устройство трубы Вентури показано на рис. 4.40. Эффект Вентури - падение давления в момент, когда жидкость или газ проходит через суженную часть трубы. Этот эффект назван в честь итальянского физика Джовани Вентури (1746--1822). Интенсивность всасывания зависит от величины перепада давления в трубке и диаметра самой трубки. Она применяется для труб диаметром 0,1…0,8 м при условии: 0,2 ? m ? 0,5.

Угол входного конуса равен 21°, угол выходного конуса должен удовлетворять условию: 5° ? ? 15°.

Отбор статических давлений осуществляется не менее, чем шестью отверстиями через кольцевые камеры. Отверстия располагаются на расстоянии D/2 и d/2 от начала и конца входного конуса, их диаметр d ? 0,003 м.

Трубы Вентури сложнее изготовить, они имеют значительные габариты, однако их следует применять в тех случаях, когда предъявляются жёсткие требования к минимизации остаточных потерь давления [36].

4.5.2 Расходомеры постоянного перепада давления

Ротаметры предназначены для измерения объёмного расхода плавно меняющихся однородных потоков чистых или слабозагрязнённых жидкостей и газов с дисперсными включениями.

Принцип действия ротаметров (стеклянных и металлических), основан на восприятии динамического давления потока измеряемой среды чувствительным элементом ротаметра - поплавком, помещённым в коническую трубу, по которой вверх проходит поток измеряемой среды.

При изменении положения поплавка проходное 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, приходящей на единицу площади его поперечного сечения.

Каждому значению расхода среды, проходящему через ротаметр при определённой плотности и кинематической вязкости, соответствует вполне определённое положение поплавка. При этом перепад давлений ?P под поплавком и над ним остаётся величиной постоянной и равной:

, (4.33)

где mg - сила тяжести, действующая на поплавок; S - площадь наибольшего поперечного сечения поплавка.

На заводах-изготовителях ротаметры градуируются по воде или воздуху. Для применения ротаметра на других средах требуется индивидуальная градуировка.

Ротаметры стеклянные (рис. 4.38) для местного измерения расхода конструктивно представляют собой вертикальную стеклянную трубу конического сечения 1, вмонтированную в корпус расширяющимся концом вверх. Внутри трубы 1 находится поплавок 2, перемещаемый вертикально потоком жидкости или газа, протекающим снизу вверх.

Шкала прибора условная, в процентах, нанесена непосредственно на стеклянной трубке. Отсчёт показаний прибора производят по верхней острой кромке поплавка.

Некоторые поплавки имеют канавку в верхней части, вырезанную под углом. Благодаря этому происходит вращение поплавка, из-за чего его положение становится более устойчивым.

У ротаметров типа РМ поплавок изготовляется из стали Х18Н9Т, анодированного дюралюминия, титана или эбонита, в зависимости от пределов измерения. Материал деталей, соприкасающихся с измеряемой средой, у ротаметров РСС, предназначенных для измерения расхода агрессивных сред - фторопласт-4 и лабораторное стекло.

Ротаметры типов РС-3Е и РМ могут работать при температуре окружающей среды 5…50 °С и такой же температуре окружающего воздуха, ротаметры РСС - при температуре -40…+100 °С и окружающей среды -40…+40 °С. Нижний предел измерения составляет 20% верхнего. Основная погрешность ±2,5%.

Ротаметры с электрической дистанционной передачей показаний типа РЭ являются бесшкальными преобразователями для измерения расхода жидкостей и преобразования его в выходной унифицированный сигнал. Градуировка ротаметров индивидуальная, производится заводом-изготовителем по воде при температуре воды и окружающего воздуха 20 ± 5 °С.

Ротаметры электрического типа РЭ бывают в двух исполнениях: РЭ - пылебрызгозащищённом; РЭВ - взрывозащищённом, предназначены для работы во взрывоопасных помещениях и имеют взрывозащиту ВЗГ (по градации ПИВЭ). Минимальный расход среды, который может быть надёжно измерен, составляет 20% максимального значения измеряемого расхода.

Конструктивно ротаметр (рис. 4.41) представляет собой стальной корпус с камерой, внутри которой имеется кольцевая диафрагма и поплавок со стержнем. В верхней части корпуса имеется направляющая трубка с насаженной на неё индукционной катушкой, закрытой кожухом. Под кожухом имеется регулировочная гайка, вращением которой производится перемещение индукционной катушки при градуировке ротаметра. На верхнем конце трубки 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.

В комплекте с ротаметрами электрическими в качестве вторичных приборов применяются приборы с дифференциально-трансформаторной системой передачи показаний.

Ротаметры с пневматической дистанционной передачей и местной шкалой показаний типов РП, РПО, ПРФ являются шкальными приборами для измерения расхода жидкостей и преобразования его в унифицированный пневматический выходной сигнал 0,02…0,1 МПа, передаваемый на вторичный прибор.

Перемещение сердечника в ротаметре, жёстко связанном с поплавком, через магнитную муфту и систему рычагов, позволяет получить местные показания, а также передаётся к управляющему элементу пневмодатчика, где преобразуется в пневматический сигнал. Значение этого сигнала передаётся на вторичный прибор и отражается перемещением стрелки на шкале прибора. Шкала прибора 100%-ная условная. Ротаметры градуируются заводом-изготовителем только по воде при нормальной температуре 20 ± 5 °С. В паспорте прибора помещаются кривые расхода по шкале и по пневмосигналу. Минимальный расход, измеряемый этими ротаметрами, равен 20% максимального. Питание приборов осуществляется сжатым воздухом, давлением 0,14 МПа. Присоединение приборов всех типов - фланцевое. Вторичный прибор может устанавливаться на расстоянии до 300 м от ротаметра.

При монтаже ротаметра следует предусмотреть обводную линию (байпас) с запорными вентилями для возможного отключения прибора без перекрытия потока жидкости в трубопроводе. Направление потока среды должно быть таким, чтобы она входила в вертикальный патрубок и выходила из горизонтального (ротаметры РЭ) и снизу вверх (ротаметры РС, РП, РПО). Ротаметры устанавливаются в строго вертикальном положении (по отвесу) во избежание заклинивания поплавка или штока возможно дальше от побудителей расхода.

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 систем измерений от расчётных проверяют все элементы смонтированной схемы, включая линии связи, устраняют неисправности и повторно включают систему в работу.

Налаженные системы измерения в большинстве случаев проходят испытания на точную безаварийную работу в течение определённого времени, обычно не более трёх суток. В процессе испытаний проводятся эксплуатационные операции с приборами: контроль работы, смазка, продувка мест отбора импульсов, заправка чернилами и т.п. [36].

4.5.3 Электромагнитные расходомеры

Принцип действия расходомера основан на явлении электромагнитной индукции (рис. 4.43). Т.е. в проводнике, пересекающем силовые линии магнитного 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 электропроводная жидкость движется в магнитном поле, создаваемом электромагнитной системой 1, то между электродами 2 возникает ЭДС:

E = BvD , (4.34)

где B - индукция магнитного поля, создаваемого электромагнитной системой; v - средняя скорость потока жидкости; D - расстояние между электродами. Обычно B и D являются постоянными величинами, поэтому ЭДС Е зависит только от средней скорости потока жидкости, а значит и объёмного расхода жидкости.

Достоинства электромагнитных расходомеров:

а) измерение не зависит от физических свойств жидкости (плотности, вязкости, удельной электрической проводимости - при условии, что она выше некоторой минимальной величины порядка нескольких мкСм/см);

б) измерение практически не зависит от распределения скорости в трубопроводе, что позволяет, в случае необходимости, размещать расходомер вблизи местных сопротивлений (колен, задвижек и т.п.);

в) в зоне измерений не происходит потери напора, так как сечение трубопровода ничем не загромождается;

г) отсутствие у расходомера подвижных изнашиваемых элементов;

д) коррозионная стойкость расходомера (например, в случае кислот), обеспечиваемая выбором соответствующего внутреннего покрытия (тефлон, эмаль, стекло) и материала электродов (титан, платина).

Расходомеры незаменимы в тех процессах автоматического регулирования, где запаздывание играет существенную роль, или при измерении быстро меняющихся расходов [36].

4.5.4 Ультразвуковые расходомеры

Принцип действия времяимпульсных ультразвуковых расходомеров основан на времяимпульсном методе измерения расхода. При реализации этого метода ультразвуковые импульсы поочерёдно передаются вверх и вниз по течению потока. Разность времён распространения пропорциональна скорости течения потока.

В состав прибора входят (рис. 4.44):

* два первичных ультразвуковых преобразователя расхода, состоящих из двух пар пьезоэлектрических преобразователей (ПЭП), установленных на трубопроводе условным диаметром 15…1800 мм;

* вторичный преобразователь - электронный блок.

Пьезоэлектрические преобразователи ПЭП1 и ПЭП2 работают попеременно в режиме приёмник-излучатель.

Прямой цикл. Излучающий пьезопреобразователь под воздействием электрического возбуждения испускает плоскую ультразвуковую волну. Эта волна проходит сквозь поток жидкости и принимается приёмным пьезопреобразователем, который преобразует полученные акустические вибрации в электрические сигналы. Расходомер анализирует принятый сигнал и регистрирует точно измеренное время прохождения акустической волны от излучающего до приёмного преобразователя.

Обратный цикл. Последовательность передачи-приёма сигнала предыдущего цикла повторяется, но функции излучающего и приёмного преобразователей меняются местами. Таким образом, теперь поток жидкости пересекает ультразвуковую волну в противоположном направлении. Расходомер снова регистрирует точное время прохождения импульса.

Поток материала будет влиять на измеренное время прохождения точно так же, как ветер влияет на время полёта самолета, «подталкивая» его, или течение воды на скорость пловца.

Расходомер вычитает время прохождения обратного цикла из времени прохождения прямого цикла, и полученная в результате разность сигналов будет пропорциональна потоку движущейся жидкости.

Скорость распространения ультразвукового сигнала в среде, заполняющей трубопровод, представляет собой сумму скоростей ультразвука в неподвижной воде и скорости потока воды v в проекции на рассматриваемое направление распространения ультразвука. Время распространения ультразвукового импульса от ПЭП1 к ПЭП2 и от ПЭП2 к ПЭП1 зависит от скорости движения среды в соответствии с формулами (4.35) и (4.36):

(4.35)

(4.36)

где t₁, t₂ - время распространения ультразвукового импульса по потоку и против потока; L - длина активной части акустического канала; С₀ - скорость ультразвука в неподвижной среде; v - скорость движения воды в трубопроводе; б.

В приборе используется метод прямого измерения времени распространения каждого индивидуального ультразвукового импульса от одного ПЭП к другому.

Из формул (4.35) и (4.36) получаем

(4.37)

где ?t - разность времени распространения ультразвуковых импульсов по потоку и против потока.

Умножив среднюю скорость потока v на сечение трубопровода, получим значение расхода среды Q, протекающего на месте установки ПЭП

(4.38)

где D - внутренний диаметр трубопровода на месте установки ПЭП; K - коэффициент коррекции. Для обеспечения на всём диапазоне измерений погрешности ±2% необходимы специальные меры, требующие значительных затрат. В качестве источников ультразвуковых колебаний применимы пьезоэлектрические материалы (кварц, титанат бария, цирконат свинца).

Диапазон применяемых частот 0,5…10 МГц. Для получения точности 1% на всём диапазоне, а также при очень малых скоростях потоков (0,1…0,5 м/с) следует выбирать способ измерения, обеспечивающий независимость результатов от скорости распространения ультразвука в данной среде или использовать схемы температурной компенсации, гарантирующие высокую точность [36].

4.5.5 Расходомеры переменного уровня (щелевые расходомеры)

Щелевые расходомеры (дозаторы) основаны на зависимости уровня жидкости в сосуде от расхода при свободном истечении ее через калиброванное отверстие (щель) в дне или боковой стенке. Профиль и диаметр отверстия рассчитываются таким образом, чтобы указанная зависимость была линейной. Их используют для измерения расхода агрессивных, загрязнённых или многофазных жидкостей.

Щелевые дозаторы предусмотрены для измерения расхода свободно протекающих жидкостей, их нельзя устанавливать на линиях под избыточным давлением. Дозаторы типов РМ и ДРЩ-Т выпускают на максимальные расходы до 50 м³/ч, они имеют погрешность измерения расхода до 3% от номинального значения.

Дозаторы ДРЩ-Т (рис. 4.45) устанавливают в наивысшей точке трубопровода, по которому протекает жидкость без давления, в противном случае расход изменяемой среды не может быть измерен.

Корпус 1 должен быть установлен строго по уровню и отвесу, так как любое отклонение перегородки с профильной щелью 2 от вертикали вызовет погрешность в показаниях прибора, точность и линейность измерения которого определяются профилем щели и уровнем жидкости над нижней границей щели. Так как уровень измеряемой жидкости определяют с помощью пьезометрической трубки 3, то для регулирования расхода питающего воздуха должны быть предусмотрены регулятор расхода воздуха и ротаметр или другой расходомер. Питающая линия 5 должна быть врезана в систему измерения непосредственно в месте соединения пьезотрубки 3 прибора с измерительной трассой пневмопреобразователя [36].

4.5.6 Тепловые расходомеры

Тепловой расходомер основан на нагреве потока жидкости или газа посторонним источником энергии, создающим в потоке разность температур, зависящую от скорости потока и от расхода тепла в нагревателе. Разница температур между этими датчиками зависит от массового расхода. Как правило, расходомеры подобного типа состоят из двух температурных датчиков, один из которых смонтирован выше по потоку, а другой - ниже по потоку по отношению к нагревателю.

Два датчика температуры включены в соседние плечи моста Уитстона. Если расход материала в трубопроводе равен нулю, то материал в трубопроводе разогревается симметрично относительно нагревателя, и сопротивления терпопреобразователей ТП1 и ТП2 одинаковы. Мостовая схема уравновешена и показания вторичного прибора равны нулю. Как только возникает движение материала в трубопроводе, равновесие нарушается. Термопреобразователь ТП1 окажется более холодным, чем ТП2. Их сопротивления также будут различаться.

Разница потенциалов разбаланса моста является мерой разности температур и, следовательно, массового расхода жидкости. Такие приборы применяются для измерения малых расходов газовых потоков и жидкостей в диапазоне 2,5Ч10-¹⁰ г/с...5Ч10-³ кг/с с точностью ±1%. Для измерения больших расходов можно использовать байпасную (обводную) линию, геометрические параметры выбирают такими, чтобы расход через датчик составлял постоянную часть от общего расхода [36].

4.5.7 Вихревые расходомеры

Вихревой расходомер - это расходомер, основанный на зависимости от расхода частоты образования вихрей, возникающих в потоке в процессе обтекания тела.

Когда поток жидкости обтекает тело, слои жидкости, прилегающие к поверхности тела, замедляются. Для обтекаемого тела эти пограничные слои следуют за контуром тела до места их встречи за объектом. В этом случае в потоке возникают небольшие возмущения. Для плохо обтекаемых тел пограничные слои отрываются от тела намного раньше и создают большие возмущения в потоке. Когда пограничный слой отходит от поверхности тела, он закручивается в вихри. Эти вихри, называемые вихрями Кармана, генерируются попеременно с верхней и нижней поверхности тела (рис. 4.47). В результате возникают два параллельных ряда вихрей, движущихся вниз по потоку с одинаковым расстоянием между вихрями в каждом ряду. Количество вихрей, генерируемое в секунду f от каждой стороны поверхности обтекаемого тела, можно определить как

(4.39)

где v_s - средняя скорость жидкости вблизи плохо обтекаемого тела; S -фактически постоянная величина, называемая числом Струхаля. Поток жидкости тела протекает через площадь, равную

(4.40)

где D - диаметр трубы. Предполагается, что тело имеет прямоугольную поверхность поперечного сечения шириной d, расположенную в диаметральной плоскости трубы, и его эффективная площадь равна примерно F_d.

Скорость v_s в этом месте определяется скоростью v на некотором удалении от тела, и объёмный расход Q может быть определен как

(4.41)

следовательно

(4.42)

Имеется много методов для измерения частоты вихрей. Например, можно измерять давление потока за обтекаемым телом. При возникновении вихря статическое давление уменьшается. Таким образом, по частоте изменения давления, измеряемым кварцевым пьезоэлементом, можно судить о частоте вихрей, а значит и о расходе вещества.

В другом методе вихри оказывают воздействие на луч ультразвуковой волны. Этот метод реализован в вихреакустических расходомерах (рис. 4.48). Преобразователь в этом случае представляет собой моноблочную конструкцию, состоящую из проточной части и электронного блока. В корпусе проточной части расположены: тело обтекания призма трапецеидального сечения 1, пьезоизлучатели (ПИ) 2, пьезоприёмники (ПП) 3 и термодатчик 7.

Электронный блок включает в себя генератор 4, фазовый детектор 5, микропроцессорный адаптивный фильтр с блоком формирования выходных сигналов 6, смонтированные на печатной плате.

Тело обтекания (ТО) установлено на входе жидкости в проточную часть. При обтекании ТО потоком жидкости за ним образуется вихревая дорожка, частота следования вихрей в которой с высокой точностью пропорциональна скорости потока, а, следовательно, и расходу.

За ТО в корпусе проточной части диаметрально противоположно друг другу установлены стаканчики, в которых собраны ультразвуковой пьезоизлучатель (ПИ) и пьезоприёмник (ПП).

В зависимости от типа, преобразователи имеют два конструктивных исполнения:

1) однолучевые преобразователи - одна пара ПИ, ПП (Dу 25-200 мм);

2) двухлучевые преобразователи - две пары ПИ, ПП (Dу 250-300 мм).

От генератора на ПИ подаётся переменное напряжение, которое преобразуется в ультразвуковые колебания. При прохождении через поток, в результате взаимодействия с вихрями, ультразвуковые колебания модулируются по фазе. На ПП модулированные ультразвуковые колебания вновь преобразуются в напряжение, которое подаётся на фазовый детектор. На фазовом детекторе определяется разность фаз между: сигналами с ПП и опорного генератора для однолучевых преобразователей.