Резюме Биография Реферат Библиотека Ссылки Отчет о поиске Хобби

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

• Введение
• Цель работы, задачи
• Обзор методов и средств измерения расхода жидкости в напорном трубопроводе большого диаметра
• 1.1. Основные понятия и определения
• 1.2. Классификация расходомеров жидкости в закрытых напорных трубопроводах
• 1.3. Тахометрические расходомеры
• 1.4. Расходомеры переменного перепада давления
• 1.5. Вихревые расходомеры
• 1.6. Бесконтактные расходомеры
• 1.6.1. Ультразвуковые расходомеры
• 1.6.2. Электромагнитные расходомеры
• 1.7. Расходомеры, работающие по принципу измерения средней скорости в поперечном сечении трубы
• 1.7.1. Расходомеры с напорными устройствами
• 1.7.2. Расходомеры с электромагнитными преобразователями скорости
• Заключение
• Список источников

Введение

Водные ресурсы играют жизненно важную роль в развитии народного хозяйства и существовании общества. Именно поэтому одной из ключевых проблем развития инфраструктуры Донецкой области является обеспечение надежного функционирования систем водоснабжения. Проблема является значимой, поскольку ее решение будет способствовать повышению качества предоставляемых потребителям услуг, а следовательно и сохранению здоровья населения, повышению его благосостояния.

Рациональное использование водных ресурсов в свою очередь осуществляется за счет совершенствования управления технологическими процессами очистки, подачи и распределения воды. Рассмотреные меры обязательно предусматривают применение эффективных современных систем учета расхода воды, которые должны заменить собой имеющиеся морально устаревшие расходомеры.

Цель работы, задачи

Цель и задачи исследований. Целью магистерской работы является обоснование структуры расходомера питьевой воды в напорных трубопроводах большого диаметра.

Для достижения поставленной цели необходимо:

– разработать математическую модель МГД-преобразователя скорости с локальным магнитным полем;

– исследовать зависимость выходного сигнала МГД-преобразователя с локальным магнитным полем от поперечного градиента скорости на основе изучения пространственного распределения магнитного поля;

– на основе результатов выполненных исследований определить оптимальное соотношение конструктивных параметров МГД-преобразователя скорости;

– обосновать структуру разрабатываемого измерительного прибора.

Обзор методов и средств измерения расхода жидкости в напорном трубопроводе большого диаметра.

На сегодняшний день разработано и используется большое количество расходомеров жидкости, которые реализуют различные методы измерения. Они отличаются метрологическими характеристиками, областью применения, эксплуатационными показателями. Однако ко всем современным расходомерам выдвигаются единые жесткие требования, которые можно разделить на две группы:

– к первой группе относят индивидуальные требования, касающиеся приборов для измерения расхода: высокая точность, надежность; независимость результатов измерения от физико-химических свойств измеряемой среды, а также от изменения плотности вещества; быстродействие и широкий диапазон измерений;

– ко второй группе относятся требования, которые характеризуют всю группу расходомеров: необходимость измерения расхода разнообразной номенклатуры веществ, которые отличаются физико-химическими свойствами; необходимость измерения различных значений расхода при различных давлениях и температурах.

Ни один из существующих типов расходомеров не может в полной мере удовлетворить сразу всем указанным требованиям. Поэтому необходимым условием успешного решения поставленной измерительной задачи является правильный выбор метода измерения и средства. При выборе того или иного средства измерения следует исходить из реальных условий его эксплуатации, свойств измеряемого вещества, его параметров и значений его расхода, а также с обоснованных требований к точности измерения. Кроме метрологических характеристик средства измерения, необходимо также учитывать его потребительские качества: степень сложности измерительного устройства, стоимость, энергопотребление, материалоемкость, функциональность, удобство эксплуатации.

1.1. Основные понятия и определения

Расходом жидкости называют Измерительный прибор или совокупность приборов, предназначенных для измерения расхода жидкости (газа).

Массовый расходомер жидкости измеряет массовый расход жидкости (газа). Объемный расходомер измеряет объемный расход жидкости (газа) Массовый M и объемный Q расходы связаны соотношением: M = ρ · Q где ρ - плотность жидкости [2].

Методом измерения называют способ экспериментального определения значения физической величины, то есть совокупность используемых при измерениях физических явлений и средств измерений.

Измерительным преобразователем называют средство измерения расхода жидкости (газа), предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем.

Информационно-измерительной системой называют совокупность средств измерений, соединенных между собой каналами связи, предназначенных для получения сигналов измерительной информации в форме, удобной для автоматической обработки, передачи и (или) использования в автоматических системах управления [3].

1.2. Классификация расходомеров жидкости в закрытых напорных трубопроводах

Основные существующие приборы, предназначенные для измерения расхода жидкости в закрытых напорных трубопроводах, можно классифицировать по различным признакам. Если в качестве основного признака принять наличие или отсутствие подвижного элемента в гидравлическом тракте измерительного преобразователя, то средства измерения расхода можно разделить на две группы [4]:

– приборы, первичные измерительные преобразователи которых содержат подвижные элементы в гидравлическом тракте;

– приборы, первичные измерительные преобразователи которых не содержат подвижных элементов в гидравлическом тракте.

К первой группе приборов относятся:

– расходомеры постоянного перепада давления (ротаметры, поплавковые расходомеры);

– объемные расходомеры (поршневые, дисковые, кольцевые, винтовые, с овальными шестернями, лопастные);

– тахометрические расходомеры (крыльчатые, турбинные, шариковые);

– расходомеры лобового сопротивления (с угловым перемещением, с аксиальным перемещением).

Вторая группа приборов объединяет в себе расходомеры с трансформацией потока (нарушением поля течения) и без трансформации его. К приборам с трансформацией потока относят:

– расходомеры переменного перепада давления (диафрагмы, сопла, трубы и сопла Вентури;

– расходомеры с генерацией пульсаций давления (вихревые расходомеры, расходомеры с закруткой потока).

К приборам без трансформации потока относят:

– меточные расходомеры (с тепловой меткой, с радиоактивной меткой, с оптически непрозрачной меткой);

– ультразвуковые расходомеры;

– калориметрические расходомеры;

– электромагнитные расходомеры.

Далее рассматриваются измерительные средства, которые являются наиболее распространенными для измерения расхода жидкости в закрытых напорных трубопроводах.

1.3. Тахометрические расходомеры

Наиболее распространенными тахометрическими приборами для измерения расхода жидкости является турбинные расходомеры. Типичная конструкция турбинного расходомера показана на рисунке. 1.1. Он состоит из трех основных элементов: турбинного первичного преобразователя 1, вторичного преобразователя 2, отсчетной системы (регистратора) 3. Турбинный преобразователь представляет собой аксиальную лопастную турбину, опирающейся на ударные подпятники или подшипники 4. Поток измеряемой среды, опираясь на наклонные лопасти турбины, придает ей вращательное движение с угловой скоростью ω, пропорциональной расходу Q [2].

Вторичный преобразователь представляет собой индукционную катушку. В общем случае лопасти турбины изготавливаются из ферромагнитного материала. При пересечении магнитного поля катушки лопастями турбины в катушке наводится пульсирующий ток. Частота пульсаций наведенного тока пропорциональна угловой скорости вращения турбины, а, следовательно, и измеряемой расходу. В качестве вторичных преобразователей используют также индуктивные катушки, в которых при вращении ферромагнитной турбины создается периодическое изменение индуктивности, вызывает соответствующее изменение одного из параметров тока в катушке.

Электромагнитный чувствительный элемент создает эффект торможения турбины, что при низких скоростях движения вещества может сказываться на угловой скорости турбины. Поэтому при измерениях малых расходов вещества применяются другие конструкции чувствительных элементов, например, фотоэлектрические [2,5].

Импульсы пульсирующего тока регистрируются отсчетной системой. Число импульсов, зарегистрированных системой за единицу времени, характеризует измеряемый расход вещества. Если предположить, что на турбину не действуют никакие моменты, препятствующие её вращению, то зависимость между угловой скоростью вращения турбины и расходом будет определяться следующим выражением:

ω=A × Q     (1.1)

где ω – угловая скорость вращения турбины;

А – коэффициент, определяемый конструктивными параметрами турбинного датчика;

Q – измеряемый расход.

В действительности же на турбину действуют моменты сил гидравлического трения жидкости, моменты сил трения в опорах и другие. Действие этих моментов будет характеризовать так называемая зона не чувственности прибора, то есть наименьший расход Q₀, которая необходима для того, чтобы преодолеть моменты сопротивления и сдвинуть турбину с места или изменить ее постоянную скорость вращения. С учетом этого по выражению (1.1) получим рабочее уравнения турбинных расходомеров [2]:

ω=A × (Q-Q₀)

Наибольшее влияние на показания турбинных преобразователей расхода имеют местные гидравлические опоры, которые создают сильное одностороннее сжатие потока, а также опоры, которые вызывают винтовое движение.

Преимуществами турбинных расходомеров является простота конструкции, большая чувствительность и большой диапазон измерений, возможность измерения как малых, так и достаточно больших расходов жидкости с широким диапазоном физико-химических свойств, малая инерционность и вследствие этого относительно малые динамические погрешности при измерении средних и мгновенных значений расходов. Также важным преимуществом таких расходомеров является линейная зависимость их выходного сигнала от скорости потока в установленном для прибора диапазоне.

К недостаткам турбинных расходомеров можно отнести: необходимость индивидуальной градуировки и вследствие этого необходимость наличия градуировочных установок высокой точности; влияние изменения вязкости измеряемой среды и гидродинамических параметров потока на показания приборов; наличие опор, которые изнашиваются, резко сокращает срок службы приборов.

1.4. Расходомеры переменного перепада давления

Принцип действия расходомеров этого типа, объединенных единым методом измерений, основанный на измерении перепада давления, образующегося в результате местного изменения скорости потока жидкости. Для измерения расхода жидкости с перепадом давления необходимы три устройства, объединенные общим понятием расходомер переменного перепада давления [2]:

– сужающее устройство, является основной частью таких расходомеров и создает перепад давления в потоке измеряемой среды за счет местного изменения скорости потока;

– измерительный прибор - манометр, непосредственно измеряющий перепад давления;

– соединительное устройство, передает перепад давления от потока к манометру.

Сужающее устройство создает местное сужение потока. Характер и распределение давления и скоростей вдоль потока при прохождении веществом участка трубопровода, в которой установлено сужающее устройство, показаны на рисунке. 1.2

Скорость потока в суженном сечении II повышается, часть потенциальной энергии давления переходит в кинетическую. В результате этого статическое давление в сечении II становится меньше статического давления в сечении I, где на поток еще не сказалось влияние сужающего устройства. Разница этих давлений зависит от скорости движения (или расхода) жидкости, протекающей в трубопроводе. На практике места для отбора давлений выбирают чаще всего непосредственно со стороны входа и выхода потока [6, 7].

Основное уравнения расхода несжимаемой жидкости через сужающее устройство имеет вид:

где α - коэффициент расхода сужающего устройства; S₀ - площадь отверстия сужающего устройства; g - ускорение силы тяжести; γ- плотность жидкости; Δp = (p1 - p2 ) – измеренный перепад давлений

В настоящее время наиболее распространены сужающие устройства трех типов: нормальная диафрагма, нормальное сопло и сопло (труба) Вентури.

Нормальная диафрагма представляет собой тонкий диск с отверстием с острой прямоугольной кромкой со стороны входа потока [2].

Давления в плоской диафрагме отбирают с помощью отдельных сверлений. Для усреднения давлений просверливают несколько отверстий, равномерно распределенных по окружности трубы в плоскостях отбора давлений. Трубки, выходящие из отверстий, объединяются двумя сборными коллекторами, от которых давления передаются в манометр.

Давления в камерных диафрагмах отбирают из камер, соединенных с трубой кольцевыми щелями [2]. Преимуществом камерных диафрагм является отбор действительных средних давлений и в связи с этим несколько менее жесткие требования к длине прямолинейных участков трубопровода до и после диафрагмы; недостатком – необходимость специальных уплотнительных устройств для герметизации камер[2].

Нормальное сопло выполняют в виде насадки, имеет со стороны входа плавное округления, а со стороны выхода - развитую цилиндрическую часть. На выходе сопла является расточка, предохраняющая исходную кромку от повреждений. Отбор статических давлений проводится так же, как и в случае нормальных диафрагм [4].

Сопло Вентури отличается от нормального сопла тем, что имеет удлиненную цилиндрическую часть, переходит непосредственно в диффузор [4].

Труба Вентури состоит из входной части – конфузора, средней части – цилиндрической и выходной части – диффузора. Перед конфузора устанавливается в прямолинейный участок. Такие трубы используются на трубопроводах диаметром (100 ... 800) мм. Отбор давлений осуществляется через кольцевые камеры, соединенные с трубопроводом не менее чем в шести местах.

Трубе Вентури нужно в 2 раза меньше прямой участок, чем диафрагме, и имеет широкий (10: 1 и даже 20: 1) диапазон измерений. Труба Вентури применяется для пульп и загрязненных жидкостей. Укороченная труба Вентури применяется для чистых жидкостей. При использовании напоровыпрямителя минимальный прямой участок перед трубой Вентури становится равным двум условным диаметрам трубопровода [4].

Преимуществами расходомеров переменного перепада давления с сужающими устройствами является отсутствие движущихся частей, простота серийного изготовления, поверка методом расчета, низкая стоимость. К недостаткам приборов этого типа можно отнести: требования к длине прямолинейных участков трубопровода перед прибором и после него, сравнительно большая погрешность измерения в диапазоне измеряемых расходов, большие погрешности при измерении пульсирующих потоков, требование постоянства фазового состояния вещества, невозможность монтажа и демонтажа без остановки потока в трубе [4].

1.5. Вихревые расходомеры

Вихревыми называют расходомеры, действие которых основано на зависимости частоты колебаний давления, возникающих в потоке в процессе вихреобразования или колебания струи, от расхода [7].

Принцип работы расходомеров с телом, расположенным в потоке, основанный на фиксации колебаний потока, возникающие при обтекании тела [8]. Тело, которое находится на пути потока, меняет направление движения струй, обтекающие его, и увеличивает их скорость за счет соответствующего уменьшения давления. По миделевому сечении тела начинается обратный процесс уменьшения скорости и увеличения давления. Одновременно с этим на передней части тела создается повышенное давление, а на задней части - сниженое. Пограничный слой, окружающий тело, пройдя его миделевое сечение, отрывается от тела и под влиянием пониженного давления за телом изменяет направление движения, образуя вихрь (рисунок. 1.3). Это происходит как в верхних, так и в нижних точках обтекаемого тела. Но поскольку развитие вихря с одной стороны тела препятствует такому же его развития с другой стороны, то образование вихрей с той и другой стороны происходит по очереди. При этом за обтекаемым телом образуется вихревая дорожка Кармана [7].

Используется несколько вариантов преобразования вихревых колебаний потока в выходной сигнал. В основном используются периодические колебания давления или скорости струй с двух сторон обтекаемого тела.

Зависимость между расходом и частотой схода вихрей имеет вид:

Q = (S × d/Sh)× f

где S - площадь наименьшего сечения потока вокруг тела обтекания; d - характерный размер тела обтекания; Sh - критерий Струхаля, характеризующий безразмерную частоту процесса.

В качестве тел обтекания наибольшее распространение получили цилиндры, трехгранные и четырехгранные призмы. Погрешность измерения расхода во всем нормированном диапазоне составляет ± 1,0% [8].

К достоинствам вихревых расходомеров следует отнести отсутствие движущихся частей, простоту и надежность преобразователя расхода, независимость показаний от давления и температуры, большой диапазон измерения, линейность шкалы, малую погрешность на уровне ± (0,5 ... 1,5)%, частотный измерительный сигнал, стабильность показаний, относительно простая измерительная схема, возможность получения универсальной градуировки. К недостаткам вихревых расходомеров относятся значительная потеря давления, достигающая (30 ... 50) кПа, и некоторые ограниченые возможности их применения: они непригодны при малых скоростях из-за трудностей измерения сигнала, имееющего малую частоту, и изготавливаются только для труб, имеющих диаметры (25 ... 300) мм. Применение их для больших труб вызывает сложности, а при очень малых диаметрах имеется устойчивое вихреобразование [7].

1.6. Бесконтактные расходомеры

Особое внимание обращают на бесконтактные расходомеры, обеспечивающие измерение расхода без непосредственного контакта их чувствительных элементов с измеряемой средой и без нарушения поля течения потока. Такое измерение можно осуществить только по результатам взаимодействия поля течения и вспомогательного физического поля, источник которого должно быть расположено в преобразователи расхода бесконтактного расходомера.

Стоит отметить, что иногда к бесконтактным расходомерам относят такие их типы, чувствительные элементы которых имеют непосредственный контакт с измеряемой средой, хотя и не меняют его характер течения. Кроме того, некоторые типы бесконтактных расходомеров могут содержать дополнительный гидравлический преобразователь, изменяющий исходный характер течения измеряемой среды с целью расширения функциональных возможностей расходомера. Такие расходомеры можно отнести к бесконтактным условно и назвать квазибезконтактнимы [9].

Методы бесконтактных измерений, а также измерений расхода без применения устройств, расположенных внутри трубопровода, являются наиболее перспективными. К ним, прежде всего, относят электромагнитный и ультразвуковой методы [10].

1.6.1. Ультразвуковые(акустические) расходомеры

Основой ультразвукового метода измерения расхода является зависимость от нее того или иного эффекта, возникающего при проходе ультразвуковых колебаний через поток жидкости.

Ультразвуковые расходомеры реализуют различные способы измерения. Наиболее часто на практике используют два способа измерения, отличающихся взаимным пространственным расположением направлений вектора скорости жидкости и вектора распространения звуковой волны.

Первый способ основан на определении отклониния движущейся средой ультразвукового луча, направленного под прямым углом к вектору движения потока. По сути, измеряет уменьшение количества акустической энергии, попадающей на приемник с ростом скорости потока.

Недостатком данного способа является низкая чувствительность, поэтому чаще применяется разновидность этого способа, который заключается в том, что луч направляют под небольшим углом относительно диаметру трубы и принимают после многократного отражения от стенок трубы, как показано на рисунке. 1.4, а). Таким образом, достигается увеличение расстояния, которое проходит луч. Чувствительность такой конструкции выше, чем у основного способа, однако следует отметить, что показания существенно зависят от степени коррозии и загрязнения внутренних поверхностей трубы, отражающих колебания. Кроме того, скорость звука в среде зависит от температуры жидкости, ее кинематической вязкости и степени загрязнения жидкости. Эта зависимость приводит к росту погрешности при изменении физико-химических свойств измеряемой жидкости.

Для исключения влияния зависимости скорости звука от различных факторов используют другой способ, в котором расход жидкости определяется по разнице скорости распространения звука в направлении потока и против него. Ультразвуковые колебания при этом направляют под углом к направлению движения потока. На рисунке. 1.4, б) показана одноканальная, а на рисунке. 1.4, в), г) – двухканальные конструкции преобразователей расходомеров, которые реализуют указанный метод формирования и приема акустических колебаний

Если плоскости излучающих и принимающих акустических преобразователей расположены под некоторым углом θ к оси трубы, то звуковой колебания проходят в измеряемой жидкости путь длиной L под углом α, равный α = 90° - θ. Обозначим через νL скорость потока, усредненную по длине L. Проекция скорости νL на направление L будет равняться νL cosα. Если акустические колебания направлены в сторону движения потока, то время τ1 прохождения ими расстояния L определяется выражением:

τ₁ = L / (c + ν_L × cosα) (1.1)

где с - скорость распространения акустических колебаний в неподвижной жидкости.

При обратном направлении акустических колебаний время τ₂ прохождения ими той же расстоянии определится выражением:

τ₂ = L / (c + ν_L × cosα) (1.2)

Вычитая (1.2) от (1.1), получим:

Учитывая, что , Получим:

В данном способе различают несколько разновидностей.

В время-импульсном методе измеряется разность времи Δτ прохождение коротких импульсов в направлении потока и против него пути длиной L. Эта разница связана со средней скоростью потока νL выражением (1.3). В этом методе остается зависимость от скорости ультразвука в среде, но существуют возможности компенсации этой зависимости, например, установкой дополнительной пары резонаторов.

В частотно-импульсном методе каждый импульс (или несколько импульсов), поступивших в приемник, возбуждают генерацию нового импульса. Измеряя частоту повторения импульсов по потоку и против него, вычисляют расход. Преимуществом данного метода является независимость характеристики от скорости звука.

Фазовый метод предусматривает измерение разности фаз сигнала по потоку и против него. Метод основан на том, что при изменении скорости потока сигнал приходит к приемнику с разной фазой. Действительно, если начальные фазы обоих звуковых колебаний, которые имеют период Т и частоту f, абсолютно одинаковые, получим:

Подставляя значения (1.3) в (1.4), получим выражение, определяющее зависимость между Δφ и средней скоростью потока νL на расстоянии L:

где ω = 2πf - круговая частота колебаний.

Существует еще одна разновидность ультразвуковых расходомеров - допплеровские расходомеры. Доплеровский метод основан на возникновении сдвига частот при отражении звукового луча от подвижной частицы или неоднородности потока, например, от газового пузырька. Недостатком метода является требование наличия таких неоднородностей.

Для реализации ультразвукового метода применяют несколько основных конструкций первичного преобразователя.

В моноблочной конструкции преобразователь представляет собой отрезок трубы с фланцами. Пьезопреобразователь смонтирован на трубе стационарно. Данный преобразователь калибруется на поверочной установке и поставляется полностью готовым к использованию.

В конструкции с врезанными пьезопреобразовательным излучателем и приемником монтируются стационарно на существующем трубопроводе.

В конструкции с накладными пьезопреобразовательным излучателем и приемником монтируются на существующем трубопроводе с помощью специальных прижимных устройств.

Из перечисленных конструкций маленькие погрешности измерения расхода в моноблочной конструкции. Худшие показатели погрешностей в конструкции с накладными пьезопреобразовательными излучателями. К преимуществам последних двух конструкций можно отнести возможность измерения расхода в трубах больших диаметров (Более 1000 мм) [8].

1.6.2. Электромагнитные расходомеры

В настоящее время твердую позицию среди устройств измерения расхода жидких веществ занимают электромагнитный расходомер. Этот тип расходомера наиболее полно удовлетворяет требованиям. Он имеет достаточно высокую точность измерения, широкий линейный динамический диапазон. Кроме того, он не имеет механических частей, контактирующих с жидкостью, а потому он способен легко соответствовать санитарно-гигиеническим требованиям.

Работа электромагнитного расходомера жидкости основана на эффекте Фарадея. В проводнике, пересекают силовые линии поля, индуцируется ЭДС, пропорциональная скорости движения среды, и не зависимая от физических свойств среды. При этом направление ЭДС, возникающего в проводнике, является перпендикулярным направлению движения проводника и направления магнитного поля [2].

По измеряемым эффектом электромагнитные расходомеры могут быть отнесены к трем типам [11]:

– кондукционные электромагнитные расходомеры - приборы, действие которых основано на измерении индуцированного электрического поля(рисунок 1.5);

– индукционные электромагнитные расходомеры - приборы, действие которых основано на измерении индуцированного вторичного магнитного поля(рисунке 1.6);

– пондермоторные электромагнитные расходомеры - приборы, действие которых основано на измерении силы взаимодействия индуцированных в жидкости электрических токов с магнитным полем преобразователя(рисунке 1.7).

Наибольшее распространение получили кондукционные электромагнитные расходомеры, в которых измеряемой величиной является не индуцированная при движении жидкости ЭДС, а разность потенциалов, снимается с электродов преобразователя [11].

Сам преобразователь расхода жидкости представляет собой размещенную между полюсами постоянного магнита трубу с круглым сечением и внутренним диаметром, равным диаметру трубопровода. Преобразователь имеет два электрода, с помощью которых снимается индуцированное напряжение. Из-за простоты и надежности конструкции электромагнитные преобразователи расхода стали популярны [12].

На рисунке. 1.8 схематично изображено устройство электромагнитного расходомера. Измерительная труба 1 с размещенными в ней двумя металлическими электродами 3 выполненые из немагнитного материала с большим удельным электрическим сопротивлением. Это гарантирует наименьшее искажение магнитного потока стенками трубы и меньшие потери на вихревые токи. Магнитное поле создается электромагнитом 2 питающимся источником питания 6. Напряжение, снимается с электродов, с помощью электронного усилителя 4 превращают в усиленный электрический сигнал, регистрируемый отсчетной системой 5 [2].

Возникающая разность потенциалов Е на электродах определяют из уравнения электромагнитной индукции [2]:

E = –K × B × D × ν_{СР, (1.5)}

где К – коэффициент, зависящий от типа магнитного поля; В – магнитная индукция в зазоре между полюсами магнита; D – внутренний диаметр трубопровода; ν_СР - средняя скорость потока жидкости.

Для случая постоянного магнитного поля справедливо уравнение К = 1. Если же магнитное поле меняется во времени t с частотой f, то

K = sin(2πft) [2].

Электроды обычно изготавливают из нержавеющей стали или другого материала, например, платины. Их располагают в отверстиях стенки измерительной трубы. Внутрений конец электрода крепится заподлицо с внутренней поверхностью стены. Внешний конец электрода обеспечивается нарезкой и одной или двумя гайками для затягивания электрода при его уплотнении. Измеряемая ЭДС не зависит от физических свойств среды, протекающей в трубе, и определяется только скоростью потока, напряженностью магнитного поля и расстоянием между электродами. ЭДС, развивается в преобразователях электромагнитных расходомеров, незначительная, ее значение редко превышает 10 мВ [13].

Выражая в уравнении (1.5) среднюю скорость потока через объемный расход измеряемой среды, получим уравнение измерений электромагнитных расходомеров [2]:

– для случая постоянного магнитного поля

E = –(4 × B / π×D)×Q;

– для случая переменного магнитного поля

E = –(4 × B ×sin(πft) / π×D)×Q;

Таким образом, электромагнитные расходомеры могут быть изготовлены как с постоянным, так и с переменным магнитным полем. Эти электромагнитные расходомеры имеют свои преимущества и недостатки, определяющие области их применения [2].

Основным недостатком электромагнитных расходомеров с постоянным магнитным полем, который ограничивает их применение для измерения расхода квазистационарных потоков, является поляризация измерительных электродов. Она сопровождается изменением сопротивления датчика, искажает показания прибора. Для уменьшения поляризации применяют электроды с платиновым или танталовым покрытием, а также угольные и каломель электроды [6].

Использование переменного магнитного поля позволяет значительно уменьшить влияние поляризации электродов. Однако при этом появляются другие эффекты, приводящие к искажению полезного сигнала.

Во-первых, это трансформаторный эффект, когда в витке, образованном жидкостью, находящейся в трубопроводе, электродами, соединительными проводами и вторичными приборами, наводится трансформаторная ЭДС, источником которой является первичная обмотка системы возбуждения магнитного поля. Трансформаторные шумы могут достигать (20 ... 30)% полезного сигнала. Для их компенсации в измерительную схему прибора вводят специальные дополнительные устройства.

Во вторых, имеет место емкостный эффект, возникающий из-за большой разницы потенциалов между системой возбуждения магнитного поля и электродами и паразитной емкость между ними (соединительные провода и т. п.). Средством борьбы с этим эффектом является тщательное экранирование.

В третьих, может иметь место эффект влияния изменения частоты тока, питающего систему возбуждения магнитного поля. Компенсируют этот эффект установкой специальных стабилизирующих устройств, что затрудняет измерительные схемы и уменьшает надежность приборов [14].

Известны способы питания системы возбуждения магнитного поля прямоугольными импульсами тока, а также периодически нарастающим и спадающим током, позволяет избавиться от влияния на измеряемый сигнал вредных факторов, возникающих в электромагнитных расходомерах с переменным магнитным полем [8,10].

Электромагнитный расходомер имеет ряд преимуществ, которые обуславливают широкое применение этого класса прибора.

Важное преимущество электромагнитных расходомеров заключается в том, что принцип их работы и регистрации сигналов являются электрическими. Их можно без дополнительных преобразователей подключать к электрическим системам, предназначенных для измерения и автоматического регулирования. По этой же причине электромагнитные расходомеры применяют для дистанционной регистрации сигнала (хотя в случае плохой проводимости жидкости длина проводников, соединяющих расходомер с измерительным устройством, должна быть ограниченной). Электромагнитные расходомеры, поскольку в основе их работы лежат электрические явления, малоинерционные и позволяют изучать неустойчивые течения даже при достаточно высоких частотах изменения скорости [15].

Универсальность электромагнитного метода измерения обусловлена также их широкими функциональными возможностями, которые позволяют создать безынерционный измеритель линейной градуировочной характеристикой, характер которой не зависит от физико-химических свойств измеряемой среды [16].

Большинство электромагнитных расходомеров имеет каналы, обеспечивающие беспрепятственное течение жидкости, поэтому такие приборы не нарушают гидродинамической структуры потока и не создают дополнительного гидравлического сопротивления[17]. В электромагнитных расходомерах отсутствуют дренажные или другие отверстия, в которых могла бы накопиться твердое вещество, которое может привести к дополнительным трудностям, связанных с очисткой. В расходомерах круглого сечения с поперечным магнитным полем концентрическое отложения твердой фазы на стенках не оказывает влияния на показания прибора, если только твердое вещество и жидкость имеют одинаковую электропроводность [15].

Указанные преимущества обеспечили достаточно широкое применение электромагнитных расходомеров, несмотря на их относительную конструктивную сложность и необходимость тщательного ежедневного технического ухода (регулирование нуля, подстройка т.д.) [2].

Трудности в создании электромагнитных расходомеров больших размеров в значительной мере объясняются большым расходом железа и меди. Для построения магнитной системы таких расходомеров значительно повышает их стоимость, а габариты и масса первичных измерительных преобразователей усложняет их монтаж и делает его невозможным без остановки потока в трубопроводе.

1.7. Расходомеры, работающие по принципу измерения средней скорости в поперечном сечении трубы

Проблема измерения расхода воды в трубопроводах больших диаметров является самостоятельной измерительной задачей, решаемой своими специфическими способами. Это обусловлено тем, что использование для этих целей расходомеров, которые реализуют традиционные методы, требует колоссальных затрат как на создание самих приборов, так и на создание средств их индивидуальной градуировки и поверки [2].

Метод измерения расхода жидкости по скорости потока в одной точке основан на закономерностях турбулентного течения в трубах, согласно которым скорость потока в определенной точке сечения трубы пропорциональна средней скорости в данном сечении [1]. Расходомеры, работающие по этому принципу, вызывают очень малые потери напора, их можно устанавливать и демонтировать без перерыва подачи воды по трубопроводам [5].

При определении расходов по этим методам, необходимо измерить первичным преобразователем местную скорость потока в одной точке поперечного сечения измерительного участка трубы, а также измерить площадь данного сечения. Расход Q определяется по формуле [1]:

Q = K × V × S

где К = V × C × Р / V – отношение средней скорости потока в данном сечении к скорости потока в точке измерения; V - местная скорость потока, м / с; S - площадь поперечного сечения трубы, м².

Если местную скорость потока измеряют в точках, где она равна средней скорости в данном сечении (в точках средней скорости), то коэффициент остается постоянным и равным единице во всем диапазоне турбулентного течения. Точки средней скорости при развитом турбулентном течении измеряемой среды расположены на расстоянии (0,242 ± 0,013) r от внутренней поверхности стенки трубы, где r - внутренний радиус трубы в измерительном сечении [1].

Согласно [1] при выполнении измерений должны быть соблюдены следующие условия:

– поток в трубопроводе должен быть сформирован и турбулентным, а движение – постоянным;

– площадь измерительного сечения в течение всего измерения должна оставаться постоянной;

– на стенках трубы не должно быть отложений и наростов в измеряемой среде и продуктов коррозии.

Далее рассматриваются основные типы приборов, предназначенных для измерения средней скорости потока жидкости в трубопроводе и получивших наибольшее распространение в расходоизмерительной практике.

1.7.1. Расходомеры с напорными устройствами

Напорные устройства создают перепад давления, зависит от динамического давления потока. Они превращают кинетическую энергию потока в потенциальную [18].

Классический пример напорного устройства - трубка Г-образной формы с отверстием, направленным навстречу потоку, которая называется трубкой Пито по имени французского ученого, применил ее для измерения скорости течения реки. Такая трубка воспринимает полное давление, равное сумме динамического РД и статического РC давлений потока.

Чтобы с помощью такой трубки измерить скорость v в трубопроводе необходимо кроме трубки Пито иметь еще трубку для отбора только статического давления PC. Тогда манометр, который измеряет разность давлений ДР = РП - PС = РД, будет служить для определения скорости по формуле [18]:

где k_T - коэффициент трубки;

k_СЖ- коэффициент сжимаемости, для жидкости равен единице.

В большинствеслучаев трубки для отбора полного и статического давлений конструктивно объединяют (рисунок. 1.9). Подобное устройство называют дифференциальной трубкой Пито. Для таких трубок, изготовленных в соответствии со стандартами ИСО 3354-75, ИСО 3966-77, ГОСТ 8.361-79 и ГОСТ 8.439-81, коэффициент kT = 1 ± 0,0025 [18].

Часть трубки, параллельная оси трубопровода, называется концом, а часть, перпендикулярной к этой оси - держателем. Носовая часть трубки имеет обтекаемую форму: коническую, полусферическую или полуэллипсоидную. Расстояние a изначально трубки в отверстия отбора статического давления должен быть не менее (6 ... 8) d, а расстояние b от держателя к этим же отверстий - не менее (8 ... 14) d, где d - наружный диаметр внешней трубки. Это необходимо для правильного отбора статического давления рс. Обычно общая длина конца находится в пределах (15 ... 26) d. Диаметр d1 отверстия для приема полного давления равен (0,1 ... 0,4) d, а диаметр d2 отверстия для приема статического давления - (0,1 ... 0,2) d, но не более 1,6 мм , причем число этих отверстий должно быть не менее шести. Конец с держателем соединяется дугой с радиусом R (3 ± 0,5) d или вплотную.

Во избежание негативного влияния трубки на поток в трубопроводе желательно, чтобы площадь s проекции трубки вместе с держателем на поверхность, перпендикулярную оси трубопровода, составляла не более 2% от площади sT поперечного сечения трубопровода. Если же 2% s / sT <6%, то результат измерения разности давлений будет завышен. При s / sT> 6% применять напорные трубки не рекомендуется [18].

Преимуществами напорных устройств является малая потеря давления, возможность измерения в трубах и каналах, поперечное сечение которых не является круглым, доступность измерения местных скоростей при экспериментальных и других работах. Недостаток - очень малая чувствительность при небольших скоростях [18].

1.7.2. Расходомеры с электромагнитными преобразователями скорости

Потребность в измерении расхода жидкости в трубопроводах больших диаметров привела к разработке расходомеров с электромагнитными преобразователями скорости потока. В качестве таких преобразователей используются магнитогидродинамические (МГД) преобразователи с магнитным полем, локализованным в зоне расположения измерительных электродов. Такие преобразователи более простые и дешевые по сравнению с традиционными электромагнитными преобразователями расхода, и с увеличением диаметра трубопровода значимость этих преимуществ увеличивается [18].

Показания МГД-преобразователей в общем случае определяются не только локальными условиями течения и магнитным полем в точке измерения, но и могут зависеть от градиентов скорости V и индукции магнитного поля B. Это обусловлено тем, что сигналом МГД-преобразователей является разность потенциалов, которая снимается с его электродов. Согласно закону Ома она определяется распределением электрического тока, индуцированного в движущейся жидкости в магнитном поле МГД-преобразователя:

Этот ток в свою очередь зависит от характера распределения скорости и магнитного поля во всем потоке. Поэтому необходимы исследования по выбору конструктивных параметров МГД-преобразователей, при которых удалось свести эту зависимость до приемлемого минимума и получить расходомер высокой точности.

К преимуществам МГД-преобразователей скорости можно отнести то, что они имеют небольшие габариты, минимально влияют на измеряемый поток, технологически прочны, имеют низкую металлоемкость, характеризуются низким энергопотреблением, легко устанавливаются с помощью стандартных вводов в трубопроводах непрерывного действия. Недостатком являются те же требования к длине прямых участков трубопровода, и для напорных трубок [1].

Заключение

Обзор методов и средств измерения расхода жидкости показал большое разнообразие разработанных и применяемых в настоящее время приборов. Вместе с тем, анализ каждого типа расходомера обнаружены характерные их особенности и недостатки, которые ограничивают применение этих приборов для измерения расхода жидкости в трубах больших диаметров. На основании проведенного анализа можно сделать следующие выводы:

1. Расходомер переменного перепада давления с сужающими устройствами имеют простую конструкцию, благодаря чему они получили широкое применение в расходоизмерительные практике. Но они малопригодны для использования в трубопроводах больших диаметров из-за относительно больших погрешностей, большие габариты и массу, высокую материалоемкость сужающих устройств, значительные потери напора и невозможность монтажа и демонтажа без остановки потока. Расходомеры с напорными устройствами требуют большие длины прямых участков перед местом установки первичного преобразователя и после него.

2. Традиционные тахометрические расходомеры не применяются на трубах большого диаметра из-за большой массы и большых габаритов первичного преобразователя. Расходомеры с гидрометрическими вертушками, устанавливаемые в поперечном сечении трубы в точке средней скорости, вследствии наличия в гидравлическом тракте постоянно подвижного элемента требуют постоянного ухода. В противном случае износ опор и подшипников подвижного элемента приводит к необходимости частой переградуировки прибора.

3. Применение вихревых расходомеров с телом, расположенным в потоке, в трубах больших диаметров препятствуют совпадению частоты свободных колебаний тела с частотой схода вихрей и низкая эффективность вихреобразования на малых значениях относительного диаметра тела, а также неприемлемости больших его значений из-за громоздкости первичного преобразователя и уменьшения частоты вихреобразования. Аналогично расходомеров со сужающими устройствами они создают значительные потери напора.

4. Ультразвуковые расходомеры моноблочной конструкции, имеют относительно высокую точность, требуют для монтажа и демонтажа полной остановки потока в трубе. Расходомеры с накладными излучателями не обеспечивают требуемой точности измерений.

5. Традиционные электромагнитные расходомеры больших размеров имеют значительные массу, габариты, материалоемкость и высокую стоимость, для их монтажа и обслуживания требуется полная остановка потока в трубе.

6. Расходомеры с МГД-преобразователями скорости, размещенными в поперечном сечении трубы в точке средней скорости, объединяют в себе как преимущества традиционных электромагнитных приборов - относительно высокую точность, надежность и выходной сигнал, представленный в виде электрической величины. Так и удобство в эксплуатации на трубопроводах непрерывного действия, не требуя для монтажа и обслуживания остановки потока. Таким образом, расходомеры с МГД-преобразователем наиболее полно соответствуют предъявляемым требованиям и, очевидно, очень перспективными.

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: май 2018 года.

Список источников

1. ГОСТ 8.361-79. Методика выполнения измерений по скорости в одной точке сечения трубы. Введ. 01.07.90. - Изд-во стандартов, 1979. -14с.
2. Хансуваров К.И., Цейтлин В. Техника измерения давления, расхода, количества и уровня жидкости, газа и пара: Учебное пособие для техникумов. - М .: Изд-во стандартов, 1990. - 287 с
3. Никифоров А.Д., Бакиев Т.А. Метрология, сертификация и стандартизация. - М .: Инфа-М, 2005. -422с.
4. Киясбейлы А.Ш., Лифшиц Л. Первичные преобразователи систем измерения расхода и количества жидкостей. - М .: Энергия, 1980. -80с.
5. Лобачев П.В., Шевелев Ф.А. Водомеры для водопроводов и канализаций. - М .: Госстройиздат, 1957. -292с.
6. Монахов В.И. Измерение расхода и количества жидкости, газа и пара. - М.-Л .: Госэнергоиздат, 1962. -128с.
7. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества веществ: Справочник: Кн. 2 - СПб .: Политехника, 2004. -412с.
8. Ромадов В.Н. Промышленные счетчики воды. Обзор. // Строительный инжиниринг. - 2007. - №9. - С. 34-38.
9. Бобровников Г.Н., Новожилов Б.М., Сарафанов В. Бесконтактные расходомеры. - М .: Машиностроение, 1985. -128с.
10. Лобачев П.В., Шевелев Ф.А. Измерение расхода жидкостей и газов в системах водоснабжения и канализации. - М .: Стройиздат, 1985. - 424 с.
11. Корсунский Л.Н. Электромагнитные гидрометрические приборы. - М .: Стандартгиз, 1964. -180с.
12. Логинов Н.И. Электромагнитные преобразователи расхода жидких металлов. - М .: Энергоиздат, 1981. -104с.
13. Павловский А.Н. Измерение расхода и количества жидкостей, газа и пара. - М .: Издательство стандартов, 1967. -416с.
14. Достижения и направления в области измерения расхода и количества. / Под. ред. Ю.Н. Потепалов. - М .: Энергоиздат, 1963. -78с.
15. Шерклиф Дж. Теория электромагнитного измерения расхода: Пер. с. англ. - М .: Мир, 1965. - 268с.
16. Марфенко И.В. Электромагнитный расходомер для трубопроводов больших диаметров: Автореф. дисс. канд. техн. наук. - Харьков: ХГПИ, 2000. - 20 с.
17. Вельт И.Д., Гудкова И.Н. Современное состояние и перспективы развития электромагнитных расходомеров. - М .: ЦНИИТЭЫ приборостроения, 1978. - 52 с.
18. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества: Справочник. - Л .: Машиностроение, 1989. - 701с.