Для сохранения такого важного ресурса жизнеобеспечения, как вода, необходимо широкое применение приборов контроля и учета ее потребле-ния – расходомеров. Без расходомеров невозможно обеспечить нормальное функционирование не только коммунальных служб, но и работу промышленных и сельскохозяйственных предприятий. Они нужны для учета веществ, транспортируемых по трубам и потребляемых различными объектами. Без применения расходомеров сложно не только вести учет потребления ресурса и обеспечивать его экономию, но и трудно контролировать утечки и исключать его потери [1].
ости, сельского хозяйства и коммунального хозяйства, где точность и надежность измерения расхода воды являются важными параметрами. Применение разработанного устройства позволит улучшить эффективность учета водных ресурсов и оптимизировать их использование.Актуальность темы магистерской диссертации обусловлена необходимостью внедрения на пунктах водоснабжения крупных городов современных электронных систем централизованного измерения и учета расхода питьевой воды в напорных (заполненных) трубопроводах большого диаметра (≈1 м). Расход капельных жидкостей в таких трубопроводах определяется, как правило, косвенным методом, по результатам измерений площади поперечного сечения трубы и скорости в расходной точке этого сечения (способом «площадь-скорость»). В настоящее время для измерения расхода жидкости в полностью заполненном трубопроводе применяют, чаще всего, приборы, основанные на использовании электромагнитного (магнитогидродинамического - МГД) метода измерения расхода или скорости. Метод позволяет создавать недорогие и надежные приборы, характеризующиеся высокими метрологическими и эксплуатационными характеристиками, высокой стабильностью показаний и их независимостью от физико-химических свойств рабочей жидкости, возможностью передачи информации о значении измеряемого расхода (скорости) в виде электрического сигнала на большие расстояния без потерь и искажений.
Целью диссертационной работы является исследование и обоснование структуры расходомера питьевой воды для напорных трубопроводов большого диаметра, обладающего высокими эксплуатационными и метрологическими характеристиками.
Для достижения поставленной цели в работе:
Все средства измерения расхода по методу измерения разделяют на два класса: прямого измерения расхода и косвенного измерения расхода. Приборы, построенные на основе первого метода, измеряют непосредственно расход жидкости в трубопроводе [2]. Приборы, реализующие метод косвенного измерения расхода способом «скорость - площадь», определяют расход жидкости в трубопроводе по скорости потока в одной точке поперечного сечения трубопровода (точке средней скорости) и его площади [3]. В последнем случае измерение расхода основывается на закономерностях турбулентного течения жидкости в трубе, согласно которым локальная скорость потока «V» в точке, отстоящей на расстоянии [(0,242 ± 0,013) × R] от внутренней поверхности трубы, равна средней скорости жидкости в данном сечении – V = Vср, а значит, – пропорциональна ее расходу
Q= Vср × S
где Q – объемный расход жидкости; 𝑉ср – средняя скорость жидкости; 10 S – площадь поперечного сечения трубы.
Расходомеры, основанные на методе прямого измерения:
Расходомеры, основанные на методе косвенного измерения:
Схема расходомера переменного перепада давления представлена на рис.1.1
Рисунок 1.1 – Схема расходомера переменного перепада давления
У такого расходомера диафрагма, установленная в трубопроводе на пути движения жидкости, создает перепад давления, измеряя который можно определить объемный расход [4].
Формула (1.1):
Q = α · ε · F · √( ( 2 / ρ ) · ΔP )
где α – коэффициент, учитывающий сжатие потока и профиль скорости в потоке,
ε – коэффициент, учитывающий изменение плотности потока
в сужающем устройстве,
F – площадь сечения трубопровода,
ρ – плотность жидкости,
ΔP – измеряемый перепад давлений.
Эти средства измерения расхода нашли широкое применение в промышленной практике, что объясняется простотой их конструкции, а главное – возможностью беспролоной градуировки (поверки, калибровки). Но, несмотря на большое разнообразие сужающих устройств и специально разработанных методик, высокой точности измерения расхода с помощью этих средств достичь не удается.
Трубы (и сопла) Вентури (рис 1.2)более стойки к износу и обеспечивают прохождение механических примесей. Однако на точность измерения этих средств измерений существенным образом влияет состояние трубопровода (необходима частая чистка труб) и длина прямого участка трубопровода до и после измерительного преобразователя.
Рисунок 1.2 – Схема трубы Вентури
Трубы (и сопла) Вентури имеют ряд преимуществ по сравнению с диа-фрагмами: меньшими гидравлическими сопротивлениями, большей стабильностью показаний, более широким диапазоном измерений и т.д. Но они практически не применяются на трубопроводах средних и больших диаметров, поскольку вес трубы Вентури большого диаметра может достигать нескольких тонн. Это значительно усложняет их монтаж, увеличивает трудоемкость и стоимость изготовления.
Характерной особенностью конструкции этих средств измерения (рис 1.3) является наличие вращающегося элемента – турбины, скорость вращения которой прямо пропорциональна объемному расходу жидкости [5].
Рисунок 1.3 – Схема турбинного расходомера
Турбинный расходомер состоит из трех основных элементов: турбин-ного первичного преобразователя 1, вторичного преобразователя 2, отсчет-ной системы (регистратора) 3. Турбинный преобразователь представляет собою аксиальную лопатную турбину, вращающуюся в подшипниках 4. Поток измеряемой среды, воздействуя на наклонные лопатки турбины, придает ей вращательное движение с угловой скоростью ω, пропорциональной расходу измеряемой среды Q.
Достоинства турбинных расходомеров: простота конструкции; высокая чувствительность; широкий динамический диапазон измерений; возможность измерения малых расходов; малая инерционность и, как следствие, малые динамические погрешности при измерении мгновенных значений расхода; линейная зависимость их выходного электрического сигнала от измеряемого расхода (скорости) в нормированном диапазоне измерения.
Основные недостатки: необходимость индивидуальной градуировки; влияние изменения вязкости и гидродинамических параметров потока на показания прибора; наличие опор, изнашиваемых в процессе эксплуатации, что приводит к снижению точности и необходимости частых градуировок.
Сущность метода заключается в создании в потоке движущейся жидкости устойчивой вихревой структуры (рис 1.4), возбуждение которой дости-гается закручиванием потока или посредством обтекания потоком неподвижного тела специальной формы. Существует несколько разновидностей вихревых расходомеров [6], но конечным критерием любой конструкции являются пульсации давления жидкости, которые характеризуются числом Рейнольдса Re , представляющим собой отношение сил инерции к силам вязкого трения в потоке, и числом Струхаля Sh=fd/V, определяющим периодические процессы, связанные с движением жидкости.
Рисунок 1.4 – Схема вихревого расходомера
Статическая характеристика преобразования вихревых расходомеров имеет следующий вид: V =f*d /Sh, (1.2) где V – скорость потока; D – диаметр трубопровода; v - кинематическая вязкость измеряемой жидкости; f – частота пульсаций давления жидкости, в результате периодического срыва вихрей; d – диаметр тела, вызывающего периодические срывы вихрей.
Достоинства вихревых расходомеров: линейная характеристика преобразования, высокая точность (погрешность в пределах +- 0,5 1,5%), простота преобразования, отсутствие подвижных частей, малая инерционность, частотный выходной сигнал. Однако такие расходомеры при больших диаметрах трубопроводов (свыше 250-300 мм) работают в низкочастотной области и не обеспечивают устойчивого вихреобразования [7]. К недостаткам вихревых расходомеров также можно отнести чувствительность к загрязнению измеряемой среды.
К перспективным средствами измерению расхода жидкостей с ионной проводимостью (проводников второго рода, к которым принадлежит питьевая вода) относятся электромагнитные (магнитогидродинамические) преобразователи, принцип действия которых основан на фундаментальном законе электродинамики – явлении электромагнитной индукции. В соответствии с ним в проводящей среде, движущейся в магнитном поле, индуцируется электрическое поле, напряженность «Е» которого пропорциональная значению индукции «В» магнитного поля и значению скорости движения среды «V» и не зависит от физических свойств среды (проводимости, температуры, вязкости и т.п.). Направлен вектор напряженности электрического поля перпендикулярно вектору скорости движения проводника и вектору индукции приложенного магнитного поля [8]:
Рисунок 1.5 — К пояснению принципу работы электромагнитного
Электромагнитный кондукционный расходомер состоит из (рис. 1.6): а) измерительного участка трубопровода 1, выполненного из немагнитного материала и имеющего внутреннее изоляционное покрытие; б) магнитной системы 2, расположенной снаружи трубопровода; в) двух электродов 3 (Э1 и Э2), предназначенных для съема индуцируемой в жидкости разности потенциалов, и расположенных на концах диаметра трубы, перпендикулярного направлению движения жидкости и направлению силовых линий магнитного поля, заподлицо с внутренней поверхностью трубопровода.
Рисунок 1.6 — Конструкция электромагнитного расходомера
Важным достоинством электромагнитных расходомеров является от-сутствие выступающих или движущихся в потоке частей. Поэтому такие приборы не нарушают гидродинамическую структуру потока и не создают дополнительного гидравлического сопротивления. Они не требуют постоянного ухода и могут с успехом применяться при измерении расхода жидкостей с примесями и взвесями, кислот, щелочей и многих других загрязненных и агрессивных сред [9], но для трубопроводов большего диаметра технически сложно сформировать во всем сечении трубы однородное магнитное поле требуемой напряженности посредством магнитной системы, располагающейся на поверхности трубопровода, из – за значительного веса и габаритов магнитной системы.
Трубка Пито – Прандтля образует перепад давления в зависимости от скорости потока, существующей в месте её установки. В настоящее время известны трубки Пито - Прандтля различных модификаций, однако их при-менение для измерений локальной скорости в потоках жидкости ограничивается, в основном, лабораторными исследованиями. Это связано, прежде всего, с требованием отсутствия взвесей, примесей и осадков в измеряемой жидкости. Трубкам Пито - Прандтля присущ ряд недостатков, главными из которых являются: а) большая инерционность; б) низкая чувствительность (порядка 15-20 см/с); нелинейность градуировочной характеристики, особенно сказывающаяся при измерении малых скоростей – менее (3 – 5) м/с.
Основным элементом таких расходомеров является гидрометрическая вертушка. Обычно она аксиального типа. Скорость вращения вертушки пропорциональная скорости потока в точке расположения центра вертушки. Практически расходомеры с гидрометрическими вертушками измеряют скорость потока в точке поперечного сечения трубопровода.
Расходомеры с гидрометрическими вертушками для трубопроводов больших диаметров характеризуются незначительными потери напора, которые вызываются размещением первичного измерительного преобразователя скорости (вертушки) в исследуемом потоке. В этом их достоинство.
К недостаткам таких приборов следует отнести наличие в трубопрово-де подвижных частей расходомера и, как следствие, необходимость иметь достаточно сложную систему их смазки. По сравнению с напорными трубками гидрометрические вертушки имеют большие габариты [10].
Недостатки электромагнитных расходомеров, основанных на методе прямого измерения, связанные с большими габаритами, расходом железа и меди, а также энергопитания вынуждают отказаться от таких средств изме-рений и использовать электромагнитные преобразователи скорости с маг-нитным полем, локализованным в зоне установки чувствительных электро-дов. Такие, вводимые в поток электромагнитные расходомеры с локальным магнитным полем, оказываются проще и дешевле, а их преимущество воз-растает с увеличением диаметра трубопровода. Магнитное поле в области чувствительных электродов преобразователя создается миниатюрной катушкой, питаемой переменным током. Кроме того, для повышения чувствительности расходомера могут применяться различного рода концентраторы магнитного поля, располагаемые непосредственно в окрестности электродов.
Перспективность электромагнитных расходомеров с локальным маг-нитным полем обусловлена тем, что они имеют небольшие габариты, мини-мально возмущают поток, технологичны, прочны, обладают низкой металлоемкостью и малым энергопотреблением, легко устанавливаются посредством стандартных вводов в трубопроводах непрерывного действия и т.д. Высокие эксплуатационные показатели таких расходомеров по праву выдвигают их в число наиболее перспективных приборов для измерения расхода водных сред в трубопроводах больших диаметров.
1.В настоящее время отсутствуют надежные измерители, обеспечива-ющие получение достоверной информации о расходе жидких сред в трубо-проводах больших диаметров и удовлетворяющие всем требованиям, предъявляемым к современным средствам измерения расхода.
2.Средства измерения расхода можно разделить на два класса: прямого измерения расхода и косвенного измерения расхода. Приборы, реализующие метод прямого измерения, измеряют непосредственно расход жидкости в трубопроводе; приборы, реализующие метод косвенного измерения, определяют расход жидкости в трубопроводе по скорости потока в одной точке поперечного сечения трубопровода (точке средней скорости) и его площади.
3.Наиболее полно задаче измерения расхода жидких сред в заполнен-ных трубопроводах больших диаметров отвечают расходомеры, основанные на методе определения расхода по скорости потока в одной точке поперечного сечения трубопровода и его площади.
