Вихревые и массовые расходомеры.

В вихревых расходомерах значение расхода определяется по частоте вихрей Кармана, возникающих как при введении в поток тела обтекания, так и при специальном закручивании потока. К достоинствам этого метода можно отнести:

• возможность измерения расхода жидких и газовых сред;

• отсутствие движущихся элементов в потоке и простота устройства;

• широкий динамический диапазон, достигающий 25;

• широкий диапазон давлений и температур измеряемых сред;

• высокая точность.

К недостаткам этого метода относятся:

• ограничения по диаметру трубопровода D = (20... 150) мм;

• ограничения по вязкости, которая не должна превышать 5∙10-5 м2/с;

• для обеспечения устойчивого вихреобразования скорость потока должна быть не менее 0,2 м/с;

• наличие потери давления, достигающей 30 кПа;

• воздействие на преобразователь акустических и вибрационных помех, создаваемых насосами, компрессорами, местными сопротивлениями. Для снижения влияния последних необходимо обеспечить определенную длину линейных участков до и после вихревого преобразователя.

Наибольшее распространение получили вихревые расходомеры с телом обтекания, которое находится на пути потока и изменяет направление движения омывающих его струй. Характер движения потока при обтекании цилиндра и образование вихрей представлены на рис. 14.4. При обтекании цилиндра скорость потока возрастает, кинетическая энергия растет, а потенциальная падает. После миделева сечения, где площадь минимальная, поток расширяется, скорость его снижается и давление растет. Под влиянием возрастающего давления пограничный слой начинает отклоняться в область мертвой зоны, создавая встречный потоку свертывающийся вихрь. Развитие вихря с одной стороны препятствует образованию вихря с другой, поэтому создаются две вихревые дорожки с шахматным расположением вихрей в них.

Рис.

Процесс вихреобразования характеризует число Струхаля

Sh = fd/u,

где f — частота образования вихрей;

и — скорость потока;

d — характерный размер тела обтекания, для цилиндра это диаметр.

При постоянстве Sh частота образования вихрей меняется пропорционально изменению скорости потока. Таким образом, для получения линейной зависимости между f и и необходимо, чтобы число Струхаля оставалось постоянным в широком диапазоне чисел Re.

На процесс вихреобразования влияет вибрация трубопровода создаваемая насосами, компрессорами, акустические колебания, возникающие из-за местных сопротивлений и внешних шумов. Наиболее распространенной формой тела обтекания, создающей устойчивые вихри, является призма с треугольным или трапецеидальным сечением, обращенная основанием навстречу потока. Рекомендуется чтобы длина основания l составляла l/3D, а высота по направлению потока 1,3l. Для таких тел при острых ребрах число Sh остается постоянным в области чисел Re 104...4∙106 при нелинейности градуировки не превышающей ±0,5 %.

Для измерения частоты возникающих вихрей могут использоваться электромагнитные, акустические, силовые преобразователи и термоанемометры. Так, в вихревом микропроцессорном расходомере ВЭПС ф. «Саяны» телом обтекания служит призма, которая является одним электродом электромагнитного преобразователя. Второй электрод расположен за телом обтекания. Магнитное поле создается внешним постоянным магнитом. Динамический диапазон прибора составляет 25 при пределе относительной погрешности ±1 %. Прибор изготавливается для трубопроводов диаметром 20...300 мм. На эти приборы распространяются все ограничения которые относятся к электромагнитным расходомерам.

В вихреакустических микропроцессорных преобразователях расхода «Метран-ЗООПР» частота образования вихрей измеряется ультразвуковым преобразователем, основанным на доплеровском эффекте. Телом обтекания служит призма, в проточную часть преобразователя помимо нее введены два пьезоизлучателя, два пьезоприемннка и термопреобразователь.

Пьезоизлучатели и пьезоприемники находятся в двух парах стаканчиков, введенных в одном сечении диаметрально противоположно друг другу в корпус проточной части за телом обтекания. На пьезоизлучатели подается переменное напряжение, которое преобразуется в ультразвуковые колебания. Наличие вихрей на пути луча вызывает модуляцию ультразвуковых колебаний по фазе, которые измеряются фазовым детектором. Использование двухлучевых преобразователей снижает влияние таких отрицательных факторов как вибрация трубопровода, пульсация давления. Наличие термопреобразователя и введение его сигнала в микропроцессор обеспечивает расширение динамического диапазона прибора, который достигает 100 при пределе основной погрешности ±1 %.

В вихревых расходомерах типа 8800А фирмы Rosemount в качестве чувствительного элемента, воспринимающего колебания давления, создаваемые вихрями Кармана, служит гибкая пластинка, находящаяся за телом обтекания. Колебания пластинки с помощью коромысла воздействуют на тензопреобразователь, находящийся вне потока. Схема преобразователя и структурная схема электронного блока, преобразующего сигнал тензопреобразователя в токовый и импульсный выходные сигналы, в том числе в соответствии с HART-протоколом, показания расхода на цифровом дисплее, представлена на рис. 14.5. Эти преобразователи устанавливаются в трубопроводах диаметром 15...200 мм. Предел относительной погрешности для жидкостей при Re > 20000 составляет ± 0,65 %, для газов и пара при Re > 15 000 ± 1,35%.

Рис. 14.5. Схема вихресилового расходомера:

а — схема фрагмента сенсора; б — структурная схема электронного блока

Массовые расходомеры являются разновидностью силовых расходомеров, у которых выходной сигнал или показания пропорциональны массе протекающего вещества. В массовых расходомерах используются кориолисовы силы, поэтому их часто называют кориолисовыми расходомерами.

Кориолисово ускорение и связанная с ним сила возникают при наличии радиального переносного движения среды во вращающемся или вибрирующем трубопроводе. Для участка трубопровода, изображенного на рис. 14.6, закручивающий момент, действующий на торсионную трубку 1, составляет

где и — скорость радиального движения жидкости в трубках сечением F при угловой скорости их вращения ω;

r2 — радиус наружного конца трубки 2, имеющей эластичное соединение 3 с концом ведущей трубки 4;

r1 — средний радиус, на котором прекращается движение жидкости в радиальном направлении;

GM — массовый расход жидкости.

Рис. 14.6. Силы, действующие в кориолисовом расходомере:

1 — торсионная трубка; 2 — трубка с эластичным соединением 3,4 — ведущая трубка

В массовых расходомерах фирмы Micro Motion используются первичные преобразователи с изогнутой трубкой и прямоточные. В этих преобразователях измеряемая среда движется внутри вибрирующей мерной трубки специальной формы. Под действием кориолисовой силы части мерной трубы изгибаются друг относительно друга, что приводит к рассогласованию фаз колебаний ее разных участков, которые воспринимаются электромагнитным преобразователем.

Теплосчетчики. Теплосчетчик — средство измерения, предназначенное для определения количества теплоты. Количество теплоты обычно выражается в гигаджоулях (ГДж) или гигакалориях (Гкал), 1 Гкал = 4,1868 ГДж.

Теплосчетчики получили широкое распространение, поскольку по их показаниям производятся расчеты за полученную потребителями теплоту. Теплосчетчики устанавливаются как на источниках теплоты: ТЭЦ, РТС (районные тепловые станции), так и у потребителей, теплоносителем служит вода, редко — пар.

Алгоритмы расчета количества теплоты. Реализуемые в теплосчетчиках алгоритмы расчета теплоты зависят от вида теплоносителя и структуры системы отпуска теплоты. Последняя, изображенная на рис. 14.7, может быть закрытой, когда количество теплоносителя в системе теплоснабжения остается постоянным, и открытой, когда количество теплоносителя меняется из-за отпуска теплоносителя на нужды горячего водоснабжения, подпитку независимой системы теплоснабжения, из-за утечек.

Рис. 14.7. Схема закрытой системы теплоснабжения

В закрытой системе теплоснабжения количество отданной теп­лоты Q за интервал времени T1, Т2 рассчитывается по формуле

(14.3)

где GM — массовый расход теплоносителя;

h1, h2 — энтальпии теплоносителя на входе и выходе системы теплоснабжения;

Т — время.

Для расчета количества теплоты, отданной водой в открытой системе теплоснабжения, используются несколько алгоритмов, зависящих от структуры системы, используемых средств измерения расхода теплоносителя и места их установки:

где G1, G2 — расходы воды в подающем (прямом) и обратном трубопроводах;

Gу , Gп , Gг.в. , Gп.о. — расходы теплоносителя, связанные с утечкой теплоносителя, компенсацией его потерь (подпитка) Gп = G1 - G2, горячим водоснабжением и подпиткой независимой системы отопления;

hх.в. — энтальпия холодной воды, пошедшей на подпитку теплосети у источника теплоснабжения.

Возможны другие варианты записи алгоритмов расчета отпущенной теплоты, основанные на значении расхода в обратном трубопроводе G2.

Если в качестве теплоносителя используется пар, то

(14.7

где Dп , Gк , hп , hк — расходы пара и возвращенного конденсата,их энтальпии.

Для расчета количества теплоты по выражениям (14.3)—(14.7) необходимо измерять расходы теплоносителя, температуры, давления и суммировать результаты расчета во времени. Определение количества теплоты представляет собой косвенное измерение, его погрешность зависит:

от погрешностей первичных средств измерения расхода или его разности, разности температур и давления;

от алгоритма расчета теплоты;

от погрешности тепловычислителя, которая помимо инструментальной погрешности включает погрешности расчетных соотношений, аппроксимирующих теплофизические свойства воды и пара.

Обычно погрешности тепловычислителя при расчете теплоты составляют ±(0,1...0,25) %, для измерения разности температур используются парные термопреобразователи сопротивления. Минимальные погрешности имеют теплосчетчики для закрытых систем теплоснабжения, реализующих алгоритм (14.3). Пределы их допускаемых относительных погрешностей в %, согласно ГОСТ 51649-2000 «Теплосчетчики для водяных систем теплоснабжения», не должны превышать значений, рассчитываемых по формулам для классов:

где— действующие значения разности температур (t1 — t2) и расхода;

— наименьшее значение разности температур по паспорту прибора и наибольшее значение расхода.

Так, для теплосчетчика класса С при Δtн = 2 ºC, Δt = 5 ºC, Gв /G = 10 = 10 предел погрешности составит ±3,61%, а при Δt = 20 ºC, Gв /G = 2 он не должен превышать ± 2,42 %. Наиболее распространенные теплосчетчики имеют пределы относительной погрешности от ± 3 до ± 6 % в зависимости от измеряемой разности температур. При оценке погрешностей этих теплосчетчиков для закрытых систем теплоснабжения суммируются пределы относительных погрешностей измерения расхода, разности температур и тепловычислителя. Полученная суммарная погрешность не должна превышать в зависимости от класса теплосчетчика цифр, определяемых по (14.8)—(14.10).

В открытых системах водяного теплоснабжения и при теплоносителе паре, для которых расчет теплоты производится по (14.4), (14.6), (14.7) погрешности существенно возрастают из-за присутствия в алгоритме расчета двух и более значений расходов и их разностей. Для снижения погрешностей рекомендуется использовать расходомеры с согласованными характеристиками, подобно парным термопреобразователям. При непосредственном измерении расхода подпиточной воды и расчете теплоты по (14.5) погрешность учета ниже, чем при расчете по (14.4), (14.6).