Творческое задание: Cпособы определения объемов газов и жидкостей, передаваемых по трубам. 9f306 ЛИЦИОН Россия, Республика Бурятия, г.Северобайкальск МОУ Лицей 6, 11 а класс Научный руководитель: Бухольцев Сергей Николаевич, учитель физики МОУ Лицей 6

Общие сведения При определении мощности, производительности и к.п.д. энергетических установок, контроле и управлении производственными процессами требуется точное и надежное измерение расхода различных жидких и газообразных веществ в напорных линиях. Прибор, измеряющий расход, т. е. количество вещества, проходящее в трубопроводах в единицу времени, называют расходомером. Если расходомер снабжен суммирующим устройством со счетчиком, он служит для одновременного измерения расхода и количества вещества и называется счетчиком количества. Показания счетчика выражаются в единицах объема (м³, л) или в единицах массы (кг, т). Соответственно различают измеряемый объемный (м³/ч, м³/с) и массовый расход вещества (кг/ч, кг/с, т/ч).

Расходомеры Перепада давления Переменные Постоянные Электромагнитные Турбинные Шариковые Ультразвуковые Вихревые Объёмные Струйные Корреляционные Классификация расходомеров

Основные показатели расходомеров значение расхода жидкости или газа; тип контролируемой среды (температура, давление, вязкость, плотность, электрическая проводимость, рН); перепад давлений на первичном измерительном преобразователе (датчике); диаметр трубопровода; диапазон (отношение максимального расхода к минимальному) погрешность измерений. В зависимости от физико-химических свойств измеряемой и окружающей среды используются различные методы измерений.

Диапазоны измерений расходов жидкостей, газов и паров разными расходомерами.

Расходомеры переменного перепада давлений Принцип действия: основан на зависимости перепада давлений на гидравлическом сопротивлении (диафрагмы, сопла и трубы Вентури, сопла Лаваля и расходомеры), расположенном в потоке контролируемой среды, от ее расхода Q. Измерения разности давлений p = p1 - p2 осуществляются на прямолинейном участке трубопровода (длиной до 10 и не менее 5 диаметров соотв. до и после гидравлического сопротивления). Достоинства: простоте конструкции и возможности измерений в широком диапазоне значений расхода и диаметров трубопроводов (от десятков до 3000 мм и более); возможности применения для различных по составу и агрессивности жидкостей и газов при т-рах до °С и давлениях до 100 МПа; возможности расчетным путем определять расход без натурной градуировки расходомеры в случае трубопроводов диаметрами мм. Недостатки: небольшой диапазон измерений из-за квадратичной зависимости между расходом и перепадом давлений (3:1); значительные потери давления на гидравлическом сопротивлении и связанные с этим дополнительные затраты энергии. Погрешность 1,5-2,5% от максимального расхода.

Расходомеры постоянного перепада давлений ( ротаметры) Принцип действия: измеряется прямо пропорциональная расходу величина перемещения поплавка h внутри конической трубки под воздействием движущегося снизу вверх потока контролируемой среды. Последний поднимает поплавок до тех пор, пока подъемная сила, возникающая благодаря наличию на нем перепада давлений, не уравновесится весом поплавка. Трубки ротаметров могут быть стеклянными (рассчитаны на давление до 2,5 МПа) и металлическими (до 70 МПа). Приборы работоспособны при температурах от 80 до 400 °С, предпочтительны для трубопроводов диаметром до 150 мм, имеют равномерные шкалы в единицах объемного расхода. Достоинства: возможность измерений расхода жидкостей и газов от весьма малых значений (0,002 л/ч по воде, 0,03 л/ч по воздуху) до высоких ( и до 3000 м³/ч); широкий диапазон измерений (10:1); малые потери давления (до 0,015 МПа). Недостатки: установки на вертикальных трубопроводах; непригодность для измерения расхода сред с высокими давлением и температурой; необходимость разрыва трубопровода для установки конической трубки; погрешность 0,5-2,5% от макс. расхода.

Электромагнитные расходомеры Принцип действия: основан на возникновении э.д.с в проводнике, пропорциональной скорости его движения в магнитном поле. Роль проводника в расходомере играет электропроводная жидкость, а магнитное поле создается внешними устройствами. Измеряя наведенную э.д.с, можно определить среднюю скорость жидкости, а следовательно, и ее расход. Приборы позволяют измерять расход различных пульп, сиропов, агрессивных и радиоактивных жидкостей и т. д. при давлениях обычно до 2,5 МПа (иногда до 20 МПа); диаметр трубопроводов, как правило, мм. Допустимые температуры могут достигать 230 °С. Достоинства: высокое быстродействие; широкий диапазон измерений (100:1); отсутствие потерь давления (приборы не имеют элементов, выступающих внутрь трубопровода); показания приборов не зависят от вязкости и плотности жидкостей. Погрешность 0,5-1,0% от измеряемой величины. Недостатки : чувствительность к помехам от переменных электромагнитных полей; ограничения по электрической проводимости измеряемой среды.

Тахометрические расходомеры Принцип работы: используется зависимость измеряемой тахометром частоты вращения турбинки, приводимой в движение потоком среды (нефтепродукты, растворы кислот и щелочей, нейтральные или агрессивные газы) от ее расхода. Турбинки могут размещаться аксиально либо тангенциально по отношению к направлению движения потока. Диаметр трубопроводов мм; вязкость среды 0,8-750 мм²/с; температура от -240 до 550 °С, давление до 70 МПа; диапазон измерений до 100:1; потери давления 0,05 МПа. Достоинства: определяют расходы жидкостей в широком диапазоне, в трубопроводах диаметром от 4 до 750 мм при давлениях до 250 МПа и температурах от 240 до +700°С, малая инерционность и высокая точность (погрешность 0,5%). применяют для измерения расхода жидкостей с твердыми частицами и агрессивных, а также теплоносителя, показания не зависят от вязкости и плотности вещества. Недостатки: зависимость от расхода и вязкости среды, износ опор турбины.

Шариковые расходомеры Принцип работы: контролируемая жидкая среда закручивается с помощью неподвижного винтового направляющего аппарата и увлекает за собой металлический шарик, заставляя его вращаться внутри трубопровода (перемещению вдоль оси препятствуют ограничительные кольца). Мера расхода - частота вращения шарика, измеряемая тахометром. Диаметр трубопроводов мм; температура среды от -30 до 250 °С, давление до 6,4 МПа; диапазон измерений 10:1; потери давления до 0,05 МПа. В этих приборах в отличие от турбинных отсутствуют опорные подшипники, что позволяет измерять расход жидкостей с мех. включениями и увеличивает ресурс работы. Погрешность не более 1,5% от макс. расхода. Достоинства: расходы жидкостей в широком диапазоне, малая инерционность и высокая точность (погрешность 0,5%). применяют для измерения расхода жидкостей с твердыми частицами и агрессивных сред; показания не зависят от вязкости и плотности вещества. Недостатки: зависимость от расхода и вязкости среды, износ шарика и ограничительных колец.

Ультразвуковые расходомеры Принцип работы: использование разницы во времени прохождения ультразвуковых колебаний (более 20 к Гц) в направлении потока контролируемой среды и против него. Электронное устройство формирует электрический импульс, поступающий на пьезо-элемент П1, который излучает электромеханические колебания в движущуюся среду. Эти колебания воспринимаются через некоторое время пьезоэлементом П2, преобразуются им в электрический импульс, попадающий в электронное устройство и снова направляемый им на пьезоэлемент П1 и т.д. Далее электронное устройство определяет разность f указанных частот, которая пропорциональна скорости (расходу) среды. Достоинства: возможность установки прибора на трубопроводах диаметром от 10 мм и более; измерение расхода любых жидких сред в том числе агрессивных; не имеет контакта с измеряемым веществом. Недостатки: необходимость индивидуальной градуировки, зависимость от профиля скоростей, который меняется с изменением расхода, влияние на показания изменений физико-химических свойств вещества и его температуры, от которых зависит скорость ультразвука. погрешность этих расходомеров при отсутствии коррекции на изменение скорости звука составляет 34 %.

Вихревые расходомеры Принцип работы: основан на зависимости между расходом и частотой возникновения вихрей за твердым телом (металлическим прямоугольным стержнем), который расположен в потоке жидкости или газа. Образованию вихрей способствует поочередное изменение давления па гранях этого тела. Диапазон частот образования вихрей определяется размером и конфигурацией тела и диаметром трубопроводов ( мм). Температура среды обычно от - 50 до 400 °С, реже от -270 до 450 °С; давление до 4 МПа, иногда до - 6,3 МПа; диапазон измерений: для жидкостей 12:1, для газов 40:1. Достоинства: градуировка приборов не зависит от плотности и вязкости контролируемой среды; не зависит от температуры и давления; погрешность 0,5-1,0% от измеряемой величины при числах Рейнольдса Re > 30000; Недостатки: при Re < определение расхода практически невозможно из-за отсутствия вихрей.

Объемные расходомеры Принцип работы : в качестве измерителей объема служат счетчики с цилиндрическими или овальными шестернями, поршневые, с плавающей шайбой, лопастные, винтовые. Они снабжены устройствами выдачи сигналов, пропорциональных объемному расходу вещества. Эти приборы пропускают определенный объем жидкости за один цикл хода чувствительного элемента. Мера расхода - число таких циклов. Диаметр трубопроводов мм; температура среды до 150°С, давление до 10 МПа; диапазон измерений до 20:1. Достоинства: стабильность показаний. Недостатки: необходимость установки фильтров, задерживающих твердые частицы (чувствительный элемент при их проникновении может выйти из строя); износ движущихся деталей, приводящий к увеличению погрешности показаний, которая обычно составляет 0,5-1,0 от измеряемой величины.

Струйные расходомеры Принцип действия: генератор автоколебаний. В приборе часть струи потока жидкости или газа ответвляется и через так называемый канал обратной связи а поступает на вход устройства, создавая поперечное давление на струю. Последняя перебрасывается к противоположной стенке трубопровода, где от нее снова ответвляется часть потока, подаваемая через канал б на вход прибора; в результате струя переходит в первоначальное положение и т. д. Такой переброс происходит с частотой, пропорциональной расходу контролируемой среды, и сопровождается изменением давления в каналах а и б, что позволяет датчику давления воспринимать автоколебания. Диаметр трубопроводов 2-25 мм; температура среды от 263 до 500 °С, давление до 4 МПа; диапазон измерений 10:1. Достоинства: отсутствие подвижных элементов. Погрешность-1,5% от макс. расхода. Недостатки: необходимость установки фильтров, задерживающих твердые частицы; используется только для измерения расхода жидкости

Корреляционные расходомеры Принцип действия: В этих приборах с помощью сложных ультразвуковых и иных устройств осуществляется запоминание в заданном сечении трубопровода (I) характерного "образа" потока контролируемой среды и его послед. распознавание в расходомеры сечении (II), расположенном на определенном расстоянии от первого. Мера расхода - время прохождения "образом" потока участка трубопровода между сечениями. Диаметр трубопроводов мм; температура среды до °С, давление до 20 МПа; диапазон измерений 10:1. Достоинства: независимость показаний от изменений плотности, вязкости, электропроводности и расходомеры параметров жидкости; отсутствие потерь давления. Погрешность 1 % от измеряемой величины. Недостатки: используется только для измерения расхода жидкости.

Практическая часть задания: Самодельный ротаметр постоянного перепада давления (РППД) Принцип действия: основан на обтекании измеряемым потоком вещества чувствительного элемента так, что перепад давления на нем сохраняется постоянным. Это обеспечивается установкой на вертикальных участках трубопроводов с восходящим потоком однородного вещества конусных трубок с чувствительным элементом в них (поплавок или поршень). С изменением измеряемого расхода чувствительный элемент перемещается вверх или вниз, при этом меняется проходное сечение отверстия для потока вещества. Если пренебречь силами трения и динамического напора, можно записать условие равновесия чувствительного элемента (р 1 р 2 ) S=m, где р 1 давление вещества в сечении АА; р 2 давление вещества в сечении В В, которое меньше, чем р 1, из-за ускорения потока в кольцевом сечении между чувствительным элементом и стенкой трубки; S,m. поперечное сечение и масса чувствительного элемента. Таким образом, перепад давления на чувствительном элементе является постоянным и не зависит от расхода среды. АА ВВ

Вход жидкости Выход жидкости Поплавок Конусная трубка Шкала расхода Описание конструкции: Основные элементы ротаметра: стеклянная конусная трубка (длинной 150 мм); поплавок (поршень); шкала расхода жидкости; входные и выходные патрубки. Способ установки: вертикальный. Виды измеряемых веществ: жидкости разной плотности (прозрачные); газы (с минимальным содержанием твердых частиц). пар (температурой от 100 – 150 градусов Цельсия). Требования к градуировки шкалы: градуировка по высоте; отсчёт производится по верхнему обрезу поплавка; индивидуальная для каждого вещества; зависимость расхода близка к линейной; для измерения небольших объемных расходов жидкостей (до 16 м 3 /ч) и газов (до 40 м 3 /ч) Ротаметр РППД показан на рисунке.

Наименование параметра Условный диаметр (мм) 4 Расход воды (м 3 /час) Максимальный Q max 0,8 Номинальный Q n 0,4 Переходный Q t 0,032 Минимальный Q min 0,008 Наибольший объём воды (м 3 ) За час 0,8 За сутки 19,2 За месяц 576 Основные технические данные и характеристики. Под максимальным расходом Q max понимается расход, при котором потеря давления на счетчике не превышает 0,1 МПа, а длительность работы не более 1 часа в сутки. Под номинальным расходом Q n понимается расход, при котором счетчик может работать непрерывно (круглосуточно), Q n =Q max /2. Под переходным расходом Q t понимается расход воды, при котором счетчик имеет погрешность не более 2,5%. Под минимальным расходом Q min понимается расход, при котором счетчик имеет погрешность не более 12%.

Градуировка ротаметра РППД Для градуировки самодельного ротаметра РППД используется водопроводная вода с установленным счетчиком холодный воды СХВ (эталон). По показаниям счетчика наносится шкала расхода воды. Результаты эксперимента: Измерение расхода самовытекающей пресной воды. Q= V/t Определение погрешности измерения: Вода (20 о С) V(л)t(мин) Q(л/мин) 0,23,10,065 0,460,066 0,69,150,065 0,811,50,069 1,014,60,068 1,217,50,068 1,419,20,073 1,622,80,07 Линейная зависимость расхода жидкости. =Q/Q ср Q ср =(0,065+0,066+0,065+0,069+0,068+0,068+0,073+ 0,07)/8=0,068(л/мин), Q=0,073-0,065=0,008(л/мин), =(0,008/0,068)100%=11,7% =11,7%

Применение самодельного ротаметра: Для определения экономичного режима расхода топлива, можно использовать в: мотолодках, снегоходах, культиваторах, автомобилях, бензопилах и др. Для определения расхода воды в бытовых условиях. При настройки на измерения воздуха или газов можно использовать как газовый счетчик объёма.