ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ, МЕТОДОВ И УСЛОВИЙ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ РЕЗУЛЬТАТ ИЗМЕРЕНИЙ ПРИ ОРГАНИЗАЦИИ ИЗМЕРЕНИЙ БЕЗНАПОРНЫХ МНОГОФАЗНЫХ ПОТОКОВ
Анализ принципов построения средств измерения
Средство измерения (расходомер), как любое другое СИ, обладает совокупностью свойств. Главное свойство – способность к преобразованию определяемой физической величины (в данном случае количества воды) в другую величину, которая является удобной для регистрации, хранения и передачи на расстояние. К положительным свойствам расходомера можно отнести стойкость к воздействию различных внешних влияющих величин (таких как, давление, вибрация, удары, температура и т.п.), сохранение работоспособности при их воздействии и свойства преобразования в течение длительного времени и т.д. К отрицательным же – нестабильность закона преобразования во времени, способность преобразования посторонних внешних воздействий и побочных параметров в ту же физическую величину [24].
Рассмотрим наиболее распространенные и широко используемые типы расходомеров для измерения количества безнапорных многофазных потоков.
1.1.1.Ультразвуковые расходомеры
Ультразвуковые датчики измеряют осредненную по лучу скорость потока, на этом принципе основаны ультразвуковые расходомеры для открытых потоков. Излучатели – это приемники колебаний ультразвука, они расположены на противоположных стенках канала. Расстояние от дна канала до осей датчиков выбирают таким образом, чтобы луч проходил в зоне наименьших отклонений величины скорости на среднюю скорость от расчётного значения. Одновременно измеряется уровень жидкости в канале. Сигналы от обоих преобразователей поступают в множительное устройство. Расходомеры, основанные на этом принципе, можно применять при относительно небольших колебаниях расхода (при относительно небольших наполнениях канала), используя аппаратуру для времяимпульсного метода измерения скорости жидкости [16, 18].
|
|
|
Расходомер имеет датчик для измерения уровня и датчики для измерения скорости. Датчики для измерения скорости расположены по хорде, стоящей на расстоянии 0,23 от радиуса от дна канала. Это расстояние принято по аналогии с расходомерами для напорных трубопроводов, чтобы скорость, осредненная по хорде, была равна средней по сечению скорости. В схему прибора встроено устройство, автоматически вводящее коррекцию на скорость (осредненную по хорде) в зависимости от уровня жидкости. Практические испытания, проведенные с ультразвуковым расходомером показывают, что погрешность колеблется в пределах от 2 до 3 % от максимального значения шкалы. Применение такого прибора на практике в системах водоотведения значительно затрудняется принципом расположения датчиков (их необходимо устанавливать в нижней зоне/части трубы). Разработана схема расходомера с приемниками (излучателями), которые располагаются у дна или у поверхности измеряемой жидкости – при такой схеме измерение уровня отдельным прибором не требуется. Преобразователи устанавливают на некотором расстоянии от дна или от поверхности жидкости. Волны ультразвука направляются таким образом, чтобы достигать границу раздела жидкости и воздуха (соответственно, жидкости и самого дна канала) и отражаются от этой самой поверхности. Отраженная волна фиксируется приемником-преобразователем, после этого функции преобразователей меняются. Значение расхода в таком случае – это наименьшее время прохождения волны ультразвука расстояния от преобразователя к преобразователю в направлении потока и в обратном.
|
|
|
Полная глубина потока на скорость потока определяет расход, но в силу неравномерности распределения скоростей в поперечном сечении в уравнение расхода необходимо добавлять гидромеханический коэффициент. Приведенная погрешность расходомера достаточно высокая, зависящая от параметров измеряемой жидкости (например, температуры) и оценивается не менее ±5 %.
|
|
|
Схема ультразвукового расходомера приведена на рис. 1 (1).
Достоинства и недостатки применения ультразвуковых расходомеров приведены в табл.1.
Электромагнитные расходомеры
Электромагнитный метод позволяет одновременно измерить и скорость, и уровень жидкости безнапорных канала с помощью одного и того же датчика [16, 18].
В безнапорных каналах прямолинейные металлические электроды из немагнитного материала (нержавеющая сталь) допустимо располагать вдоль противоположных стенок канала под определенным углом (α) к направлению вектора индукции магнитного поля катушек возбуждения. Их нижние концы соединяются с измерительной схемой, таким образом высчитывается площадь витка:
| (1) |
где, h – уровень жидкости в канале.
В электромагнитном расходомере для безнапорных потоков каждая составляющая выходной ЭДС определяется с помощью автоматического компенсатора (прямоугольно-координатного), что позволяет при питании катушек возбуждения и измерительной цепи общим рабочим током устранить влияние частоты на выходной сигнал и обеспечить раздельное уравновешивание и измерение ЭДС, также, устранить всяческое влияние изменения индукции.
Для создания магнитного поля используется катушка седловидная, так как ее провода не пересекают верхнюю открытую часть канала, получается, что катушка как бы вмонтирована в дно и стенки канала.
|
|
|
Собственно, опираясь на этот принцип и создан электромагнитный расходомер для каналов естественных русел и большой ширины. Только в этом случае катушку заменяют многожильным кабелем, уложенным по боковым откосам канала и по дну. Но такие расходомеры нуждаются в градуировке их на месте монтажа, а электронная аппаратура, применяемая для обработки сигналов с электродов, достаточно сложна в использовании.
Электромагнитные расходомеры для безнапорных потоков жидкости не имеют широкого распространения, хоть и являются достаточно удобными для измерения расхода «агрессивных» сточных жидкостей (с большим количеством взвешенных частиц).
Схема электромагнитного расходомера приведена на рис. 1 (2).
Достоинства и недостатки применения электромагнитных расходомеров приведены в табл. 1.
Лотки Вентури
Лотки Вентури представляют собой сооружения, вызывающие сжатие потока и перепад уровней воды. Измерения производят при критической скорости в горловине, когда расход зависит только от уровня воды в верхнем бьефе, то есть когда лоток работает со свободным истечением (не затоплен). Это условие обеспечивается при соотношении 
.
Различают лотки Вентури для каналов прямоугольного, трапецеидального и U-образного поперечного сечения. Кроме того, каждый из этих типов лотков Вентури может быть с боковым сжатием, с донным порогом и комбинированным (с боковым сжатием и донным порогом) [11, 16].
Наибольшее распространение получили лотки Вентури для каналов прямоугольного поперечного сечения с боковым сжатием.
Конструктивно лотки Вентури выполняют монолитными, например, железобетонными. Такие лотки должны сооружаться одновременно с каналом. Недостатком их конструкции является сложность выполнения с заданными размерами горловины и других частей.
Каркасные лотки лишены указанных недостатков. Внутренние (рабочие) поверхности их могут быть выполнены из материалов, не корродирующих в измеряемой жидкости (винипласт, обрезиненный металл и тому подобное). Кроме того, их легко устанавливать в существующих каналах.
Основное уравнение расхода для лотка Вентури записывается в виде:
| (2) |
где, b – ширина горловины; h – напор (уровень); Се –коэффициент истечения; С υ –коэффициент скорости подхода.
Рабочая формула расхода, м3/ч, имеет вид:
| (3) |
где, h – измеряют в метрах вод. ст.; b – в метрах.
Значения коэффициентов Се и Сυ (коэффициент истечения и коэффициент скорости подхода соответственно) для лотка Вентури без порога берут из стандартной таблицы значений коэффициентов.
Отклонение коэффициента истечения Се от осредненного постоянного значения зависит от колебания расхода – от диапазона измерений.
При расчётах лотков Вентури коэффициент расхода назначают, исходя из значения среднего расхода (обычно, в течение суток).
Лотки Вентури с порогом и комбинированные (с горловиной и порогом) не получили широкого распространения вследствие того, что они сложнее в изготовлении и эксплуатации, чем лотки с горловиной и плоским дном. Лотки Вентури трапецеидального поперечного сечения также не получили широкого распространения из-за того, что не имеют существенных преимуществ перед другими лотками, встроенными в каналы трапецеидального сечения (например, перед лотками Вентури с горловиной прямоугольного сечения), а изготовление их сложнее и точность измерений ниже [11].
Схема лотков Вентури с боковым сжатием и с донным порогом приведена на рис. 1 (3).
Достоинства и недостатки применения лотков Вентури приведены в табл. 1.
Рисунок 1 – Схемы расходомеров для безнапорных многофазных потоков
Таблица 1 – Достоинства и недостатки применения конкретного типа расходомера
| Достоинства | Недостатки |
| Лотки Вентури | |
| Низкая стоимость | Низкая точность измерений |
| Широкое применение на водоводах больших диаметров | Сложность изготовления |
| Простота конструкции и ее изготовления | Сложность в процессе эксплуатации |
| Измерение расхода максимально загрязненной жидкости | Высокая стоимость и материалоемкость |
| Долговечность | Неравномерность расходной шкалы |
| Измерения на больших диаметрах имеют очень малую точность | |
| Ультразвуковые расходомеры | |
| Малое или полное отсутствие гидравлического сопротивления | Ограничения по минимальной скорости потока (на выходе после преобразования из безнапорного) |
| Единственный расходомер, способный работать с накладными датчиками | Необходимость частого контроля отложений в трубопроводе на его рабочем участке |
| Высокая точность измерения | Сложность и высокая стоимость приборов |
| Надежность | |
| Быстродействие | |
| Помехозащищенность | |
| Широкий диапазон диаметра трубопровода | |
| Малая инерционность | |
| Широкий диапазон температур | |
| Электромагнитные расходомеры | |
| Удобство для измерения расхода агрессивных сточных жидкостей с большим количеством взвешенных частиц | Поляризация измерительных электродов |
| Возможность применения в трубах любого диаметра | Конструктивная сложность |
| Работают с короткими прямыми участками, т.к. дает среднюю скорость по площади водовода | Необходимость градуировки на месте установки |
| Отсутствие потери давления | Необходимость постоянного усовершенствования схем приборов |
| Линейность шкалы | |
| Высокое быстродействие | |
Дата добавления: 2019-07-15; просмотров: 139; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!