Архив метки: измерение

7.14. Измерение переменных расходов

В практике измерения переменных расходов приходится иметь дело с двумя наиболее типичными измерительными задачами:

измерение мгновенного значения расхода, что характерно, для систем автоматического регулирования технологическими процессами, управле­ния работой энергетических установок или измерений в условиях суще­ственного систематического „тренда" (монотонного возрастания или уменьшения) расхода;

измерение среднего (осредненного за достаточно большой промежу­ток времени) расхода, что характерно для систем учета или измерений пульсирующих относительно какого-либо среднего значения расходов.

Качественное (обеспечивающее приемлемую точность измерений) решение каждой из этих задач достигается правильным выбором динами­ческих характеристик применяемых расходомеров или умением оценить дополнительную динамическую погрешность при известных динамичес­ких характеристиках расходомеров.

Наиболее полно динамические свойства любой измерительной систе­мы (ее инерционность, обусловливающую запаздывание и искажение вы­ходного сигнала относительно входного) описываются переходной ха­рактеристикой — зависимостью выходного сигнала от изменяющегося во времени входного при заданных параметрах измерительной системы.

В расходоизмерительной практике наиболее часто приходится иметь дело с двумя классами приборов, отличающихся видом переходной ха­рактеристики, а следовательно, и обобщенными динамическими свойст­вами. К первому классу относятся расходомеры, представляющие собой инерционное звено первого порядка, переходная характеристика кото­рых описывается линейным дифференциальным уравнением первой сте­пени

^                                             (7-67)

где у — выходной сигнал (показания) расходомера, выраженный в еди­ницах входного сигнала (расхода) Q (t); Т — постоянная времени расхо­домера, с.

Величина Г характеризует инерционное запаздывание выходного сиг­нала и определяется следующим образом. Если на вход прибора подать скачкообразный импульс расхода AQ, то в соответствии с переходной ха­рактеристикой (7.67) изменение выходного сигнала Ду будет описывать­ся уравнением

Ду = Де(1-<Г*/г).                    (7.68)

Из этого уравнения следует, что полное соответствие выходного сиг­нала действительному значению расхода (при ТФО) наступит лишь при t ~ °°, т. е. в связи с инерционностью расходомера переходный процесс (процесс установления действительного значения выходного сигнала) длится бесконечно долго.

При t = Т, как следует из формулы (7.68), Аут
= 0,632Ag. Следова­тельно, постоянная времени Т соответствует времени, в течение которого изменение выходного сигнала достигает значения 0,632 от полного скач­кообразного импульса входного сигнала.

Напомним еще раз, что значения выходного сигнала при этом долж­ны быть выражены’ (через коэффициент преобразования или по имено­ванной шкале) в единицах входного.       

К расходомерам, переходная характеристика которых описывается линейным дифференциальным уравнением первой степени вида (7.67), относят, например, турбинные, тепловые и гидродинамические. Естест­венно, такое „отнесение" носит приближенный характер, однако сущест­венно облегчает практические расчеты динамических погрешностей рас­ходомеров.

Так, решение уравнения (7.67) для случая изменяющегося с посто­янной скоростью а расхода (Q = at) имеет вид

у = а(т-Т) +аТе»т.                   (7.69)

Следовательно, абсолютная динамическая погрешность измерения расхода в этом случае

Ау = у — at = aT(e-t/T — 1),         (7.70)

а максимальное ее значение

Решение уравнения (7.67) для случая пульсирующего (относительно среднего значения Qcp) с амплитудой В и частотой со расхода (Q = Qcp + + Bsincot) имеет вид

 e),                      (7.71)

где -у =               —; е = arctg — cot.

V и,2 ГJ + 1

Следовательно, относительная динамическая погрешность измерения мгновенных значений пульсирующего расхода приборами, представляю­щими собой инерционное звено первого порядка

6 v =—————— [7 sin (cjf + е) — sin ш].   (7.72)

2(е   + вО

»,wv * -^r- ‘ -~-^г •                         (7-73)

Максимальное значение этой погрешности J’max

И наконец, на основании формулы (7.71) относительная динамичес­кая погрешность измерения средних (осредненных за время То) значе­ний пульсирующего расхода

 В

7.14. Измерение переменных расходовФормулы (7.70), (7.73) и (7.74) позволяют определить расчетное значение постоянной времени Т по заданным допускаемым значениям динамических погрешностей (при известных а, В, со к Qcp) или оценить

эти погрешности при известных расчетно или экспериментально опреде­ленных) значениях Г.

Величина Т зависит от характеристик (массы, геометрических разме­ров, моментов инерции и других) подвижных элементов и линий связи измерительных преобразователей расходомеров.

Так, для турбинных расходомеров с аксиальным ротором постоян­ная времени определяется выражением

Г=-^<р’^-+р).                              (7.75)

где / — длина лопасти ротора; S — площадь живого сечения потока в зоне ротора; р, р — плотности измеряемой среды и материала ротора соответ­ственно; /р, /ж — моменты инерции плоского сечения ротора и сечения, заполненного жидкостью, соответственно.

Как следует из формулы (7.75), в общем случае Т зависит не только от конструктивных параметров измерительных преобразователей, но и от значений входного сигнала Q.

Переходная характеристика расходомеров второго класса (к кото­рым относят расходомеры переменного и постоянного перепада давле­ний) описывается линейным дифференциальным уравнением второго по­рядка

Tl^-^T3^-+y = Q(t),                              (7.76)

где Тс характеризует время или круговой период свободных колебаний подвижной системы прибора, а постоянная времени Т3 — время запазды­вания прибора.

Отношение (3 = TJ2TC называется степенью успокоения или демпфи­рования прибора.

Выводы, аналогичные приведенным выше (для инерционных звеньев первого порядка), дают следующие выражения для оценки относитель­ных динамических погрешностей расходомеров данного класса:

5′ = ^3_(e-w_l),                    (7.77)

Г3
+ V Tl Т\ ‘        Q

где о =—————-   — при измерении мгновенных значении мо-

2Г2

нотонно изменяющегося с постоянной скоростью а расхода;

«; = ^(«-0,                              (7-78)

где а = ——^z====r———— ‘при измерении мгновенных значе-

 {a[cose’ — cos(c;7ro + e’) + coscjJo — l} ,      (7.79)

ний пульсирующего с амплитудой В и частотой со расхода;
В__

збср

где е = arctg— ——  — при измерении осредне,щодх з’а^ремя То

значений пульсирующего расхода.   *

Как следует из приведенных формул, динамические погрешности расходомеров при известном виде переходной характеристики целиком определяются их постоянными времени — для линейных переходных характеристик первого порядка, Тс и Т3 — для линейных переходных характеристик второго порядка). Чем меньше Т; Тс и Т3, тем лучше инерционные свойства прибора и тем меньше динамические погрешности измерения параметров переменных расходов. Обычно Тс в 3—4 раза меньше постоянной времени запаздывания Т3 (Т), которая у турбинных и тепловых расходомеров составляет 0,005—0,1 с, у ротаметров — 0,5—3 с (в зависимости от массы поплавка, геометрических параметров поплав­ка и трубки), у электромагнитных и ультразвуковых расходомеров — 0,0001—0,001 с, у расходомеров с сужающими устройствами (в зависи­мости от типа и конструктивных особенностей используемых дифмано-метров, длин и диаметров соединительных трубок, плотности заполняю­щих систему дифманометров жидкостей) — 0,5—10 с.

Следовательно, расходомеры переменного перепада давлений в об­щем случае являются наиболее (среди других типов расходомеров) инерционными приборами и наименее пригодны для измерения парамет­ров пербменных расходов. Данное обстоятельство усугубляется и нали­чием у этих расходомеров дополнительной динамической погрешности, обусловленной квадратичной зависимостью расхода и перепада давлений. Действительно, квадратный корень из измеренного дифманометром среднего перепада давлений больше среднего значения корня из перепа­да, характеризующего осредненный за время То расход, т. е.

7.14. Измерение переменных расходов 4- f °<р> -ft) * > -#■

Вследствие этого при измерении средних значений пульсирующего с амплитудой В расхода будет возникать дополнительная погрешность

7.14. Измерение переменных расходов8к = (V 1 + —Щг~ *) * 100%-             (7-8°)

И тем не менее в практике довольно часто встречаются случаи изме­рения пульсирующих расходов расходомерами переменного перепада давлений. Наилучшим способом уменьшения существенных динамичес­ких погрешностей при этом является сглаживание пульсаций специаль­ными фильтрами-успокоителями. Отметим, что этот способ пригоден и Для уменьшения динамических погрешностей расходомеров любых ти­пов. Пульсация сглаживается тем сильнее, чем больше объем системы V (включая и емкость фильтра-успокоителя) между источником пульса­ций и сужающим устройством и чем больше падение давления на этом участке, соответствующее среднему расходу Qcp.

Для оценки сглаживающего эффекта служит безразмерный критерий успокоения пульсаций, предложенный П.П. Кремлевским

к(7>81) К СсрРср

или                         К=4пк,

где Те. — показатель адиабаты измеряемой среды (в случае измерения пульсирующих расходов газов или пара).

Необходимая величина к (или Л)»обеспечивающая приемлемые зна­чения динамических погрешностей расходомеров переменного перепада давлений, зависит от характера пульсаций. Для одноцилиндровых гид­равлических машин характер пульсаций определяется коэффициентом подачи S, равным отношению времени ts
движения потока за один пери­од ко времени т0
полного периода, т. е. S — т$/т0 ■

Для многоцилиндровых гидравлических машин коэффициент нерав­номерности расхода 0 равен отношению минимального мгновенного рас­хода бпшг к максимальному мгновенному расходу Qmax-

3.5. Перспективы развития поршневых манометров

Перспективы развития поршневых манометров тесно связаны с об­щим развитием науки и техники. Здесь, в первую очередь, следует отме­тить достижения в создании новых материалов поршневых пар, повы­шающих точность их изготовления, прочностные характеристики и изно­состойкость, а также достижения в развитии микроэлектроники, пред­ставляющие новые возможности автоматизации поршневых манометров.

Повышение качества изготовления поршневых пар — одна из важней­ших задач в развитии поршневой манометрии. Применение в качестве материалов поршневых пар сверхтвердьи сплавов на основе карбида вольфрама, прочностные характеристики которых (твердость, модуль упругости) существенно выше, чем у обычно применяемых легирован­ных сталей, а температурный коэффициент линейного расширения ниже, позволяет соответственно снизить влияние измеряемого давления и тем­пературы на постоянство эффективной площади поршня и ее стабиль­ность в период эксплуатации манометра. При этом зазор уменьшается

до 0,1—0,3 мкм, что о еспечивает идеальную цилиндрическую форму по­верхностей поршневой пары, а следовательно, возможность определения эффективной площади поршня абсолютным (фундаментальным) мето­дом по результатам измерений диаметров поршня и цилиндра с эталон­ной точностью (&F < 0,001 %). Указанная точность в сочетании с метода­ми непосредственного сличения эталонов делает реальным уже в ближай­шие годы создание эталонов давления с погрешностью измерений менее 0,0005 %.

Совершенствование технологии изготовления поршневых пар разви­вается также в направлении создания манометров с наборами поршне­вых пар с различной эффективной площадью, имеющих заданные номи­нальные значения, которые позволяют при применении одного и того же комплекта грузов получать различные диапазоны измерений. При изго­товлении таких поршневых пар необходимы прецизионные круглошли-фовальные станки с программным управлением, обеспечивающие обра­ботку поршней и цилиндров с погрешностью менее 1 мкм. Наиболее по­следовательно указанное направление развивает фирма „Desgranges & Huot" (Франция), которая изготовляет манометры с взаимозаменяемы­ми поршневыми парами, имеющими эффективные площади 0,02; 0,05; 0,1, 0,2; 0,5; 1; 2; 5;. 10 см2, что позволяет на одном.манометре про­водить измерения в девяти различных диапазонах.

Развитие.электронной техники и, в частности, выпуск в обращение высокоточных электронных весов привели к созданию поршневых ма-, нометров с цифровым отсчетом, позволяющих непосредственно изме­рять давление во всем диапазоне без применения грузов. Сочетание ста­бильности поршневой пары, преобразующей измеряемое давление в си­лу, с эксплуатационными удобствами электронных весов, представляю­щими результат измерения на цифровое табло, позволяет перевести поршневую манометрию на качественно новый уровень — автоматизи­рованный. Применение микропроцессорной техники дает возможность учитывать влияние температуры и местного ускорения свободного паде­ния, отклонение действительной площади поршня от номинального зна­чения, а также получать результаты измерений в требуемых единицах давления.

Измерительная система манометра (рис. 31) содержит поршневую пару, состоящую из взаимно притертых поршня 1 и цилиндра 2; элект­ронные весы 9 с цифровым отсчетом и устройство для сопряжения порш­невой пары с весами, в которую входит распорка 6, шарнирно связан­ная шарами 5 и 7 с поршнем и присоединительным гнездом электронных весов. В связи с необходимостью вращения поршня вокруг его оси во время измерений между поршнем 1 и шариком 5 помещен опорный шариковый подшипник 4. Таким образом, по принципу действия изме­ряемое давление поршневой парой преобразуется в силу, которая опре­деляется по показаниям цифровых весов. Предусмотрена комплектация манометра сменными поршневыми парами с эффективной площадью от 10 до 0,02 см2, что позволяет измерять давления в диапазонах от 0 — 60 кПа до 0-30 МПа. Погрешность измерений, определяемая погрешнос-

3.5. Перспективы развития поршневых манометров

тями поршневой пары и электрон­ных весов, составляет 6р
= 1 X X 10"4 + 5 • 10~s Pmax/P, где р -измеряемое давление; ртах — верхний предел измерений.

Как видно из формулы, при р ~> 0,5 Ртах погрешность измере­ний др < 0,02 %, что соответствует требованиям к образцовым мано­метрам 1-го разряда.

Помимо удобств, связанных с цифровым отсчетом давления без необходимости наложения грузов, электронные весы имеют стандарт­ный выходной сигнал на системы автоматизации и обработки резуль­татов измерений. Следует, однако, отметить, что электронные весы требуют периодического контроля, для проведения которого поршне­вая пара со стойкой 3 отсоединяет­ся от весов, а на кольцевой выступ 8 подпятника весов накладываются специальные калибровочные грузы. Тем не менее, перспективность дан­ного принципа действия для даль­нейшего развития поршневых мано-

Рис. 31. Цифровой поршневой манометр   метР0В
очевидна.

Далеко не исчерпаны возмож­ности дальнейшего развития авто­матизированных задатчиков  давления. Помимо   повышения качества изготовления поршневых пар как цилиндрических, так и нецилиндри­ческих, необходимо отметить следующие первоочередные направления:

повышение уровня автоматизации задатчиков и, в частности, автома­тическое введение поправок;

расширение диапазона измерений задатчиков с нецилиндрическим поршнем с переходом на жидкость в качестве рабочей среды.

7.13. Измерение расхода многофазных сред

В расходоизмерительной практике довольно часто встречаются зада­чи, связанные с измерением расхода двух- или трехфазных сред. К наибо-

лее типичным промышленным средам относятся влажный пар, нефтега­зовые смеси, пульпы, пылеугольное топливо (смесь воздуха с угольным порошком), водогрунтовые смеси, низкокипящие криогенные вещества, поток которых в отдельных случаях представляет смесь жидкой, газооб­разной и твердой (шуги) фаз.

Трудности обеспечения приемлемой (в некоторых случаях довольно высокой, характеризуемой допускаемой погрешностью 2—3 %) точности измерения расхода таких сред обусловливаются множеством физических и технических причин, главные из которых — различие скоростей течения фаз через первичные преобразователи применяемых расходомеров (на­пример, сужающие устройства); неоднородность распределения фаз по сечению потока; значительные флуктуации скоростей, давлений и кон­центраций фаз.

Основными параметрами многофазных сред, определяющими отли­чительные особенности их движения по трубам и степень влияния указан­ных выше причин на точность измерения расхода, являются массовая концентрация фаз в потоке и их плотность. Вследствие этого, как прави­ло, приходится измерять расход таких сред в единицах массы (массовый расход) или объемный расход и плотности, фаз, что также вносит допол­нительные технические трудности.

Наличие значительных флуктуации параметров многофазных сред при их течении по трубам и каналам затрудняет, а в ряде случаев делает невозможным, измерение мгновенных или осредненных за малый проме­жуток времени значений расхода. Так, при движении газожидкостных смесей по трубам при некоторых концентрациях (относительном содер­жании) жидкой и газообразной фаз и определенных скоростях поток смеси приобретает „пробковый" характер (смесь движется в виде после­довательных „пробок" жидкости и газа, занимающих все сечение трубо­провода, — то только жидкость, то только газ). Естественно, при этом понятие мгновенного расхода смеси теряет смысл.

Вследствие отмеченного на практике в большинстве случаев измеря­ют средний (осредненный за достаточно большой промежуток времени — не менее 40—60 с) расход многофазных потоков.

Среди множества измерительных задач, возникающих в практике из­мерения расхода многофазных сред, можно выделить две наиболее ти­пичные:

1) измерение общего (суммарного) расхода среды (смеси);

2) измерение расхода отдельных компонентов (фаз) смеси, напри­
мер, сухой части влажного пара или твердой фазы во взвесенесущем по­
токе.

Каждая из этих задач решается своими специфическими технически­ми способами и приемами.

Так, для измерения общего (суммарного) расхода Мс диспергиро­ванных двухфазных сред (сухой пар + влага; воздух + угольная пыль и т. п.) наиболее распространены расходомеры с сужающими устройствами.

Как показали результаты теоретических и экспериментальных иссле­дований, рабочая формула измерений при этом (связь между расходом и перепадом давлений Ар на сужающем устройстве) имеет вид

Мс
= aePFo \f~2pc^F-               
(7.57)

Данная формула отличается от рассмотренных ранее уравнений мето­да переменного перепада давлений тем, что в нее входит коэффициент /3, зависящий в общем случае от массовой концентрации 7j тяжелой фазы (массовой доли тяжелой фазы в смеси), плотностей легкой рл и тяжелой рт фаз, геометрии сужающего устройства и скоростей течения фаз в при­емном преобразователе. Кроме того, сомножителем перед Ар в данную формулу входит плотность смеси

рс =———- !*_^— .                       (7.58)

.      14(1)

Если скорости легкой и тяжелой фаз при течении смеси через прием­ный преобразователь несущественно отличаются друг от друга (что ха­рактерно, например, для стандартных диафрагм, у которых участок су­жения при достаточно больших т очень короткий и вследствие этого час­тицы тяжелой фазы на этом участке почти не ускоряются), то в ограни­ченной области значений т\ [г\ < 0,2 — для влажного пара: 7? < 0,35 — для смеси воздуха с угольным порошком) коэффициент

Ъ = -^=Г-                         (7-59)

V   1-7J

Во многих случаях отношение рл1рт
много меньше 1. Так,для влаж­ного пара рл/рт = 0,001—0,005; для пылеугольного топлива это отноше­ние еще меньше.

Тогда на основании формулы (7.58)

Рс *     /"                                 (7.60)

1 v

и уравнение измерений (7.57) с учетом выражений (7.59), (7.60) преоб­разуется к виду

Мс
(1 — т?) = aeF0 V 2рлДр ‘.        (7.61)

Как следует из этой формулы, перепад давлений на диафрагме (при сделанных допущениях и в ограниченной области значений 7?) характери­зует лишь массовый расход Мл =Л/С(1 — 7?) легкой фазы. Этот вывод, подтвержденный экспериментально, объясняется тем, что при принятом равенстве скоростей легкой и тяжелой фаз энергия на ускорение тяже­лой фазы не затрачивается.

Таким образом, при использовании стандартной диафрагмы расход легкой фазы (сухой части влажного пара или воздуха для пылеугольно­го топлива) может быть определен по уравнению

7.13. Измерение расхода многофазных средМп
= aeF0 V 2рлДрд ,                (7.62)

где Дрд — измеренный перепад давлений при течении смеси; коэффици­ент расхода а принимается равным табличному значению.

При известной массовой концентрации тяжелой фазы щ полный рас­ход смеси

В случае, если тз неизвестна или изменяется в процессе измерений,
приходится определять ее по результатам измерения перепада давле­
ний на дополнительно устанавливаемых в поток смеси трубе или сопле
Вентури — Дрв. Отношение (или разность) Дрв и Дрд характеризует
часть энергии потока, затрачиваемой на ускорение твердой фазы при те­
чении смеси через трубу или сопло Вентури (напомним, что при течении
смеси через диафрагму ускорение твердой фазы практически не наблю­
дается) . Следовательно, данное отношение будет пропорционально содер­
жанию твердой фазы 7J.                

Для расчетов тз используют экспериментально-апробированную за-, висимость

&>   1 _„   = 77;         *>              (7.65)

где j30 — коэффициент, зависящий от свойств твердой фазы и геометрии применяемых сужающих устройств и определяемый путем опытной гра-. дуировки комплекта расходомеров.

Тогда в соответствии с формулой (7.65)

 ^,        ‘                  (7-66)

Таким образом, при измерениях расхода методом переменного пере­пада давлений двухфазных сред с неизвестной массовой концентрацией твердой фазы измеряют перепады давлений на двух последовательно уста­новленных сужающих устройствах (диафрагме и сопле или трубе Венту­ри), по формулам (7.61) и (7.66) рассчитывают расход легкой фазы и 7?, а затем по формулам (7.63) и (7.64) — общий расход смеси и расход твердой фазы. Расчетные операции при этом могут выполняться вычисли­тельными устройствами, сблокированными со вторичными преобразова­телями расходомеров.

Еще раз подчеркнем, что все изложенное справедливо для хорошо диспергированных двухфазных потоков с равномерной концентрацией фаз и в ограниченной области значений т].

Расходомеры переменного перепада давлений довольно часто приме­няют и для измерения расхода различных пульп и водогрунтовых смесей. Характерной особенностью данных сред является то, что плотности их легкой и тяжелой фаз мало отличаются друг от друга. В этом случае сум-

марныи расход смеси определяют по уравнению (7.57), в котором ко­эффициент (3 принимают равным единице.

Расход смесей твердой и жидкой (или газообразной) фаз измеряют комбинированными методами, основанными на определении общего объемного расхода смеси и содержания в ней твердой фазы. Объемный расход смеси измеряют при этом с помощью электромагнитных, ультра­звуковых, ядерно-магнитных и расходомеров других типов, приемные преобразователи которых не имеют выступающих внутрь потока эле­ментов. Расходомеры устанавливают на вертикальных участках трубо­провода для предотвращения скапливания более тяжелой фазы в нижней части сечения трубы.

Содержание твердой фазы определяют по показаниям радиоизотоп­ных концентратомеров, радиоактивных или компенсационных весовых плотномеров. Наибольшее применение находят весовые плотномеры, представляющие собой участок трубопровода с гибкими сочленениями, подвешенный на ленточных опорах. При изменении массы смеси, проте­кающей по данному участку, он перемещается в вертикальном направле­нии вместе с плунжером индуктивной катушки. Перемещение плунжера вызывает сигнал рассогласования, приводящий во вращение электро­двигатель. При этом изменяется натяжение уравновешивающей пружи­ны, что возвращает участок в исходное положение. Угол поворота элект­родвигателя, фиксируемый ферродинамическими преобразователями, является мерой плотности протекающего вещества..

Компенсационные весовые плотномеры в комплекте с электромаг­нитными расходомерами получили преимущественное применение для измерения расхода твердого топлива (угля, торфа) при его гидротранс­порте-

Расход пульп, сыпучих материалов, нефтегазовых смесей измеряют и массовыми расходомерами, в основном — кориолисовыми. Предпоч­тительное применение этих расходомеров объясняется тем, что измеряе­мая среда в приемном преобразователе кориолисовых расходомеров (см. рис. 78) движется перпендикулярно к оси вращения потока и вслед­ствие этого „кориолисовы" усилие и момент не зависят от распределе­ния фаз.

В заключение отметим, что совершенствование техники измерений расхода многофазных сред сдерживается отсутствием высокоточных об­разцовых стендов и установок, способных воспроизводить все характер­ные особенности течения таких сред (структуру потока, геометрию и распределение фаз). И хотя кое-какие сдвиги в этой области определен­но наметились, работы здесь „непочатый край".

Одной из перспективных отечественных разработок, восполняющих этот пробел, является созданная во Всесоюзном научно-исследователь-аком институте расходометрии (ВНИИР) исходная образцовая установ­ка, реализующая принцип смешения потоков жидкости и газа для вос­произведения и измерения параметров газожидкостных потоков (рис. 85). Установка работает следующим образом. Жидкость (вода) из резервуара 10 насосом 13 через систему стабилизации напора, состоящую из бака 8,

7.13. Измерение расхода многофазных сред

Рис. 85. Принципиальная схема образцовой газожидкостной установки

где поддерживается постоянный уровень жидкости, и воздушного реси­вера 7, подается в смеситель /. Расход жидкости регулируется задвиж­кой 11 и измеряется турбинным расходомером 12. Одновременно с этим компрессором 14 через ресивер 6, узел стабилизации расхода 5 и эжек­тор 2 в смеситель подается воздух. Расход воздуха регулируется задвиж­кой 3 и измеряется турбинным расходомером 4. Из смесителя газожид­костная смесь подается в испытательный участок, на котором устанавли­вается градуируемый или поверяемый расходомер 9, и затем сбрасывает­ся в резервуар 10, где она сепарируется (разделяется на газ и жидкость). Давление и температуру смеси контролируют при помощи измеритель­ных преобразователей, обозначенных на схемер и t соответственно.

Кроме того, для измерения действительной расходной концентрации и идентификации различных режимов течения смеси (дисперсного, разде­ленного, пробкового) установка снабжена емкостным измерителем ее диэлектрической проницаемости.

Метрологические исследования и аттестация установки показали, что осуществляя рассмотренный принцип смешения и используя для раздель­ных измерений расхода жидкости и газа индивидуально аттестованные турбинные расходомеры, возможно обеспечить воспроизведение и изме­рение расхода газожидкостных потоков с погрешностью, не превышаю­щей 0,8—1,С

3.4.   Поршневые  автоматизирован­ные задатчики давления

Основное назначение поршне­вых манометров состоит в поверке и градуировке средств измерения давления, применяемых в народ­ном хозяйстве. При этом находят применение как методы поверки, основанные на задании точного зна­чения   давления   по   образцовому

Рис.  27.  Образцовый  грузопоршневой прибору с последующим отсчетом дифманометр ^трехступенчатой поршне- показаний    поверяемого    прибора,

так и методы поверки, основанные на регулировании давления по от­меткам поверяемого прибора с последующим измерением этого давле­ния по образцовому прибору. Однако, в связи с широким распростране­нием в технике измерения и регулирования давления бесшкальных изме­рительных преобразователей основной объем поверочных работ прово­дится методом задания образцового давления. Традиционные поршневые манометры, отличаясь универсальностью (они применимы как для зада­ния давления, так и для его измерения), нуждаются в применении вспо­могательных регулировочных устройств, причем все работы по поверке и градуировке проводятся непосредственно оператором. Это предопре­делило все более широкое использование в поверочной практике автома­тизированных поршневых задатчиков давления, которые, помимо увели­чения производительности поверочных работ, повышают комфортность условий труда оператора.

В настоящее время в народном хозяйстве страны применяются авто­матизированные задатчики давления различных типов, предназначенных для измерения давления как жидкости, так и воздуха. Краткие техничес­кие характеристики наиболее часто применяемых в нашей стране задат­чиков давления приведены в табл. 9.

При выборе уровня автоматизации необходимо учитывать назначе­ние задатчика, объем поверочных работ, условия применения, сложность конструкции и стоимость, требования к квалификации обслуживающе­го персонала и пр. Во многих случаях применение автоматизированных

Таблица   9

 

Тип задатчика

Класс точнос-

Диапазон изме-

Измеряемая

Форма поршня

 

ти

рений

среда

 

Воздух-250

ОД

Верхний предел

Воздух

Нецилиндричес-

 

 

измерения от

 

кий

 

 

10 Па до 2,5

 

 

 

 

кПа*

 

 

Воздух-1,6

0,02; 0,05

1-160 кПа

Тоже

Тоже

Воздух-2,5

0,02; 0,05

25-250 кПа

—м—

—„—

Воздух-6,3

0,02; 0,05

63-630 кПа

—„—

 

АЗД-0,4

0,1

8-40 кПа

«

Цилиндричес-

 

 

 

 

кий

АЗД-2,5

0,05

10-250 кПа

»>

Тоже

АЗДГ-16

0,05

0,04-1,5 МПа

Трансформа-

«

 

 

 

торное масло

 

АЗДГ-60

0,05

0,1-6 МПа

Тоже

9)

АЗДГ-600

0,05

1-60 МПа

Касторка

М

3.4.   Поршневые  автоматизирован­ные задатчики давления* Верхние пределы измерений поверяемых  приборов  составляют от  10 до 2,5 кПа (15 комплектов грузов).

задатчиков в настоящее время вообще не целесообразно. Однако, по ме­ре совершенствования задатчиков их использование будет постоянно рас­ширяться.

Одним из первых в нашей стране нашел применение автоматический задатчик давления АЗД-0,4, предназначенный для поверки и регулиров­ки мембранных и ртутных сфигманометров (приборов для измерения давления крови в медицинских учреждениях) с верхним пределом из­мерений 40 кПа (300 мм рт.ст.).

Задатчик (рис. 28) содержит поршень 1, к верхней части которого прикреплена ступенчатая втулка 2 с трубкой 5, цилиндр 7, смонтирован­ный на разделительный бачок 12 и корпус 13. На корпусе покоятся гру­зы 6; фотоэлектрическая следящая система, состоящая из фотодиода 3 и осветителя 4; электромагнитные клапаны 8 и 10, управляемые транзис­торно-релейной схемой (на рисунке не показана), и коллектор 9 для подключения поверяемых манометров. Нижняя часть разделительного бачка заполнена керосином, который поступает под давлением в зазор между поршнем и цилиндром, остальная часть измерительной системы заполнена воздухом. В процессе измерений корпус 13 с лежащими на нем грузами 6 и поршень 1 с помощью электродвигателя 11 вращаются от­носительно оси цилиндра 7.

Принцип действия задатчика заключается в следующем. При нажатии кнопки „пуск" пульта управления клапан 10 открывается, и воздух от источника питания поступает в верхнюю часть бачка, повышая давление в измерительной системе до значения, которое уравновешивает собствен­ный вес поршня с укрепленными на нем втулкой и трубкой. При даль­нейшем увеличении давления при подъеме поршня ступенчатая втулка поочередно снимает с корпуса 13 грузы, чем обеспечивается создание по-

3.4.   Поршневые  автоматизирован­ные задатчики давления

Рис. 28. Принципиальная схема АЗД-0,4

следовательных значений, давления, соответствующих поверяемым от­меткам. При достижении значения давления, соответствующего поверя­емой отметке, клапан 10 закрывается на время отсчета. Давление снижа­ется клапаном 8 нажатием соответствующей кнопки пульта управления. Закрытие и открытие клапанов производится фотоэлектрической следя­щей системой и транзисторно-релейной схемой. Трубка 5 составлена из чередующихся прозрачных и непрозрачных колец. При перекрытии луча света от осветителя к фотодиоду соответствующий клапан закрывается, прекращая изменение давления. Схема автоматики позволяет проводить работу на установке в трех режимах:

полуавтоматическом задании значений давления с остановкой на каждой поверяемой отметке на любое время по усмотрению оператора;

автоматическом задании значений давления с кратковременными ос­тановками на поверяемых отметках шкалы;

непрерывном плавном повышении и понижении давления с останов­ками на предельных отметках шкалы.

Более высокий уровень автоматизации достигнут в автоматических гидравлических .задатчиках давления типа АЗДГ класса 0,05 с програм­мным управлением, предназначенных для поверки и градуировки мано­метров и измерительных преобразователей давления жидкости в диапа­зоне от 0,4 до 60 МПа.

Автоматический задатчик АЗДГ (рис. 29) содержит: поршневой ма­нометр 2, механизм наложения грузов 1, узел сигнализации положения поршня 3, блок электронного программного управления 4 с пультом 5, блок регулирования давления 6, гидравлическую насосную станцию 7 и быстродействующие зажимы 8 для подключения поверяемых приборов. Принцип действия задатчика основан на автоматическом уравновешива­нии веса грузов, наложенных на поршень по заданной программе давле-

3.4.   Поршневые  автоматизирован­ные задатчики давления

нием жидкости, которое одновременно подается к поверяемым приборам.

Рис. 29. Структурная блок-схема автоматичес­кого задатчика давления A3ДГ

По программе, зало­женной в перфокарте бло­ка 4, механизм наложения грузов 1 нагружает пор­шень манометра 2 и од­новременно блоку 6 дает­ся команда на регулиров­ку давления в измеритель­ной системе, отработка ко­торого прекращается по сигналам устройства 3 при достижении равновесия поршня. Пульт 5 обеспечи­вает следующие режимы работы:

автоматические на 1 цикл (переход со ступени на ступень, выдержка на верхнем пределе, обратный ход) или непрерывный (повторение цик­лов с выдержкой на нуле);

ручной (переход на каждую следующую ступень по отдельным ко­мандам оператора);

регулировочный и наладочный (плавное изменение давления от нуля до заданного значения и обратно по команде оператора), а также специ­альные технологические режимы и блокировки.

АЗДГ выпускаются в трех модификациях с верхними пределами измерений 1,6; 6,0; 60 МПа с числом ступеней 160 и 60. Время перехода со ступени на ступень 12 с; режим перехода двухскоростной, что обеспе­чивает плавный односторонний подход к поверяемой отметке. Габарит­ные размеры одного задатчика 960Х720Х1500 мм, масса 300 кг. Особен­но эффективны задатчики давления при массовой поверке измеритель­ных преобразователей давления с токовыми выходными сигналами, где достигается полная автоматизация с распечаткой результатов поверки или градуировки.

Помимо автоматизированных задатчиков давления, основанных на измерительных системах с цилиндрическими поршневыми парами, в по­верочной практике находят применение автоматизированные задатчики давления с нецилиндрическим поршнем, принцип действия которого основан на динамическом равновесии веса поршня с давлением, действу­ющим на него со стороны протекающей через междроссельную камеру из­меряемой среды. Нецилиндрический поршень, имеющий форму тела вра­щения, обычно выполняется в форме сферы или усеченного конуса. Из­мерительная система задатчика (рис. 30) содержит поршень 1 сферичес­кой (рис. 30, а) или конической (рис. 30, б) формы и цилиндрическое сопло 2, образующее переменный дроссель, отражатель струи воздуха питания 3 и постоянный дроссель 4. Междроссельная камера Л трубкой

3.4.   Поршневые  автоматизирован­ные задатчики давления

3.4.   Поршневые  автоматизирован­ные задатчики давления

Рпит

Рис. 30. Поршневые преобразователи силы в давление с нецилиндрическим

поршнем

соединяется с объемом Б, в который подается выходное давление преоб­разователя".

Так же, как и в классическом поршневом манометре с цилиндричес­ким поршнем в равновесном состоянии, усилие, приложенное к поршню, уравновешивается действующим на площадь его поперечного сечения давлением в междроссельной камере и силами трения протекающей через кольцевой зазор измеряемой среды. Однако, в отличие от цилиндричес­кой поршневой пары геометрическая площадь сечения нецилиндрическо­го поршня существенно изменяется в зависимости от его положения от­носительно верхней кромки сопла. Поэтому эффективную площадь не­цилиндрического поршня принято представлять в виде

^эф =

G- v

cos a),

(3.37)

где Fc — геометрическая площадь сечения отверстия сопла на уровне верхней кромки; G — массовый расход измеряемой среды (газа) через переменный дроссель; р — давление в междроссельной камере; а — угол наклона струи газа при выходе из кольцевого зазора; v — скорость ис­течения газа из кольцевого зазора.

Так же, как и в традиционных поршневых манометрах, измеряемое давление определяется по формуле (3.23)

.   mg      ,,      рв
,

3.4.   Поршневые  автоматизирован­ные задатчики давления3.4.   Поршневые  автоматизирован­ные задатчики давленияПо принципу действия задатчики с нецилиндрическим поршнем име­ют ряд очевидных преимуществ по сравнению с манометрами с цилинд­рическим поршнем. Непрерывный подвод в измерительную систему га-

за — носителя дополнительно энергии и его с рос в окружающую сре­ду позволяют автоматически поддерживать соответствие выходного дав­ления приложенной к нецилиндрическому поршню силе. При этом также автоматически происходит самоцентровка поршня относительно кромки сопла в горизонтальной плоскости, благодаря чему отпадает необходи­мость в применении устройств для вращения поршня вокруг его верти­кальной оси.

С другой стороны, задатчики с нецилиндрическим поршнем в отли­чие от манометров с цилиндрическим поршнем весьма чувствительны к вертикальному перемещению поршня относительно кромки сопла, что приводит к существенному изменению зазора между поршнем и кром­кой сопла, а следовательно, и эффективной площади поршня. В принци­пе, согласно (3.36) постоянство эффективной площади может быть до­стигнуто при условии

Gv
———
 • cos a = const,

но при этом каждому значению задаваемого давления р соответствуют свои массовый расход G и скорость истечения газа v. Указанное может быть реализовано при применении автоматических регуляторов расхода газа, но это приводит к возникновению дополнительных погрешностей, связанных с расчетом необходимой регулировочной характеристики. Помимо отмеченного, задатчики давления с нецилиндрическим пор­шнем уступают манометрам с цилиндрическим поршнем по универсаль­ности, область их применения по принципу действия ограничена задани­ем давления; ограничены также и верхние пределы измерений. В настоя­щее время (см. табл. 9) принцип нецилиндрического поршня нашел при­менение в образцовых задатчиках давления воздуха (газа) классов точ­ности 0,02—0,1 с верхними пределами измерений от ОД до 600 кПа.

7.12. Техника измерения расхода жидкостей и газов в трубопроводах больших диаметров

Проблема измерения расхода в трубопроводах больших диаметров (свыше 1 м) является самостоятельной расходоизмерительной пробле­мой, которая решается своим специфическим путем. Это обусловлива­ется тем, что использование для этих целей расходомеров, реализующих традиционные методы (описанные в предыдущей главе), требует колос­сальных затрат как на создание самих приборов, так и на создание средств их индивидуальной градуировки и поверки, которые в настоящее время практически полностью отсутствуют.

Последнее обстоятельство и определяет, в основном, те специфичес­кие требования, которые предъявляются к методам и средствам изме­рения расхода в трубопроводах больших диаметров:

возможность косвенной (расчетной) градуировки без применения расходомерных стендов и установок;

инвариантность (независимость) градуировочных характеристик к диаметру трубопровода или возможность их пересчета с малых диамет­ров (для которых имеются образцовые установки) на сколь угодно большие.

Контрольный вопрос № 15

При некоторых режимах работы сечение технологического трубопровода диаметром 100 мм лишь частично заполняется те­кущей жидкостью (трубопровод в месте установки расходоме­ра „работает" неполным сечением).

Какой из известных Вам типов расходомеров Вы бы вы­брали для измерений при этих условиях?

Ответ на этот общий по гл. 7 вопрос дан в конце гл. 8.

К контрольному вопросу № 14

Вы правильно ответили на вопрос.

Действительно, показания ультразвуковых расходомеров зависят от распределения скоростей по сечению потока, кото­рое в свою очередь зависит от числа Рейнольдса и, следователь­но, от вязкости. В то же время, как следует из принципа дейст­вия и рабочего уравнения ЯМР-расходомеров, изменения вяз­кости измеряемой среды не влииют на их показания.

Парциальный метод измерения расхода основан на измерении расхо­да определенной части основного потока,1
отведенной в байпасную или обводную трубку.

Часть потока отводится обычно при помощи сужающего устройства, установленного в трубопроводе так, как это показано на рис. 82.

Для измерения расхода в байпасной трубке можно применять любой из рассмотренных в гл. 7 расходомеров.

 

Рис.  82. Схема осуществления парциального

метода измерения расхода:

—  байпасяая трубка;   2 — расходомер;   3 — диафрагма, установленная в основном трубо­проводе

Если между расходом Q в основном трубопроводе и расходом q в байпасе существует стабильная функциональная зависимость Q =/(#), то по результатам измерения q в каждом конкретном случае можно оп­ределить Q. Для этого необходимо лишь определить зависимость между Q и q при непосредственной (в ограниченной области) или расчетной гра­дуировке (например, по соотношению сопротивлений основного и бай-пасного трубопроводов).

Погрешность измерения расхода парциальным методом будет скла­дываться из погрешностей установления и стабильности зависимости Q =f(q) и измерения расхода в байпасе.

Измерение расхода методом гидравлического удара. Гидравлический удар, возникающий при быстром перекрытии потока капельной жидкос­ти (за счет инерционного воздействия внезапно остановленной массы жидкости), вызывает колебания давления в трубопроводе, фронт кото­рых распространяется со скоростью звука. Процесс изменения давления в сечении трубопровода, находящемся на расстоянии L перед перекрыва­ющей поток задвижкой, графически изображен на рис. 83, на котором

7.12. Техника измерения расхода жидкостей и газов в трубопроводах больших диаметров

Ри

Рис. 83. График изменения давления в трубопроводе при гид­равлическом ударе

Ро — начальное статическое давление в контрольном сечении; рк — ко­нечное статическое давление в том же сечении. Точка А соответствует на­чалу перекрытия потока задвижкой, точка В — окончанию.. Затухающие колебания после закрытия задвижки (по истечении времени ДО харак­теризуют лишь инерционные свойства прибора, примененного для записи изменений давления.

Линия АС характеризует изменение давления, связанное с изменени­ем гидравлического сопротивления задвижки при перемещении ее затво­ра, а линия АВ — изменение давления вследствие гидравлического удара.

Закон количества движения при гидравлическом ударе имеет вид

pLQ = F f&pdt,                        (7.48)

At                              °

где   J Ар dt — импульс ударной волны, равный площади/д диаграммы

о

изменения давления (см. рис. 83), ограниченной линиями АВ и AC; F — площадь сечения трубопровода.

Откуда искомый объемный расход

 (7-49)

рь

Таким образом, планиметрируя диаграмму изменения давления, из­мерив предварительно диаметр трубопровода (а, следовательно, и F), длину контрольного участка!, и плотность протекающей среды, по выра­жению (7.49) можно рассчитать объемный расход.

Данный метод применяют при испытаниях гидравлических машин и насосов, т. е. в тех случаях, когда расход можно измерять после воспро­изведения (а не в процессе испытаний) определенных режимов испы­таний.

Измерение расхода с помощью интегрирующей трубки. Интегриру­ющая трубка представляет собой цилиндрический зонд, полностью пере­секающий поток по диаметру водовода. По образующей трубки просвер­лен ряд отверстий для отбора давления набегающего потока.

Статическая характеристика интегрирующей трубки имеет вид

7.12. Техника измерения расхода жидкостей и газов в трубопроводах больших диаметров<2 = ¥><о\/ ~- Ар,                   (7.50)

где Ар — перепад давлений, отбираемых в конце интегрирующей трубки и со стенок водовода; >fi — коэффициент расхода трубки; со — площадь сечения отверстий.

Автомодельность коэффициента расхода ip для трубок с отношением толщины стенки к диаметру отверстия, равным 0,33, наступает при чис­лах Рейнольдса, больших 1(г. Значение у при этом устойчиво стремится к единице. ‘

В этих условиях возможность расчетной градуировки интегрирую-

7.12. Техника измерения расхода жидкостей и газов в трубопроводах больших диаметровщих трубок обусловливается соответствием величины V — &Р  сРеД-

р

ней скорости потока. ‘

Однако влияние температуры измеряемой среды, пульсаций давле­ния и расхода, трудности технологического порядка не позволяют на се­годняшний день получить погрешности измерения расхода интегрирую­щими трубками, меньшие 6—8 %. Кроме того, область применения дан-

ных устройств ограничивается измерением расхода чистых однофазных веществ.

Методы смешения. Принцип измерений,ллежаший в основе этих мето­дов, заключается в следующем. В протекающее по трубопроводу вещест­во вводят раствор реагента („прививку") и определяют кратность раз­бавления этого реагента в потоке вещества.

Уравнение баланса реагента, вводимого в поток, имеет вид

qC1+QC0 = (Q + q)C2,               (7.51)

где q — расход раствора реагента, вводимого в поток; С0,С1,С2— кон­центрации реагента соответственно в среде до „прививки" в растворе реагента и в смеси, отбираемой из потока после „прививки".

В соответствии с выражением (7.51) уравнение измерений данным методом будет

Q=   CJ~C*     q=Kq,                   (7.52)

С    — С       

где/if = ——— коэффициент разбавления.

С г — Со

Если в самом измеряемом веществе не содержится примесей вводи­мого реагента или они ничтожно (по сравнению с С2) малы, то К = = Q/C2-L

Расход q может быть измерен с достаточно высокой точностью, чего нельзя сказать о точности измерения величины К. Действительно, если концентрация реагента (С2) в отбираемом из потока пробе ненамного превышает его концентрацию в „чистой" среде (Со), а именно к этому и стремятся при реализации метода, то даже незначительные погрешности измерений С2
и Со приведут к существенно недостоверной оценке вели­чины К.

Другой разновидностью методов смешения является метод интегри­рования, заключающийся в том, что в поток вещества за малый проме­жуток времени вводят определенную объемную порцию V раствора реа­гента и непрерывно (в течение времени t) следят за изменением концен­трации С реагента в потоке.

Уравнение этого метода, полученное на основе баланса объемных ко­личеств реагента, имеет вид

С=—у•                              (7-53)

/ Cdt

«

Методы смешения используют в настоящее время исключительно для измерения расхода воды в цилиндрических водоводах. В качестве реагентов в растворах.с концентрацией 10~4—10 мг/д применяют дихро­мат натрия, хлорид натрия, родамин и другие химически пассивные к во­де вещества (в основном, соли). Применяют и радиоактивные „привив­ки", например, изотопы брома, натрия, йода. Использование радиоактив­ных реагентов позволяет осуществить бесконтактные измерения, однако требует обеспечения специальныхусловий работы.

.. Основным источником погрешности определения расхода методами смешения является .неравномерность распределения: концентрации вво­димого реагента по сечению, в котором отбирают пробы. Относительная неравномерность распределения концентрации, а следовательно, и вызы­ваемая ею погрешность, зависит от расстояния Lc между устройствами для ввода раствора реагента в поток и отбора проб (расстояния смеше­ния), а также характеристик потока. Для обеспечения приемлемых (меньших 1,5 %) значений погрешности Lc должно быть большим 6QD (D — диаметр трубопровода).

Предложено несколько способов уменьшения неравномерности рас­пределения концентрации и сокращения- Lc. Например, одновременное впрыскивание, раствора реагента с помощью ряда инжекторов, равно­мерно расположенных на кольцевой линии, радиус которой составляет 0,63 радиуса трубопровода; искусственная турбулизация потока на участке смешения с помощью различных местных сопротивлений; отбор проб в нескольких точках сечения потока и определение осредненной концентрации. Особенно эффективен последний способ.

При соблюдении оптимальных условий погрешность измерения рас­хода методами смешения (без учета влияния турбулентности, изменений температуры, наличия примесей и т. п.), по-видимому, может быть оце­нена в 13—2,5 % верхнего предела измерений. Однако достоверных дан­ных на этот счет до настоящего времени не имеется.

Основным достоинством методов смешения является отсутствие не­обходимости определения площади сечения трубопровода.

„Точечные" методы основаны на измерении локальной скорости в одной какой-либо точке потока и определении расхода по теоретической или эмпирической зависимости между измеренной локальной и средней скоростями потока.

Локальную (местную) скорость можно измерять различными мето­дами (оптическими, акустическими, тепловыми) и приборами (трубки скоростного напора, микровертушки, термоанемометры, электромагнит­ные измерители скорости и др.).

По существу, если известна модель развитого турбулентного потока, с достаточной точностью описывающая распределение его скоростей, то локальную скорость при реализации „точечного" метода можно измерять в любой фиксированной точке потока. Однако отсутствие такой (метро­логически пригодной) модели обусловило практическое использование на сегодняшний день лишь двух модификаций „точечного" метода — ме­тода средней скорости и метода максимальной скорости.

К контрольному вопросу № 14

Вы неправильно ответили на вопрос.

Разберитесь как следует в физических принципах, лежащих в основе ультразвуковых и ЯМР-расходомеров- Ведь вполне воз­можно, что в своей практической деятельности Вам придется столкнуться с этими новыми достаточно универсальными расхо-•    доизмерительными устройствами.

Суть первого метода заключается в измерении локальной скорости в точке, где скорость равна средней скорости потока. Тогда по результа­там предварительных измерений диаметра трубопровода и показаниям измерителя местной скорости (ИМС) можно определить расход.

По уточненным данным А.Д. Альтшуля ордината точки, где скорость равна средней скорости развитого осесимметричного турбулентного по­тока

/•о = 0,777/?,                       (7.54)

где/? — радиус трубопровода в месте установки ИМС.

Соотношение (7.54) и положено в основу метода средней скорости.

Погрешности измерений г0, установки ИМС, изменение местополо­жения точки средней скорости при изменении чисел Рейнольдса, коэффи­циента гидравлического трения, турбулентные пульсации — все это обус­ловливает погрешность измерения данным методом, равную 4—6 % верх­него предела измерений.

Второй метод — метод максимальной скорости заключается в изме­рении скорости на оси трубопровода (максимальной) и определении расхода по уточненным соотношениям между максимальной и средней скоростями потока.

Достоинствами второго метода являются: стабильность ординаты точки (всегда жестко фиксирована на геометрической оси осесимметрич­ного потока), в которой скорость максимальна; независимость ордина­ты от чисел Рейнольдса и характеристик потока; наибольшая удален­ность места установки ИМС от стенок трубопровода, что существенно снижает требования к его габаритным размерам. Так, при установке ИМС в точке средней скорости наибольшая площадь сечения ИМС не дол­жна превышать 0,01 площади сечения трубопровода, при установке же ИМС на оси трубопровода отношение площадей может быть увеличено до 0,06.

Использование наиболее универсального соотношения между сред­ней и максимальной скоростями развитого осесимметричного турбулент­ного потока дает следующее рабочее уравнение измерений расхода ме­тодом максимальной скорости

Q = ttR2S (0,75 + 0,0275 lg -^-)   (7.55)

(S — показания ИМС, установленного на оси трубопровода радиусом Л) и позволяет оценить погрешность метода в 3—5 % верхнего предела из­мерений.

Суть кросс-корреляциоиного метода заключается в определении функции корреляции между случайными пульсациями скорости в двух точках и В) турбулентного потока, отстоящими друг от друга на рас­стояние L.

Так как функция корреляции случайных величин характеризует сте­пень их связи и степень их взаимообусловленности во времени, то оче­видно, что максимум ее будет соответствовать времени перемещения

турбулентных возмущений из точки А в точку В (так как степень вре­менной взаимообусловленности тех же самых пульсаций, естественно, максимальна).

Полученный вывод справедлив и для осредненных по сечению пото­ка пульсационных составляющих скоростей.

Таким образом, зафиксировав пульсационные составляющие скорос­тей в двух сечениях потока, отстоящих друг от друга на расстояние L, определив (с помощью специального прибора — коррелографа) функ­цию корреляции между ними и измерив (автоматически или непосред­ственно по рис. 84) значение времени тт, соответствующее максиму­му (пику) этой функции фхут, можно определить расход потока по формуле

Тт

(7.56)

Сам метод прост, однако его аппаратурная реализация, требующая наличия ультразвуковых или лазерных измерителей пульсационных составляющих скоростей, коррелографа и устройств автоматической ре­гистрации тт довольно сложна.

При компенсации наиболее существенных методических и аппара­турных погрешностей точность метода соответствует приведенной по­грешности ±(2—2,5) % в диапазоне значений измеряемых расходов 15:1.

7.12. Техника измерения расхода жидкостей и газов в трубопроводах больших диаметров

Рис. 84. Кросс-корреляционная функция турбулентного потока

К контрольному вопросу № 15

Сравните уравнения измерений расходомеров, описанных в гл. 2, и убедитесь, что единственно пригодными для этих ус­ловий измерений являются гироскопические или кориолисовы расходомеры.