Приборы измерения расхода газа: ротаметр, анемометр, счетчик газа.
Цель работы: Изучение приборов для измерения расхода газа, методы измерения расхода, понятие класса точности прибора, сравнение показаний приборов различного типа.
Теоретические основы.
Расход - это физическая величина, определяемая количеством жидкости или газа, проходящих через трубу или русло в единицу времени. Различают объемный расход Q, когда количество вещества измеряется в объемных единицах, и массовый М9 когда оно измеряется в единицах массы.
1. Ротаметр.
1.1. Устройство ротаметра приведено на рисунке 12.1. В патрубках 1 и 8, соединенных друг с другом болтовыми стержнями 5, с помощью накидных гаек 6 и сальниковых уплотнений укреплена стеклянная коническая трубка 5, на которую непосредственно наносится шкала. Длина трубки обычно находится в пределах от 70 до 600 мм, а диаметр от 1,5 до 100 мм. Для ограничения хода поплавка 4 служат верхний 2 и нижний 7 упоры.
Пределы применения обычных ротаметров со стеклянной трубкой по давлению 0,5-0,6 МПа, по температуре 100—150°С.
| Рисунок 12.1. Устройство ротаметра. |
Недостатки: хрупкость и непригодность для измерения расхода веществ, имеющих значительные давления; связанность прибора с местом измерения; только указывающий характер прибора (отсутствие записи и дистанционной передачи показаний); непригодность для измерения больших расходов.
1.2. Поплавки и трубки ротаметров.
Основные элементы ротаметра - коническая трубка и поплавок - образуют его проточную часть. Формы поплавка могут быть весьма разнообразны. Классическая его форма показана на рисунке 12.2, а. Поплавок имеет конусную нижнюю часть (иногда с несколько скругленным носом), цилиндрическую среднюю часть и дисковый верх. Существенный недостаток рассмотренной формы поплавка - сильная зависимость градуировочной характеристики от вязкости измеряемого вещества. Для снижения этой зависимости полезно уменьшать высоту верхней дисковой части поплавка и диаметр цилиндрической его части с тем, чтобы он был не более 0,6-0,7 от диаметра верхнего диска (рисунок 12.2, б). В меньшей степени влияние вязкости сказывается при катушечной форме поплавка, показанной на рисунке 12.2, в, которая находит теперь основное применение. Еще сильнее влияние вязкости устраняется при дисковой и тарельчатой форме поплавков, когда основное трение потока происходит на очень небольшой боковой поверхности диска. Но вес таких поплавков очень мал и необходимо или увеличивать длину цилиндрического тела поплавка в одну или обе стороны от диска, или же подвешивать на стержне дополнительный груз. Кроме того, такие поплавки неустойчивы и во избежание перекоса и трения о стенку трубки их необходимо снабжать направляющими. Последние могут быть трех видов: направляющие, связанные с поплавком и
перемещающиеся вместе с ним (рисунке 12.2, г); неподвижные центральные штоки, проходящие через осевые отверстия поплавков (рисунке 12.2, д); направляющие кольца (два или одно), укрепляемые обычно в верхней или нижней части поплавков (рисунке 12.2, е, ж). Но для таких колец требуется применение конусных трубок с направляющими ребрами или гранями. Зато они имеют два дополнительных достоинства: обеспечение турбулизации потока, способствующего уменьшению влияния вязкости и возможность измерения расхода непрозрачных жидкостей (благодаря малости зазора между направляющими ребрами и кольцами).
| Рисунок 12.2. Формы поплавков. |
Поплавки изготавливаются из различных материалов: нержавеющей стали, титана, алюминиевых сплавов,фторопласта-4 и различных пластмасс (в зависимости от диапазона измерения и агрессивности измеряемого вещества). При необходимости для снижения массы поплавка его делают пустотелым.
Заметим, что от соотношения плотностей материала поплавка ρk и измеряемого вещества р зависит погрешность, возникающая при изменении плотности, которое вызвано изменением температуры или давления
вещества. Наименьшая погрешность будет при.
В этом случае при изменении ρ на ±10% дополнительная
погрешность будет всего лишь ±0,4%. Такое соотношение нетрудно обеспечить при измерении расхода жидкости.
Второй основной элемент ротаметра - измерительная коническая трубка (с конусностью 0,001-0,01). Она изготавливается из химически устойчивого или термостойкого боросиликатного стекла. Чувствительность прибора возрастает с уменьшением угла конусности трубки.
1.3. Уравнение равновесия поплавка.
В ротаметре (рисунок 12.3) можно выделить три сечения: сечение, где начинает сказываться возмущающее действие поплавка на поток; узкое кольцевое сечение потока, где имеется максимальная скорость; сечение, в котором кончается возмущающее действие поплавка на поток.
| Рисунок 12.3 Схема ротаметра |
На поплавок снизу действует разность статических давлений на носовую и кормовую поверхности поплавка, возникающая вследствие перехода части потенциальной энергии в скорость Vk в узком сечении; эта разность равна (p1-p2)f,где f площадь наибольшего поперечного сечения поплавка.
Сумма этих трех сил уравновешивается весом G поплавка:
G = Vg рк
где V и рк - объем и плотность материала поплавка (сплошного).
Из уравнения равновесия следует, что
1.4. Уравнение расхода.
Расход - это физическая величина, определяемая количеством жидкости или газа, проходящих через трубу или русло в единицу времени.
Расход является функцией площади потока и перепада давления
Поскольку конусность трубки очень маленькая, можем считать, что расход Q пропорционален высоте подъема поплавка h (рисунок 12.4).
| Рисунок 12.4 Зависимость расхода от высоты подъема поплавка |
Термоанемометр (расходомер SFE3-F500-L-W18-2NB-K1 фирмы Festo)
Принцип работы термоанемометра основан на измерении изменения температуры термосопротивления при обдуве его потоком газа. Схема термоанемометра приведена на рисунке 12.5. К контактам терморезисторов 2 и 4 подводится постоянное напряжение, по ним течет ток, в результате чего они разогреваются, значение их сопротивления растет, величина тока снижается, в итоге устанавливается значение тока, соответствующее количеству тепла, передаваемому от терморезисторов в окружающую среду. При возникновении воздушного потока величина теплового потока от терморезистора 2 увеличивается, следовательно, оно остывает, его сопротивление падает, ток возрастает и устанавливается на новом значении. Разность токов на терморезисторе 2 и 4 соответствует определенному расходу газа через камеру 1. Газ, протекающий через камеру 1, попадает в камеру 3, благодаря чему компенсируется зависимость разности токов терморезисторов 2 и 4 от температуры газа.
2. 
| Рисунок 12.5 Термоанемометр |
Счетчик газа
На стенде установлен счетчик газа фирмы Бетар, основанный на струйно-акустическом принципе действия.
Принцип работы струйного счетчика газа основан на колебании струи газа в специальном струйном генераторе. Струя газа попеременно перебрасывается из одного устойчивого положения в другое и создает при этом пульсации давления и звука с частотой пропорциональной скорости течения газа и соответственно объемного расхода. В электронном преобразователе происходит вычисление количества пропущенного газа.
Принципиальная схема преобразователя с осциллирующей струей показана на рисунке 12.6.
Рисунок 12.6 Струйно-акустический датчик расхода.
Глубина проточной части преобразователей постоянна. Поток жидкости или газа проходит через сопло 1 и попадает в диффузор 3 прямоугольного сечения. Под влиянием случайных причин поток в каждый данный момент в большей степени прижимается к той или другой стенке диффузора (допустим, к нижней). Тогда благодаря эжектирующему действию струи в преобразователе релаксационного типа давление р2 в нижней части обводной трубки 2 станет меньше давления р1 в верхней ее части и по трубке 2 возникнет движение, показанное стрелкой, которое перебросит струю к верхней стенке диффузора. После этого направление движения в обводной трубке изменится, и струя станет осциллировать. Частота осцилляции пропорциональна скорости потока и, следовательно, расходу.
4. Измерение по падению давления в емкости, (см. л.р. №11)
Для адиабатического истечения из емкости
где у=1,4 - показатель адиабаты.
Для изотермического истечения из емкости
Экспериментальная часть
Для изучения приборов измерения расхода предназначена пневматическая система стенда, а также электронный секундомер. Последовательность выполнения лабораторной работы:
1. Полностью открыть редукционный клапан КР2 (вращая ручку в сторону стрелки со знаком
2. Включить компрессор подачи воздуха в ресивер. Дождаться пока давление в ресивере поднимется до 5 бар по ДДЗ, после этого произойдет автоматическое отключение компрессора.
3. Открыть шаровые краны в линии одной из диафрагм: ВН12, ВН14 или ВНП, ВН15 краны другой линии должны быть закрыты. Для определенности дальнейшая последовательность написана для открытой линии ВН12, ВН14.
4. Закрыть дроссель ДР5.
5. Редукционным клапаном КР2 поднять давление до 30 кПа по ДД4.
6. Частично открыть дроссель до появления расхода воздуха по ротаметру. Скорректировать клапаном КР2 давление до 30 кПа по ДД4.
7. Закрыть кран ВН14.
8. Переключить секундомер в режим ручного управления.
9. Сбросить показания секундомера.
10. Записать в таблицу 12.1 давление в ресивере РРД и температуру ТР.
11. Записать в таблицу 12.1 показания счетчика газа Vсгд.
12. Открыть кран ВН14, одновременно запустив секундомер.
13. Подождать пока давление в ресивере упадет не менее чем на 0,5 бар, но не менее 30 с. В это время записать показания расходомера Festo Qf и ротаметра Qрот.
14. Закрыть кран ВН14, одновременно остановив секундомер.
15. Записать в таблицу 12.1 давление в ресивере РРП, время по секундомеру, показания счетчика газа Усгп.
16. Открыть кран ВН14.
17. Открыть дроссель для увеличения расхода. Скорректировать клапаном КР2 давление до 30 кПа по ДД4.
18. Закрыть кран ВН14.
19. Повторить пункты 9-18 два раза.
20. Повторить пункты 4-19, увеличивая давление до 60 кПа и 90 кПа.
21. 3акрыть краны, дроссель, полностью открыть КР2.
22. Выключить компрессор подачи воздуха в ресивер.
23. Вычислить расход по ресиверу для адиабатического и изотермического истечения. Вычислить расход по счетчику газа. Сравнить полученные данные с учетом класса точности приборов. Сделать выводы.
ОБРАТИТЕ ВНИМАНИЕ: при включении компрессора в ходе эксперимента следует закрыть кран на выходе из диафрагмы, дождаться накачки ресивера до давления 5 бар и отключения компрессора. После этого можно продолжать эксперименты. Компрессор автоматически включается при падении давления в ресивере до 2 бар при включенном тумблере «Подача воздуха в ресивер».
Примечание: при длительном перерыве между лабораторными работами с использованием воздуха рекомендуется сбросить давление воздуха в ресивере, для этого нужно частично открыть кран ВН11 (примерно на треть), после окончания истечения воздуха из ресивера закрыть кран ВН11.
Таблица 12.1 Измерение расхода различными способами
Лабораторная работа №13.