книги / Расходомеры и счетчики количества веществ. Расходомеры переменного перепада давления, расходомеры переменного уровня, тахометрические расходомеры и счетчики

П. П. Кремлевский

РАСХОДОМЕРЫ И СЧЕТЧИКИ КОЛИЧЕСТВА ВЕЩЕСТВ

Справочник

Книга первая

Расходомеры переменного перепада давления, расходомеры переменного уровня, тахометрическпе расходомеры и счетчики

Под общей редакцией и при участии канд. техн. наук Е. А. Шорникова

5-е издание, переработанное и дополненное

ПОЛИТЕХНИКА

ИЗДАТЕЛЬСТВО

Санкт-Петербург 2002

УДК [681.121.4+681.121.8 (035)] ББК 31.35-5я2

К79

Федеральная программа книгонздання России

Рецензент кавд. техн. наук Ю . С. Калинин

Кремлевский П. П.

К79 Расходомеры и счетчики количества веществ: Справоч­ ник: Кн. 1.— 5-е изд. перераб. и доп.— СПб.: Политехника, 2002.— 409 с.: ил.

ISBN 5-7325-0410-9

Справочник содержит теортетические основы, описание и анализ работы промышленных приборов для измерения расхода и количества жидкости, газа, пара и многофазных веществ. Книга носит энциклопедический харак­ тер. В 1-й части приведены расходомеры переменного перепада давления, переменного уровня, тахометрические расходомеры и счетчики.

Справочник предназначен для инженерно-технических работников, за­ нимающихся разработкой и эксплуатацией приборов.

УДК [681.121.4+681.121.8 (035)] ББК 31.35-5-я2

© Издательство «Машиностроение», 1989 ISBN 5-7325-0410-9 © Издательство «Политехника», 2002

ПАМЯТИ ПАНТЕЛЕЙМОНА ПЕТРОВИЧА КРЕМЛЕВСКОГО

Профессора, доктора технических наук, Заслуженного метролога Российской Федерации П . П . Кремлевского помнят все его ученики и участники десяти орга­ низованных им конференций под названием «Методы и приборы для измерения расходов и количества жидкости, газа и пара» (1963,1966,1969,1972,1976,1981 гг.) и «Совершенствование средств измерения расхода жидкости, газа и пара» (1988, 1992, 1994, 1996 гг.), а также участники семи конференций «Коммерческий учет энергоносителей», ежегодно проводимых в Санкт-Петербурге с 1994 г. Он был круп­ ным ученым в области измерения расходов и давлений, автором широко извест­ ной во многих странах монографии «Расходомеры и счетчики количества» (Л .: Машиностроение; 1-е издание — 1955 г., 2-е издание — 1963 г., 3-е издание — 1976 г ., 4-е издание — 1989 г.).

В 1996 г. наша общественность отмечала 90-летний юбилей Пантелеймона Петровича, который родился в г. Сестрорецке — пригороде Санкт-Петербурга. В 1915 г. он поступил в 3-ю городскую гимназию, закончив ее, учился в Технологи­ ческом институте, после окончания которого с 1930 г. работал в Ленинграде по полученной теплоэнергетической специальности: занимался исследованиями кот­ лов, турбин и другого оборудования. В Оргэнерго молодому способному инженеру поручили написать справочник по приборам отечественного производства, и в 1938 г. вышел 1-й том — «Расходомеры».

С1940 г. П. П. Кремлевский руководил группой проектирования контрольно­ измерительной аппаратуры и устройств автоматики. В 1942 г. был эвакуирован из блокадного Ленинграда н работал на Урале в г. Тавде на промышленных предпри­ ятиях, после снятия блокады вернулся в Ленинград и продолжал работать в раз­ личных научно-исследовательских учреждениях.

С1958 г. П. П. Кремлевский работал в организованной им лаборатории ВНИИМ им. Д. И. Менделеева, а с 1970 г. — в Ленинградском филиале ВНИСМ, подготавливая специалистов по измерениям и метрологии. До последнего време­ ни он был членом специализированного Совета ВНИИМ.

Специалистам известны такие предложения П. П. Кремлевского, как исполь­ зование стандартной диафрагмы для измерения расхода влажного пара (в соавтор­

стве с И. А . и Г. Я. Дюдиными), которое было введено в Правила РД50-213 -8 0, а также применение износоустойчивых диафрагм со скошенной входной кромкой, вошедшее в РД 50-411-33 (в соавторстве с X . А . Алланиязовым и Ю. М. Му­ нировым). Следует отметить и стандарты на термины и определения расходоме­ ров, в разработке которых он принял участие. Монография «Расходомеры и счет­ чики количества» вышла и на английском языке в издательстве «Машинострое­ ние» в 1982 г.

Пантелеймон Петрович был не только высокоэрудированным в области техни­ ки специалистом, но и высокообразованным человеком, хорошо знавшим миро­ вую историю и литературу. Православная вера с детства была его путеводителем в жизни. Он считал, что только православная вера с ее любовью к ближнему воспи­ тывает истинный патриотизм, а православная культура помогла объединить и со­ хранить все народы России. Общаясь с коллегами и учениками, он щедро делился

сними своими знаниями.

П. П. Кремлевский очень доброжелательно относился к молодым любозна­ тельным инженерам, всегда помогал им своими идеями и советами. Немало спе­ циалистов по расходомерам он ввел в научную деятельность как официальный оппонент или руководитель диссертаций, имел более 250 учеников в странах Евро­ пы и Азии. Он написал и опубликовал 7 книг и около 200 статей и докладов.

Доктор технических наук профессор 3 . Кобза

Кандидат технических наук Е. Л . Шорников

5

В В Е Д Е Н И Е

Исходная терминология и единицы измерения

Расход — количество (масса или объем) вещества, протекаю­ щего через данное сечение трубопровода (канала) в единицу вре­ мени.

Расходомер — прибор или устройство из нескольких частей, измеряющий расход вещества (жидкости, газа или пара).

Счетчик количества, или просто счетчик, — прибор или уст­ ройство из нескольких частей, измеряющих массу или объем ве­ щества (жидкости, газа или пара).

Расходомер со счетчиком — прибор или устройство, измеряю­ щее расход и количество жидкости, газа или пара.

К этим терминам надо добавлять название измеряемого ве­ щества, например: расходомер пара, счетчик воды, расходомер газа со счетчиком.

Преобразователь расхода — устройство, непосредственно вос­ принимающее расход (например, диафрагма, сопло, напорная труб­ ка) и преобразующая его в другую величину (например, в пере­ пад давления), удобную для измерения.

Количество прошедшего вещества измеряется или в едини­ цах массы (килограмм, тонна, грамм) или в единицах объема (ку­ бический метр, кубический сантиметр и т. д.).

Массовый расход qm измеряется в единицах массы, деленных на единицу времени (килограмм в секунду — кг/с, килограмм в час — кг/ч и т. д.).

Объемный расход q0 измеряется в единицах объема, деленных на единицу времени (кубических метрах в секунду — м3/с, куби­ ческих метрах в час — м3/ч и т. д.).

Так как содержание газа в единице объема сильно зависит от давления и температуры, то результаты измерения объемного рас­ хода газа надо приводить к стандартным условиям, т. е. к темпе­ ратуре Т = 293,15 К и давлению р = 101 325 Па (760 мм рт. ст.).

Значение средств измерения расхода и количества жидкости, газа и пара

Значение расходомеров и счетчиков количества (массы и объе­ ма) жидкости, газа и пара в современном индустриальном обще­ стве исключительно велико. Их роль очень возросла в связи с необходимостью максимальной экономии энергетических и вод­ ных ресурсов страны, которые все более и более дорожают.

Без расходомеров нельзя обеспечить управление, и тем более оптимизацию технологических режимов в энергетике, металлур­ гии, нефтяной, газовой, целлюлозно-бумажной, пищевой и во мно-

6

гих других отраслях промышленности. Без этих приборов невоз­ можны и автоматизация производства, и достижение максималь­ ной ее эффективности.

Расходомеры необходимы и для управления транспортными средствами, в том числе судами, самолетами и космическими ко­ раблями. Они нужны для контроля за оросительными системами

всельском хозяйстве, требуются и для проведения лабораторных

иисследовательских работ.

Счетчики количества необходимы для учета массы или объе­ ма нефти, газа, пара, воды и других веществ, транспортируемых по трубам и потребляемых отдельными объектами. Без них очень трудно контролировать утечки и исключить потери ценных про­ дуктов. А снижение погрешности измерения расхода и количе­ ства хотя бы на 1 % может обеспечить громадный экономичес­ кий эффект. Роль счетчиков в последнее время сильно возрастает в связи с коммерциализацией учета энергоносителей.

Современные требования к расходомерам и счетчикам

Эти требования многочисленны и разнообразны. Удовлетво­ рить совместно все требования очень трудно, если не невозможно. Одни типы приборов в большей мере удовлетворяют одним тре­ бованиям, а другие — другим. Поэтому при выборе того или ино­ го типа прибора следует исходить из сравнительной важности тех или других требований, предъявляемых к измерению расхода или количества в каждом конкретном случае.

1.Высокая точность измерения. Это важнейшее требование, особенно когда надо измерять не мгновенный расход, а количе­ ство (массу или объем) прошедшего вещества. Если раньше по­ грешность измерения в 1,5-2 % считалась приемлемой, то теперь нередко требуется иметь погрешность не более 0,2-0,5 % . Эта весьма малая погрешность уже достигнута в камерных счетчи­ ках жидкостей (лопастных, роликово-лопастных) и ряде других счетчиков. Но такие счетчики не предназначены для больших диаметров труб. Здесь преимущественно применяют расходоме­ ры с сужающими устройствами. Для повышения их сравнитель­ но ограниченной точности используют преобразователи давле­ ния, температуры или плотности, измерительные сигналы кото­ рых поступают в вычислительные устройства, вносящие коррек­ цию в показания расходомера-дифманометра. Имеются расходо­ меры с погрешностью всего 0,25-1,0 % (тахометрические, вихревые, электромагнитные, ультразвуковые), но не все из них пригодны для больших трубопроводов.

2.Высокая надежность. Это второе важнейшее требование. Оно оценивается временем, в течение которого прибор сохраняет

7

работоспособность и достигнутую точность. Это время зависит от типа прибора и от условий его применения. Некоторые расходо­ меры и их элементы, не имеющие движущихся частей, могут на­ дежно работать очень долго. Так, трубы Вентури, установленные на водопроводных линиях Санкт-Петербурга, исправно действу­ ют более 60 лет. Но тахометрические расходомеры и счетчики с движущимся ротором имеют много меньший срок службы, зави­ сящий от степени чистоты измеряемого вещества и его смазыва­ ющей способности. В технических условиях на некоторые тур­ бинные расходомеры установлен шестилетний межповерочный срок нормальной работы.

3.Малая зависимость точности измерения от изменения плотности вещества. Лишь тепловые и силовые расходомеры, измеряющие массовый расход, обладают этим ценным свойством.

Удругих типов приборов надо иметь устройства, автоматически вводящие коррекцию на изменение плотности или хотя бы тем­ пературы и давления измеряемого вещества. Это особенно необ­ ходимо при измерении расхода газа.

4.Быстродействие прибора или его высокие динамические характеристики. Это требование важно, когда расходомер приме­ няют в системах автоматического регулирования и при измере­ нии быстроменяющихся расходов. Быстродействие удобно оце­ нивать значением постоянной времени Т прибора, т. е. временем,

втечение которого его показания при скачкообразном измене­ нии расхода от qi до qt2изменяются приблизительно на две трети от значения (<72 “ <7i)* Имеется очень большая градация быстро­ действия от Г, измеряемого сотыми (и еще менее) долями секун­

ды от турбинных, до Ту измеряемого десятками секунд у тепло­ вых расходомеров.

Для улучшения быстродействия последних применяют осо­ бые (дифференцирующие) измерительные схемы. Расходомеры с сужающими устройствами (СУ) занимают промежуточное поло­ жение. Их время Т тем меньше, чем короче соединительные труб­ ки, чем меньше измерительный объем дифманометра и чем боль­ ше его предельный перепад давлений.

5.Большой диапазон изменения (<7max/<7min)* У приборов с ли­ нейной характеристикой он равен 8-20 и более, а у расходомеров

сСУ, имеющих квадратичную характеристику, он равен лишь 3 -

10.В случае необходимости его можно повысить до 16, подклю­ чая к СУ два дифманометра с разными Дртах.

6. Обеспеченность метрологической базой. Образцовые рас­ ходомерные установки, необходимые для градуировки и поверки различных расходомеров, сложны и дороги, особенно при боль­ ших поверяемых расходах. В стране их сравнительно немного, и

предназначены они преимущественно для поверки расходомеров воды и водосчетчиков. Одни лишь расходомеры с СУ не требуют образцовых расходомерных установок, потому что для большин­ ства их разновидностей были экспериментально установлены и

8

нормированы их коэффициенты расходов и расширения в международном стандарте ИСО 5167 и других рекомендациях ИСО. На их основе выпускаются в отдельных странах Правила по при­ менению расходомеров с СУ. Сказанное объясняет преимуществен­ ное применение расходомеров с СУ, потому что почти все осталь­ ные типы требуют для своей поверки образцовых установок. В связи с их отсутствием и сложностью транспортирования пер­ вичных преобразователей расхода, особенно больших размеров, весьма актуальна как разработка имитационных методов повер­ ки (они уже разработаны для магнитных расходомеров), так и разработка методов поверки на месте установки расходомеров без их демонтажа (концентрационный, меточный и другие методы).

7. Очень большой диапазон расходов, подлежащих измере­ нию. Для жидкости надо измерять расходы в пределах от 10- 2 до 107-10® кг/ч, а для газов — в пределах от ИГ* до 105-10 6 кг/ч, т. е. расходы, отличающиеся на десять порядков. Особые трудно­ сти возникают при измерении как очень малых, так и очень боль­ ших расходов. Здесь нередко приходится применять особые ме­ тоды измерения, например парциальный (при больших расходах). Относительно проще измерять средние расходы.

8. Необходимость измерения расхода не только в обычных, но и в экстремальных условиях, при очень низкой или очень высокой температуре и давлении. Так, расход криогенных жид­ костей, например сжиженного водорода, надо измерять при очень низких температурах (до -255 °С), а расход перегретого пара сверх­ высокого давления и расход расплавленных металлов теплоноси­ телей — при температурах, достигающих +600 °С.

Подобные условия создают дополнительные трудности для обеспечения надежного измерения расхода.

9. Широкая номенклатура измеряемых веществ. Вещества могут быть не только однофазными и однокомпонентными, но также многофазными и многокомпонентными. При этом надо учитывать как особые свойства вещества (агрессивность, абразив­ ность, токсичность, взрывоопасность и т. д.), так и его параметры (давление, температура). Особая задача — измерение расхода рас­ плавленных металлов — теплоносителей. Между тем основные методы измерения расхода были разработаны для однофазных сред (для жидкости, газа и пара). Теперь же все актуальнее ста­ новится задача измерения двухфазных и даже иногда трехфаз­ ных веществ. Имеются следующие основные разновидности двух­ фазных сред: гидросмесь или пульпа-смесь жидкой и твердой фаз — это водогрунтовая смесь, целлюлозно-бумажная пульпа, гидротранспорт и т. п.; смесь газообразной и твердой фаз — это пылеугольное топливо, пневмотранспорт цемента и т. п.; смесь жидкости с газом — это нефтегазовая смесь и влажный насы­ щенный пар. Измерений их расхода очень важно, хотя и пред­ ставляет определенные трудности. Пример трехфазной смеси — газированная пульпа, а трехкомпонентной — двухфазная смесь нефти, воды и газа.

9

Разновидности приборов для измерения расхода и количества

Большое разнообразие и сложность требований, предъявляе­ мых к расходомерам и счетчикам, явилось причиной разработки и создания значительного числа разновидностей этих приборов. При выборе надо исходить из свойств измеряемого вещества, его параметров, а также обоснованности требований к точности изме­ рения, учитывая при этом как степень важности удовлетворения тем или другим требованиям, так и сложность измерительного устройства и условия его эксплуатации и поверки.

Условно расходомеры и счетчики можно подразделить на сле­ дующие группы.

A.Приборы, основанные на гидродинамических методах: 1) переменного перепада давления; 2) переменного уровня; 3) обте­ кания; 4) вихревые; 5) парциальные.

Б. Приборы с непрерывно движущимся телом: 6) тахометрические; 7) силовые (в том числе вибрационные).

B.Приборы, основанные на различных физических явлениях: 8) тепловые; 9) электромагнитные; 10) акустические; 11) опти­ ческие; 12) ядерно-магнитные; 13) ионизационные.

Г.Приборы, основанные на особых методах: 14) корреляцион­ ные; 15) меточные; 16) концентрационные.

Среди приборов группы А исключительно широкое примене­ ние получили расходомеры с СУ, относящиеся к приборам пере­ менного перепада давления. Для малых расходов жидкостей и газов служат ротаметры и поплавковые приборы, относящиеся к расходомерам обтекания. Весьма перспективны вихревые расхо­ домеры.

Из группы Б значительное применение находят различные разновидности тахометрических расходомеров: турбинные, ша­

риковые и камерные (роторные, с овальными шестернями и др.), последние — в качестве счетчиков газа, нефтепродуктов и других жидкостей.

Среди разнообразных приборов группы В чаще других приме­ няют электромагнитные расходомеры для измерения расхода электропроводных жидкостей и ультразвуковые (разновидность акустических) для измерения жидкостей и частично газа. Реже встречаются тепловые — для измерения малых расходов жидко­ стей и газов.

Меточные и концентрационные расходомеры, относящиеся к группе Г, служат для разовых измерений, например при проверке промышленных расходомеров на месте их установки. Корреля­ ционные приборы перспективные, в частности, для измерения двухфазных сред.

Подробная классификация расходомеров и счетчиков разра­ ботана во ВНИИМ и опубликована в ГОСТ 15528-86.

10

Классификация расходомеров переменного перепада давления

Расходомером переменного перепада давления называется из­ мерительный комплекс, основанный на зависимости от расхода перепада давления, создаваемого преобразователем расхода, уста­ новленным в трубопроводе, или элементом последнего (напри­ мер, коленом).

В состав измерительного комплекса входят: первичный преобразователь расхода;

первичная линия связи — соединительные трубки и вспомо­ гательные устройства на них;

первичный измерительный прибор — дифманометр.

В случае необходимости передачи показаний на значительное расстояние к этим элементам добавляются:

вторичный преобразователь перемещения подвижного элемента дифманометра в электрический или пневматический сигнал;

вторичная линия связи — электрические провода или соеди­ нительные трубки;

вторичный измерительный прибор.

Дифманометры, оснащаемые вторичными преобразователями (индуктивными, дифференциально-трансформаторными, тензорезисторными или пневматическими), могут иметь шкалу, а могут ее и не иметь. В последнем случае их называют либо бесшкальными дифманометрами (пример: дифманометры ДМ) или же пре­ образователями перепада давления (пример: дифманометры «Сап­ фир»).

Помимо перечисленных частей в измерительный комплекс рас­ ходомера могут входить еще:

средства измерения плотности вещества (плотномеры или при­ боры измерения давления и температуры);

вычислительные устройства для учета в формуле расхода сиг­ налов по р, р и т.

Если дифманометр или вторичный прибор снабжены интегра­ тором со счетным механизмом, то такой прибор измеряет не толь­ ко расход, но также массу или объем прошедшего вещества. На­ ряду с этим массу и объем можно получить путем платиметрирования и обработки диаграмм записи Ар, p u t (перепада давле­ ния, давления и температуры).

Расходомеры переменного перепада давления имеют следую­ щие разновидности, в зависимости от вида преобразователя рас­ хода:

1) с сужающими устройствами;

2) с гидравлическим сопротивлением;

3)центробежные;

4)с напорными устройствами;

5)с напорными усилителями;

6)ударно-струйные.

11