Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Основные направления повышения точности измерения расхода 11
1.1 Требования, предъявляемые к современным средствам и системам измерения расхода газа 14
1.2 Причины погрешностей систем и средств измерения расхода со стандартными диафрагмами 17
1.3 Влияние шероховатости трубопровода на коэффициент истечения диафрагм 24
1.4 Влияние притупления входной кромки диафрагмы на ее коэффициент истечения 25
1.6 Влияние коэффициента расширения на результат измерения расхода 30
1.6 Применение других первичных преобразователей расхода 32
1.7 Сравнительный анализ систем и средств измерения расхода газа 34
Результаты и выводы к главе 1 39
ГЛАВА 2 Разработка информационно-измерительных систем измерения расхода и количества газа, которые исключают влияние коэффициента истечения сужающих устройств процесс измерения расхода 40
2.1 Применение тестовых методов повышения точности для задач измерения расхода газа 40
2.2 Информационно-измерительная система измерения расхода газа повышенной точности 42
2.3 Применение методов теории инвариантности измерительных устройств для задач измерения расхода газа 57
2.4 Информационно-измерительная система измерения расхода, основанная на принципе многоканальности 58
2.5 Особенности инвариантной информационно-измерительной системы измерения газа, построенной по принципу многоканальное 73
2.6 Требования к измерительным трубопроводам инвариантных информационно-измерительных систем измерения расхода газа 77
Результаты и выводы к главе 2 80
ГЛАВА 3 Первичные преобразователи инвариантных информационно-измерительных систем измерения расхода газа 81
3.1 Причины, которые влияют на процесс притупления входной кромки диафрагмы 81
3.2 Методика разработки износоустойчивой диафрагмы для информационно-измерительных систем измерения расхода газа 91
3.3 Внезапное расширение русла (трубы) в качестве первичного преобразователя расхода газа 99
3.4 Диффузоры в качестве первичных преобразователей расхода газа 105
3.5 Вывод коэффициентов расширения для расширяющих устройств 121
3.6 Погрешности измерения расхода для систем измерения расхода газа с расширяющими устройствами 130
Результаты и выводы к главе 3 141
ГЛАВА 4 Экспериментальные исследования инвариантной информационно-измерительной системы измерения расхода и количества газа 143
4.1 Испытание инвариантной информационно-измерительной системы измерения расхода газа 143
Результаты и выводы к главе 4 154
Основные результаты и выводы по работе 155
Список использованной литературы 157
Приложение А 164
Приложение Б 165
- Причины погрешностей систем и средств измерения расхода со стандартными диафрагмами
- Информационно-измерительная система измерения расхода газа повышенной точности
- Особенности инвариантной информационно-измерительной системы измерения газа, построенной по принципу многоканальное
- Внезапное расширение русла (трубы) в качестве первичного преобразователя расхода газа
Введение к работе
Актуальность
Роль расходомеров в современном мире очень высока в связи с тем, что задача контроля расхода сводится к задаче максимальной экономии энергетических и водных ресурсов многих стран мира, учитывая то, что последние дорожают с каждым днем и увеличивается масштаб потребления.
Существует огромное количество приборов для измерения расхода и количества веществ, различающихся принципами действия и методами измерений. При выборе средства измерения расхода и его количества исходят из свойств измеряемого вещества, его параметров и требований к точности измерения.
В газовой промышленности измерение расхода сводится к задаче так называемого учета газа, особенно коммерческого учета количества газа. Целью данной задачи является определение объемов природного газа, проходящего через участников системы газораспределения для проведения взаимных расчетов.
Главными вопросами учета природного газа являются достоверность учета и обеспечение совпадения результатов измерения на узлах учета поставщика и потребителей: приведенный к стандартным условиям объем газа, отпущенный поставщиком, должен быть равен сумме приведенных к стандартным условиям объемов газа, полученных всеми потребителями. Измерение расхода и количества газа обеспечивается информационно-измерительными системами, которые выполняют операции вычисления расхода, интегрирование и приведение количества газа к стандартным условиям. Повышение достоверности результатов измерения расхода газа и исключение споров между поставщиком и потребителем является важной задачей, которая требует совершенствования методов измерения расхода и количества газа.
Большое количество методов и методик применяются для малых диаметров трубопроводов. Диаметры трубопроводов до 300 мм условно можно считать малыми, а больше 300 мм большими. Данная работа посвящена повышению точности измерения расхода и коммерческого учета природного газа на магистральных газопроводах большого диаметра. Не все методы измерения являются методами коммерческого учета количества газа. На сегодняшний день самым распространенным методом коммерческого учета больших расходов природного газа является метод переменного перепада давления (Кремлевский П.П., Пистун Е.П., Алви С.Х., Кивилис С.С, Личко А. А. и др.). Данный метод измерения расхода газа реализуется в информационно-измерительных системах многих компаний. Методика расчета расхода и определение неопределенности (погрешности) измерения расхода нормируется ГОСТ 8.586.1-5-2005 «Измерение расхода и количества жидкостей и газов с помощью стандартных сужающих устройств». В качестве
преобразователей расходомеров в данном методе используются сужающие устройства. Наиболее распространённым первичным преобразователем расхода является сужающее устройство типа стандартной диафрагмы. Объясняется этот факт, прежде всего простотой конструкции данного типа преобразователя, детальной проработкой методики выполнения измерений и поверки. Большое количество различных методов измерения расхода не смогли вытеснить с рынка расходомеров приборы со стандартными диафрагмами, хотя последние обладают целым рядом недостатков, наиболее существенными из которых являются: большие погрешности измерения (до 10% и более за пределами динамического диапазона); небольшой динамический диапазон (от 3 до 10); значительные потери давления из-за дросселирования потока рабочей среды; уменьшение пропускной способности трубопровода из-за сужения измерительного участка; неизбежное нарушение геометрии, вызванное притуплением входной острой кромки и др.
Таким образом, актуальными и важными являются задачи выявления и устранения причин возникновения погрешностей расходомеров переменного перепада давления, повышение точности информационно-измерительных систем измерения расхода и количества газа.
Целью настоящей работы является повышение точности систем измерения расхода газа за счет уменьшения влияния основных возмущающих воздействий.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи.
Провести анализ существующих систем измерения расхода газа на узлах измерения расхода и количества газа магистральных газопроводов и влияния возмущающих воздействий.
Разработать информационно-измерительные системы измерения расхода и количества газа, которые менее подвержены влиянию основных возмущающих воздействий.
Разработать методику инженерного проектирования износоустойчивых первичных преобразователей для информационно-измерительных систем измерения расхода и количества газа.
Исследовать применимость расширяющих устройств в качестве первичных преобразователей информационно-измерительных систем измерения расхода и количества газа. Разработать математическую модель коэффициентов истечения.
Провести экспериментальные исследования информационно-измерительной системы измерения расхода и количества газа, внедрить полученные результаты в производство.
Методы исследований.
Полученные автором результаты базируются на методах гидродинамики, тестовых методах повышения точности измерений и методах теории
инвариантности в измерительной технике и подтверждены испытаниями на действующих технологических объектах. Исследование погрешностей измерения расхода ИИС проводилось с помощью пакетов MathCad v. 11 и Mathematica v. 5.2.
На защиту выносятся следующие положения:
Инвариантные информационно-измерительные системы измерения расхода и количества газа, которые уменьшают влияние коэффициента истечения на измерение расхода газа.
Методика инженерного проектирования износоустойчивых первичных преобразователей расхода.
Расширяющие устройства как преобразователи инвариантной информационно-измерительной системы измерения расхода газа и количества газа. Математические модели коэффициентов истечения.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Предложены новые структуры информационно-измерительных систем измерения больших расходов газа, позволяющие уменьшить погрешность измерения расхода за счет уменьшения влияния коэффициента истечения. На основе теории инвариантности предложены структуры информационно-измерительных систем измерения расхода газа, уменьшающие влияние изменения коэффициента истечения сужающих устройств.
Разработана методика инженерного проектирования износоустойчивых диафрагм, отличающихся тем, что входная кромка сделана из стекла и менее подвержена эффекту притупления, что увеличивает средний срок эксплуатации диафрагм на 5 - 6 лет.
На основании проведенных исследований характеристик расходомеров переменного перепада давления с расширяющими устройствами установлено, что данные устройства могут применяться в качестве первичных преобразователей информационно-измерительных систем измерения расхода и количества газа. Получены математические модели коэффициентов истечения.
Практическая ценность и внедрение результатов работы.
1. Информационно-измерительные системы измерения расхода и
количества газа, позволяющие уменьшить влияние неконтролируемых
возмущений путем исключения коэффициента истечения из алгоритма
вычисления расхода газа.
2. Методика инженерного проектирования износоустойчивых первичных
преобразователей расхода газа.
3. Расширяющие устройства, представляющие собой преобразователи
расхода газа с устойчивыми коэффициентами истечения, которые имеют
преимущества перед расходомерами с сужающими устройствами:
более стабильные и близкие к единице значения коэффициентов истечения;
возможность пропускать очистные устройства через узлы замера расхода газа;
отсутствие погрешности от эффекта притупления входной кромки, искажающего значение коэффициента истечения;
уменьшение потерь давления в измерительном трубопроводе.
4. Разработанные устройства первичного преобразователя расхода и система измерения расхода внедрены и применяются на узлах учета топливного газа компрессорных станций АО «Интергаз Центральная Азия».
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
57-ая научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых (Уфа, УГНТУ, 2006);
Всероссийская научно-техническая конференция «Электротехнологии, электропривод и электрооборудование предприятий» (Уфа, УГНТУ, 2007).
Публикации.
По результатам научных исследований опубликовано 10 печатных работ, из них 8 статей в изданиях из перечня ВАК и 2 публикации в материалах конференций.
Структура и объем диссертации.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем работы составляет 163 страницы, в том числе 16 таблиц, 69 рисунков.
Причины погрешностей систем и средств измерения расхода со стандартными диафрагмами
Высокая надежность. Этот показатель наряду с точностью является одним из главнейших. Надежность - это свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения. Это время зависит как от устройства прибора, так и от его назначения и условий эксплуатации. Приборы учета газа, узлы и детали которых в процессе измерения, находятся в движении, имеют меньший срок службы, чем у расходомеров, работающих без движущихся частей. В [41] приводится пример того, что трубы Вентури, установленные на водопроводных линиях Санкт Петербурга, исправно действуют более 60 лет. Чего нельзя сказать о расходомерах со стандартными диафрагмами, у диафрагм с малыми значениями диаметров отверстия, из-за истирающего действия потока, входная кромка притупляется за 3 — 5 лет. Как говорилось выше, данные устройства теряют точность и, следовательно, надежность. Изменение остроты входной острой кромки диафрагм и методы ее компенсации описаны в работах [1,2, 53]. Независимость результатов измерения от изменения плотности вещества. Не все приборы измерения расхода обладают данным свойством. В [41] говорится что, только лишь тепловые и силовые расходомеры независимы к колебаниям плотности. Это требование особо важно при измерении расхода газа, плотность которого сильно зависит от давления и температуры. В большинстве случаев необходимо иметь устройства, автоматически корректирующие показания приборов при изменении температуры или давления измеряемого газа. На сегодняшний день науке и технике известны такие системы измерения, в которых делается коррекция расхода в зависимости от изменения плотности. К примеру, в работе [67] рассматривается система измерения расхода, в которой осуществляется коррекция плотности потока, а в работе [13] рассмотрен метод ввода коррекции по измеряемым параметрам потока. Быстродействие прибора. Общие требования к динамическим характеристикам приборов можно найти в [44]. Такое требование определяет применимость приборов в системах автоматического регулирования и при измерении быстроменяющихся расходов. Быстродействие большинства расходомеров удобно оценивать значением их посюяшюй времени Т, в течение которого показания прибора при скачкообразном изменении расхода от Q\ до С?2 изменяются приблизительно на две трети от значения Q\-Qo- К примеру, постоянная времени тахометрических расходомеров составляет менее 0,01 с в широком рабочем диапазоне (до 1:50 - 1:80) [10], а постоянная времени тепловых расходомеров составляет десятки секунд [41]. Расходомеры с сужающими устройствами занимают промежуточное положение, их постоянная времени достигает 4 — 8 секунд. Их время Т тем меньше, чем короче соединительные трубки, чем меньше измерительный объем дифференциального манометра и чем больше его предельный перепад давлений [41]. 5. Диапазон измерений. Под этим требованием понимают отношение максимально возможного расхода к минимальному расходу, который возможно измерить с помощью расходомера. У приборов с линейной характеристикой он равен 8 - 20 и более, а у расходомеров с сужающими устройствами, имеющих квадратичную характеристику, он равен лишь 3 - 10 [41]. 6. Обеспеченность метрологической базой. Говоря о метрологической базе, необходимо сказать, что все расходомеры для градуировки и поверки требуют образцовые расходомерные установки. Такие установки представляют сложные и дорогие комплексы приборов, особенно при больших поверяемых расходах. И предназначены они преимущественно для поверки расходомеров воды и водосчетчиков. Только лишь расходомеры с сужающими устройствами не требуют образцовых установок, потому что для большинства их разновидностей были экспериментально установлены и нормированы коэффициенты расходов (истечения) и расширения в международном стандарте ИСО 5167 и других рекомендациях ИСО [41]. Этим и объясняется их широкое распространение в разных отраслях промышленности, как говорилось ранее, в газовой промышленности этот метод является самым распространенным методом коммерческого учета объемов газа.
Реализация этих требований трудно совместима в одной конструкции прибора, но не все требования возникают одновременно. Как видно из написанного в этом разделе, расходомеры со стандартными диафрагмами не отвечают всем требованиям, предъявляемым к приборам измерения расхода. Они обладают малым диапазоном измерения, не очень большим быстродействием, низкая надежность, невозможность измерять расход в агрессивных средах. Несмотря на последние недостатки, этот метод измерения расхода остается самым распространенным коммерческим методом при товарно-учетных операциях в системе газоснабжения.
Точность расходомеров с сужающими устройствами зависит от многих факторов, которые впервую очередь влияют на коэффициент истечения. Такими факторами могут быть изменение геометрических размеров диафрагмы, которые вызваны гидроударами в трубопроводе (как правило, диафрагма получает деформацию относительно вертикальной оси). На рисунке 1.2 показана фотография диафрагмы с неплоским входным торцом, который вызван гидроударом. Следующий фактор - неизбежное притупление входной кромки, помимо притупления входной кромки в процессе эксплуатации возникают другие причины, нарушающие целостность входной кромки, как на рисунке 1.3. На рисунке 1.3 изображена диафрагма с нарушенной кромкой из-за удара постороннего предмета, попавшего в трубопровод. На рисунке 1.4 диафрагма с закругленной входной кромкой.
Состоянию поверхности входного и выходного торцов диафрагм также предъявляются особые требования. Шероховатость входного торца должна быть не более \0 4d, наличие на поверхности пор и каверн как на рисунке 1.5 может служить причиной последующей неплоскостности диафрагмы.
Шероховатость измерительного трубопровода также оказывает существенное влияние на точность измерения расхода, так как она влияет на процесс формирования профиля потока. Конусность и эллиптичность трубопровода на расстоянии 2D, изменение плотности потока, расстояния между местными сопротивлениями в измерительном трубопроводе и многое другое не в меньшей степени влияет на точность измерения расхода расходомерами переменного перепада давления.
Информационно-измерительная система измерения расхода газа повышенной точности
Согласно [10, 41] в тахометрических расходомерах выделяют три основных конструктивных узла: подвижный элемент; устанавливаемый в потоке, тахометрический преобразователь, формирующий сигнал; устройство, измеряющее сигнал.
Конструкция тахометрических расходомеров на сегодняшний день, казалось бы, полностью изучена и доведена до совершенства. Тем не менее, существует ряд проблем связанных с основными конструктивными элементами и их эксплуатацией [3, 28, 41]. В работе [28] приводятся методы и системы измерения расхода, которые работают на новых типах преобразователей (микродатчики) и элеменге Виганда, которые повышают точность тахометрических расходомеров.
Погрешность тахометрических расходомеров различна, у одних счетчиков допускаемые пределы погрешности составляют порядка ±3% в нижнем (от Qm\n до 0,2Qmax) и ±1,5% в верхнем (0,2 2тах Д Qmax) диапазонах измерений, у других погрешность измерений не превышает 1% в диапазоне расходов от 0,1(?тах Д Qmax- Погрешность расходомеров и счетчиков с тахометрическими преобразователями значительно снижается до ±0,5 - 0,25%. К примеру, погрешность тахометрического расходомера РСТ 20-3-1 ОАО «Арзамасского приборостроительного завода» ,не превышает 0,5% по всему диапазону измерений.
Применение тахометрических расходомеров влечет за собой потерю давления, которая также различна, она растет с ростом диаметра от нескольких десятков до сотен паскаль. К примеру, у расходомеров с диаметром 80 мм потеря давления составляет 160 — 200 Па, на диаметрах 100 мм потеря давления достигает 250 Па, а на диметрах 500 - 600 мм потеря давления становится равной 1,25 кПа.
Тахометрические расходомеры следует поверять, межповерочные интервалы различны у различных фирм-производителей. К примеру, межповерочный интервал у вышеупомянутого расходомера РСТ 20-3-1 не более трех лет при работе на неагрессивных жидкостях и газах, и не более шести месяцев при работе на агрессивных средах, а у расходомеров типа TRZ компании «Elster» межповерочный интервал на неагрессивных средах достигает 8 лет.
Поверку тахометрических расходомеров и турбинных счетчиков проводят на образцовых расходомерных установках (поверочные стенды). Существуют различные поверочные стенды, которые позволяют проводить поверку и градуировку средств измерения расхода с различной точностью. К примеру, установка УГН-1500 позволяет провести поверку расходомера в диапазоне воспроизводимых расходов от 2 до 1500 м3/ч с погрешностью не более ±0,33%, установка УПРИУ 1600 РВ для поверки расходомеров-счетчиков типа ТГС, СГ и ТУРГАС с диаметрами от 50 до 200 мм позволяет провести поверку и калибровку на воздухе с погрешностью не более ±0,35% в диапазоне расходов от 4 до 1600 м3/ч. Некоторые установки обеспечивают погрешность измерения не более 0,15% в диапазоне расходов от 2 до 16 - 20 м3/ч.
С точки зрения нормативной и экспериментальной базы, расходомеры с сужающими устройствами являются наиболее развитыми. Основные принципы довольно хорошо изучены и совершенствуются. Существует огромное количество публикаций, огромное количество экспериментальных данных, различных нормативных документов делающих данный метод эффективным. Чего нельзя сказать о тахометрическом и ультразвуковом методах измерения расхода, хотя и имеется большое количество научных публикаций.
На сегодняшний день основным официальным документом, который нормирует применение ультразвуковых расходомеров, является [77]. Большинство нормативных документов по применению турбинных средств измерения расхода посвящены измерению расхода воды (жидкостей), кроме документа [59].
Точность измерений ультразвуковых расходомеров является пока не высокой для одно- и двухканальных исполнений. Для увеличения точности требуется увеличение количества акустических каналов. Увеличение количества акустических каналов влечет за собой увеличение стоимости и снижает надежность системы из-за большего числа электроакустических преобразователей. По данным статьи [20] только в ультразвуковом датчике может насчитываться от 10 до 30 деталей, не говоря о более двух сотнях электронных компонентов расходомера.
Ультразвуковые расходомеры также требуют поверочные расходомерные стенды для поверки. Межповерочный интервал для различных расходомеров различен, у одних производителей он равен 2 года, у других, как например, у расходомера компании ООО «Эй-Си Электронике» US800 4 года.
Погрешность расходомеров с переменным перепадом давления сегодня не превышает ±0,5%, а погрешность тахометрических расходомеров и счетчиков не очень высокого класса составляет ±1%, в то время как погрешность расходомеров высокого класса не хуже ±0,2 - 0,3% [5, 41]. Поэтому «доверие» к последним двум методам измерения расхода при коммерческом учете больше чем ультразвуковым расходомерам.
Динамический диапазон измерений у тахометрических и ультразвуковых расходомеров шире, чем у расходомеров переменного перепада давления. Диапазон давлений у ультразвуковых расходомеров шире, чем у двух других методов.
Необходимость дорогостоящих эталонных установок для поверки и калибровки тахометрических и ультразвуковых расходомеров ставит их значительно на уровень ниже расходомеров с сужающими устройствами, так как поверка расходомеров с сужающими устройствами сводится к проверке геометрических размеров на соответствие требованиям нормативных документов. 1. На точность измерения расхода методом переменного перепада давления существенное влияние оказывает притупление входной кромки диафрагмы, шероховатость внутренней поверхности измерительного трубопровода, состояние диафрагмы. Перечисленные возмущения в первую очередь сказываются на значениях коэффициента истечения. Вводимые поправочные коэффициенты не обеспечивают полную коррекцию исходного коэффициента истечения. 2. Результат обзора литературных источников по расходометрии показал, что единственным критерием оценки радиуса закругления входной кромки является время эксплуатации. В целях повышения точности измерения расхода необходимо разработать уточненную математическую модель процесса закругления входной кромки, которая учитывает, в качестве одного из критериев оценки радиуса входной кромки, свойства материала диафрагмы. 3. Применяемые подходы и методы имеют больше эмпирический характер, который не позволяет провести тщательный анализ причин возникновения погрешностей, малое количество публикаций о разработке систем измерения расхода, позволяющих устранять недостатки классических методов. Также следует учесть, что показанные дефекты диафрагм не могут быть выявлены в течении межповерочного интервала, и будут вносить искажения в результаты измерений расхода и количества газа, являясь источниками разбалансов. Поэтому для получения достоверной информации о расходе и количестве протекаемого газа необходима разработка систем, которые обеспечат инвариантность относительно возмущающих воздействий.
Особенности инвариантной информационно-измерительной системы измерения газа, построенной по принципу многоканальное
Отсюда следует заключить, что для обоих видов систем и для двух тактов измерения в первой системе минимальное расстояние между первым местным сопротивлением и сужающим устройством должно быть выбрано как для тройника разветвляющего поток. Конец байпаса следует присоединять к измерительному трубопроводу на расстоянии, которое будет не меньше чем указанное в таблице 2.2 после диафрагмы. Выполнение данных требований обеспечит условие потенциальности и стационарности потока. Сокращение прямолинейных участков допускается использованием струевыпрямителей и устройств подготовки потока. Основные типы и конструкции этих устройств подробно описаны в [18]. Другое условие, которое накладывается уравнениями гидродинамики - это изоинтропийность (адиабатичность) процесса. Для того, что бы поток был адиабатическим, и получать достоверную информацию о температуре потока измерительный трубопровод необходимо теплоизолировать. Согласно [18] допускаемое изменение температуры среды считают равным ± 3 С для газов. Длина теплоизолируемого участка определяется согласно [18]. 1. Разработаны конструкция системы измерения расхода и количества газа и алгоритм работы системы, обеспечивающие инвариантность расходомера к закруглению входной кромки, шероховатости внутренней поверхности измерительного трубопровода и нарушению профиля потока. Система измерения в целом обеспечивает инвариантность к коэффициенту истечения. 2. Расчитаны пределы допустимых погрешностей и сделан их анализ с применением известных датчиков переменного перепада давления, турбинных и ультразвуковых расходомеров. Выявлено, что начальная погрешность системы измерения определяется погрешностью расходомера установленного на байпасе. Выявлено, что установка расходомеров высокого класса точности обеспечивает высокую точность измерения общего расхода, проходящего через систему. Применение расходомеров с основной погрешностью 0,15% показало, что общий начальный расход системы не превышает 0,165%. 3. Показано, что на разработку системы не требуется дополнительных затрат связанных с установлением необходимых минимальных длин прямолинейных участков. Система измерения расхода строится в соответствии с известными правилами определения параметров и характеристик прямолинейных участков, оснащение измерительного трубопровода, и не противоречит им. С другой стороны система обеспечивает инвриантность к нарушению профиля потока, поэтому нарушение профиля потока не вызывает дополнительных погрешностей измерения расхода и количества газа.
Выше в качестве образцовых средств измерения расхода для инвариантных информационно-измерительных систем измерения расхода газа рассматривались устройства, в основе которых не лежит метод переменного перепада давления. Данное ограничение было связано с тем, что диаметр байпаса, на котором устанавливается образцовый расходомер меньше диаметра основного измерительного трубопровода. Как говорилось выше, на малых диаметрах истирающее действие потока на входную кромку диафрагмы становится более ощутимым, что приводит к погрешности коэффициента истечения. Поэтому в данной главе рассматриваются вопросы разработки методики проектирования износоустойчивых диафрагм из более твердых материалов, а также применение расширяющих устройств в качестве первичных преобразователей образцовых расходомеров. Для этого в качестве устройства возмущения потока будут использоваться такие местные сопротивления как внезапное расширение русла (трубы) и диффузоры различной конструкции. Данные устройства хорошо изучены как гидравлические сопротивления, но не достаточно хорошо изучены как первичные преобразователи расходомеров переменного перепада давления. Рассматриваются коэффициенты истечения и расхода, коэффициенты расширения расширяющих устройств.
Параметры, которые влияют на процесс притупления входной кромки диафрагмы Установлено, что острая входная кромка, в процессе эксплуатации нарушаясь, приобретает округлую форму, степень притупления оценивают радиусом закругления. При ее нарушении резко возрастает коэффициент расхода (истечения), и ошибка измерения получается отрицательного знака. Так, при малых величинах отверстия даже незначительное закругление входной кромки вызывает погрешность до 5% коэффициента истечения. Средняя степень загрязненности диафрагмы (при загрязнении также нарушается острота входной кромки) вызывает погрешность измерения в ±12%. При радиусах закругления кромки 0,5 мм погрешность коэффициента расхода может достичь от 5 до 13% для диафрагм с отверстием от 16 до 85 мм. Статья [1] описывает результаты измерения радиусов закругления различных диафрагм, которые эксплуатировались в течение от 1 года до 6 лет. В работе [2] приводится результат обработки экспериментальных данных измерения радиусов закругления диафрагм в виде формулы:
Внезапное расширение русла (трубы) в качестве первичного преобразователя расхода газа
Если остеклить цилиндрическую часть диафрагмы то удается значительно уменьшить притупление входной кромки, практически более чем в 2,5 раза.
Насколько уменьшается эффект от притупления входной кромки для различных материалов иллюстрирует график на рисунке 3.5. На нем представлены графики радиусов, которые рассчитаны по формулам (3.1), (3.8), (3.11) и (3.12).
Как видно, из графика стекло с относительной твердостью равной 17 менее подвержено эффекту закругления и более оптимально подходит по стоимости. Область применения стекол определяется их свойствами. При подборе стекла для решения данной задачи необходимо учесть плотность, прочность, твердость, хрупкость и другие физические свойства данного материала. Все перечисленные параметры во многом зависят от химического состава стекла.
При подборе сорта стекла основной упор делался на твердость стекла, потому, что от твердости во многом зависит продолжительность всех видов механических нагрузок и его обработки. Поэтому для достижения самого наилучшего результата выбираем боросиликатные малощелочные стекла с большим содержанием оксида бора. Твердость таких стекол является самой высокой по относительной шкале, и равна 16 - 17. Стекла с большим содержанием щелочных оксидов имеют меньшую твердость 7 — 9. Поэтому наличие таких оксидов в стекле не желательно [71].
Другим важным параметром является прочность. Прочность, как известно, характеризуется пределом прочности.
На прочность стекла, как и его твердость, оказывает влияние его химический состав. Так оксиды кальция и бора значительно повышают прочность, оксиды свинца и алюминия повышают в меньшей степени, а оксиды других металлов входящие в состав стекольной массы практически не изменяют прочность. Это еще раз обосновывает применение боросилпкатных стекол для решения поставленной задачи.
Еще один важный параметр — это хрупкость стекла. Именно это свойство ограничивает их применение. Хрупкость стекол может быть понижена увеличением в составе стекла оксидов бора, алюминия, кремния и магния [71].
Тепловое (термическое) расширение характеризуется увеличением линейных размеров твердых тел при нагревании. Для количественной характеристики данного параметра служит коэффициент линейного теплового расширения. Коэффициент линейного теплового расширения стекол колеблется от 5-Ю-7 до 200-Ю-7. Самый низкий коэффициент линейного теплового расширения имеет кварцевое стекло а = 5,8-10"7. Оконное стекло имеет
а = 88-10-7, а у металлов, как правило, « = 100-Ю-7. Наиболее сильно на термическое расширения стекол влияют щелочные оксиды; чем больше содержание их в составе стекла, тем больше данный коэффициент. Тугоплавкие оксиды типа оксида кремния, алюминия и бора, как правило, понижают коэффициент линейного теплового расширения. Коэффициент линейного термического расширения важно знать при спаивании (спекании или сваривании) различных по химическому составу стекол. Коэффициенты теплового расширения совмещаемых материалов (стекол) должны быть близкими по величине, в противном случае такое изделие разрушится по шву от возникших напряжений [71].
Немаловажный параметр любого материала — это термическая стойкость (термостойкость). Способность стекла выдерживать, не разрушаясь, резкие изменения температуры. Термическая стойкость играет существенную роль для стекол, которые используются в условиях резкой смены температуры, а газ как известно в зависимости от течения технологического процесса способен резко менять температуру. Наибольшей термостойкостью обладает кварцевое стекло, оно выдерживает резкий перепад температур до 1000 С. Для сравнения, термостойкость оконных стекол достигает 80 - 90 С.
Учитывая, что диафрагмы, являясь первичными преобразователями расходомеров, эксплуатируются в измеряемой среде; а среда, как правило, может содержать воду, различные растворы, влагу и другие агрессивные примеси, необходимо обратить внимание на такой параметр, как химическая стойкость.
Химическая стойкость стекла к действию щелочей называется щелочестойкостью, к действию кислот - кислотостойкостью. Химическую стойкость стекол определяют по потере массы после выдержки в агрессивной среде [71].
В зависимости от способности стекол противостоять разрушающему действию агрессивных растворов их подразделяют на гидролитические классы. Наибольшую химическую стойкость имеет кварцевое стекло, оно относится к первому гидролитическому классу, химико-лабораторные стекла, как правило, относятся ко второму. Большинство промышленных стекол принадлежат к самому обширному — третьему гидролитическому классу.
Химическая стойкость силикатных стекол в основном зависит от химического состава самих стекол и определяется содержанием в них кремнезема, который значительно увеличивает химическую стойкость [71].
Проанализировав выше написанное, можем заключить, что для решения поставленной задачи нам больше подходят стекла с повышенным содержанием оксида бора, кремнезема, оксида алюминия и низким содержанием щелочных элементов. Внутреннюю цилиндрическую часть диафрагмы можно остеклить напылением, но эта процедура не всегда выполнима из-за сложности и она является дорогостоящей, поэтому предлагается конструкция со вставным стеклянным кольцом. Хотя для диафрагм с очень малым отверстием применима только процедура напыления. Для такой конструкции предварительно на диафрагме вырезается цилиндр диаметром основания равный диаметру кольца и высотой равный высоте внутренней цилиндрической части диафрагмы. Затем вставляют кольцо с внутренним диаметром равным диаметру отверстия диафрагмы и толщиной равной высоте, вырезанного цилиндра. Фактически кольцо будет играть роль внутренней цилиндрической части диафрагмы. Также на стеклянном кольце необходимо сделать еще одно малое кольцо. Затем диафрагма накрывается тонким металлическим листом с отверстием диаметр, которого равен внешнему диаметру выступающего малого кольца. Лист имеет округлую форму, как и у самой диафрагмы. Обоснованием применения такой вставки из стекла или любого другого материала является то, что в новом документе [18], регламентирующем измерения расхода и количества веществ, толщина диафрагмы увеличена. Также увеличена длина цилиндрической части диафрагмы. Конструкция износоустойчивой диафрагмы со стеклянной вставкой приведена на рисунке 3.6. Применение стеклянного кольца обосновано его дешевизной и оптимальными значениями остальных величин, определяющих свойства материала используемого для уменьшения вредного истирающего эффекта острой входной кромки диафрагмы. Для достижения лучшей устойчивости стеклянное кольцо можно заменить на конструкцию из материала с большим значением твердости. Сравнение кривых на рисунке 3.5 показывает, что эффект закругления снижается на 44% при применении диафрагм со стеклянной цилиндрической частью. Все требования, предъявляемые к конструкции данной диафрагмы, остаются такими же, как и к обычным нормальным диафрагмам.
