Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Методы измерения расходов газожидкостных потоков 12
1.1 Области и специфика измерения газожидкостных потоков 12
1.2 Аналитический обзор методов и средств измерения расходов газожидкостных потоков 14
1.3 Состояние и развитие тепловых методов для измерения расходов газожидкостных потоков 25
1.4 Принципы структурного построения расходомера газожидкостных потоков 31
1.5 Выводы и постановка задач исследования 33
Глава 2 Экспериментальные исследования тепловых методов измерения газожидкостных потоков 35
2.1 Обоснование применения тепловых методов для измерения расхода газа в смеси 35
2.2 Установка и методика исследования физической модели расходомера 39
2.3 Исследование зависимостей информативных параметров от расходов фаз и обсуждение результатов 43
2.4 Влияние неинформативных параметров и факторов погрешность измерений 59
2.4.1 Воздействие газовой фазы на тепловую метку 59
2.4.2 Влияние свойств жидкой фазы 62
2.5 Конструктивные методы повышения качества измерения расходов газожидкостных потоков тепловыми расходомерами 64
2.6 Исследование зависимостей информативных параметров модели ПИП с разделенными зонами функционирования расходомера 66
2.7 Исследование неинформативных величин и факторов, поиск оптимальных рабочих режимов 77
2.7.1 Влияние параметров нагрева на погрешность измерений 77
2.7.2 Воздействие температур входящего потока и окружающей среды 80
2.7.3 Влияние состава жидкой фазы на информативные параметры 86
2.7.4 Влияние угла наклона оси расходомера к вектору гравитации 87
2.7.5 Объем выборки значений теплового тренда 89
2.7.6 Критерии определения фронта и максимума тепловой метки 90
2.7.7 Влияние уровня балансировки мостовой схемы 93
2.8 Обоснование выбора структуры расходомера на основании экспериментальных данных 94
2.9 Выводы 95
Глава 3 Математическое моделирование тепловых расходомеров для газожидкостных потоков 97
3.1 Математические модели для однофазного потока 98
3.2 Модели для газожидкостных потоков 105
3.2.1 Статическая экспериментально-аналитическая модель 109
3.2.2 Аналитическая модель 111
3.3 Результаты моделирования 113
3.4 Выводы 115
Глава 4 Разработка тепловых систем измерения для газожидкостных потоков 117
4.1 Алгоритм функционирования расходомера 117
4.2 Методика параметрического синтеза и аппаратурное оформление расходомера 122
4.3 Оценка погрешности разработанных средств измерения 128
Выводы 133
Литература 136
Приложения 145
Приложение 1 План проводимых экспериментов 145
Приложение 2 Аппроксимация экспериментальных данных для определения коэффициентов влияния для ПИП №3 146
Приложение 3 Принципиальная электрическая схема расходомера 147
Приложение 4 Пересчет значений ИП в градусы Цельсия 148
Приложение 5 Проверка нормальности распределения 149
Приложение 6 Внедрение 150
- Состояние и развитие тепловых методов для измерения расходов газожидкостных потоков
- Воздействие температур входящего потока и окружающей среды
- Статическая экспериментально-аналитическая модель
- Методика параметрического синтеза и аппаратурное оформление расходомера
Введение к работе
Актуальность работы. Несмотря на широкую номенклатуру средств измерения расхода, требуют решения специфические задачи измерения расходов как по дпапиЗснам расходов ^мзлыс и мккрорасходы^, так и по их свойствам й составу (например, многофазные потоки). Газожидкостные потоки находят применение в технологических процессах ряда отраслей промышленности: добыче и переработке нефти, переработке и производстве полимеров, микроэлектронике, водоочистке, авиастроении, биотехнологиях, фармацевтике, медицине, нанесении покрытий, пищевом производстве.
Для измерения газожидкостных потоков применяются наиболее перспективные в настоящее время неконтактные средства измерения - ультразвуковые, кореолисовые, а также тепловые. Однако существующие тепловые расходомеры (калориметрического типа) не позволяют получать информацию о расходе газовой фазы в потоке и область их функционирования ограничена малыми величинами газосодержания.
Предлагаемое исследование посвящено развитию бесконтактных тепловых методов, обладающих широкой информативностью и высокой эксплуатационной надежностью, с целью устранения указанных ограничений. Для решения поставленной задачи наиболее актуальным является применение совокупности тепловых методов и создание новых структур расходомеров, позволяющих измерять расходы компонентов газожидкостной смеси и при необходимости свойства жидкой фазы.
Целью исследований является разработка принципов построения тепловых бесконтактных расходомеров для измерения расхода газожидкостных потоков на базе многоканальных первичных измерительных преобразователей. Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
Предложены структуры расходомеров газожидкостных потоков, базирующиеся на комбинациях основных бесконтактных тепловых методов измерения;
Разработаны физические модели первичных измерительных преобразователей (ПИП) расходомеров, исследовательская установка и предложена методика проведения эксперимента;
Систематизированы и количественно оценены погрешности информативных параметров, а также влияние неинформативных величин и факторов на метрологические характеристики исследуемых методов;
Зкспсрйментально определена чувствительность информативных параметров, характеризующая избирательность к расходам отдельных фаз в газожидкостном потоке; \
/Л ":>
Разработаны математические модели процесса теплопереноса в первичном измерительном преобразователе для газожидкостных потоков;
Создана методика расчета кошлрукпшных и энергетических параметров первичных измерительных преобразователей на основе полученных экспериментальных и теоретических результатов;
7. Разработан алгоритм функционирования расходомера и представлены
результаты практического применения разработанного прибора.
Методы исследований. В работе использовались теорепгческие и экспериментальные методы исследований, методы математической статистики, теории теплопереноса и математігческого моделирования. Научной новизной являются:
структуры тепловых бесконтактных расходомеров газожидкостных потоков, основанных на методе совокупных измерений;
аналитические математические модели процессов конвективно-кондуктивного теплопереноса в первичных измерительных преобразователях (ПИП) расходомеров газожидкостных потоков, специфика теплообмена в которых учитывается введением эффективной теплопроводности при математической формулировке моделей;
математическое описании способа реализации вычисления расходов отдельных фаз потока при совокупных измерениях величин информативных параметров;
в впервые созданный обобщенный алгоритм функционирования расходомера, обеспечивающий его применение для предложенных структур первичного измерительного преобразователя;
Практическая ценность работы заключается в:
разработке методики структурно-параметрического синтеза тепловых расходомеров газожидкостных потоков, разработанной на основе проведенньк теоретических экспериментальных исследований;
создании универсального измерительно-вьиислительного блока для применения с первичными преобразователями различных принципов действия и конструкций;
Обоснованность и достоверность научных положений обеспечивается использованием современных технических средств и методов измерения. Дисіиверносіь теоретических положений и результатов подтверждается удовлетссрительпси для практики сходимостью с экспериментальными данными (погрешность моделей в пределах 12-21%);
На защиту выносятся:
1. Впервые предложенные принципы построения многопараметрических
бесконтактных тепловых расходомеров для измерения газожидкостных потоков;
Методика экспериментальных исследований разработанных физических моделей расходомеров и количественная оценка их метрологических показателей;
Результаты экспериментальных исследований и оптимизации конструктивных и энергетических параметров первичных преобразователей;
Математические модели тепловых процессов в первичном измерительном преобразователе расходомера для целей параметрического синтеза, проектирования и вычисления расходов фаз в газожидкостном потоке;
Систематизация источников, оценка погрешности и способы улучшения метрологических характеристик расходомера;
6. Обобщенный алгоритм функционирования расходомера.
Практическая ценность результатов. Результаты работы приняты к реализации на
предприятии по переработке пластмасс ОАО «Аэлита».
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на
Международных научно-технических конференциях «Коммерческий учет
энергоносителей» (Санкт-Петербург, 2006 г.), ММТТ-20( Ярославль, 2007 г.), ММТТ-
21 (Саратов, 2008 г.), ММТГ-22 (Псков, 2009 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ из них 1 в журнале,
рекомендованном ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав,
заключения, списка литературы из 93 источника. Работа изложена на 146 страницах,
содержит 69 рисунков, 36 таблиц и 3 приложения.
Состояние и развитие тепловых методов для измерения расходов газожидкостных потоков
Предваряя постановку задач нашего исследования целесообразно проанализировать перспективные направления и задачи развития тепловых методов измерения расхода и оценить их информативные возможности применительно к проблеме измерения расходов гетерогенных потоков [1, 56].
Совершенствование указанных методов измерения, в общем, связано с корректной оценкой различных нестационарностей величин, факторов и созданием способов и средств, уменьшающих или исключающих их негативное влияние [56-59]. Основные виды нестационарностей и методы их компенсации обобщены на рисунке 2 [60].
Одним из видов нестационарности является непостоянство свойств и состава измеряемой среды, которое имеет место, например, при измерении расходов гетерогенных потоков.
Измерения таких расходов основано на принципе многоканальное первичных измерительных преобразователей (ПИП). Применение указанного принципа реализуется при помощи известных тепловых методов и приборов измерения расхода:
расходомеров теплового пограничного слоя;
термоанемометрических расходомеров;
калориметрических расходомеров;
меточных расходомеров (динамических).
В расходомерах теплового пограничного слоя, метод измерения которого показан на рисунке 3, температура измерительного преобразователя изменяется за счет переноса тепла от нагревателя к термопреобразователю тонким тепловым пограничным слоем потока, причем величина возникающего при этом градиента температур в тепловом пограничном слое обратно пропорциональна расходу потока в трубопроводе.
В термоанемометрических расходомерах имеет место изменение температуры тела небольших размеров (металлическая нить, стержень или полупроводниковый элемент), помещенного непосредственно в поток и нагреваемого проходящим по нему электрическим током. Температура первичного преобразователя (нагретого тела) зависит от скорости потока.
Расходомеры теплового пограничного слоя и термоанемометриче-ские расходомеры требуют индивидуальной градуировки на конкретной измеряемой среде. Эти расходомеры в зависимости от способа градуировки могут измерять расход в массовых или объемных единицах.
В калориметрических расходомерах тепло от нагревателя передается всей массе потока. Поэтому сигнал первичного преобразователя зависит от массового расхода контролируемого потока.
По расположению нагревателя и термопреобразователей тепловые расходомеры делят на контактные и бесконтактные. Т.е. бесконтактными называются те расходомеры, у которых основные элементы расходомера термопреобразователи и нагреватель - находятся в контакте с измеряемой средой. Обычно в этом случае они расположены на внешней поверхности трубы. В промышленности, главным образом, используют бесконтактные расходомеры [63].
Массовый расход определяют из выражения где WH - мощность.нагрева, Вт. Ср - удельная теплоемкость измеряемой среды-(Вт-с)/(кг-К),.ДТк - разность средних температур потока до и после нагрева, G, QM - массовый расход среды, кг/с, К - конструктивный коэффициент. При контактном исполнении равен 1, при бесконтактном 1.
Рассмотренные выше тепловые методы измерения функционируют в режиме стационарного теплообмена.
Одним из наиболее распространенных динамических методов является меточный. Этот метод подразумевает ввод кратковременного, теплового импульса (тепловой метки) вшоток с последующим измерением времени переноса т на контрольном участке L от нагревателя до места измерительного термопреобразователя или между двумя последовательно расположенными термопреобразователями. Основным условием при выборе области установки термопреобразователя является, отсутствие теплопере1 носа путем теплопроводности по- стенке патрубка вдоль оси- ПИП: Достоинство метода - практически отсутствующая зависимость времени переноса метки от теплофизических свойств измеряемой среды (если измеряется время переноса максимума температуры,метки). На рисунке 5 показана структура первичного преобразователя меточного расходомера. Здесь 1 — термопреобразователь, компенсирующий погрешность от изменения температуры входящего потока жидкости. 2 — нагреватель. 3 - тепловая метка в движении. 4 - патрубок первичного измерительного преобразователя. 5 - измерительный термопреобразователь, предназначенный для регистрации тепловой метки.
Методы с постоянным нагревом потока подвержены влиянию нестабильности теплофизических свойств измеряемой среды.
При реализации динамического метода разность температуры АТД измеряют непосредственно за нагревателем так же как при применении метода теплового пограничного слоя. При этом тепло в поток вводится не постоянно, а короткими импульсами. Достоинство метода в его сравнительной энергоэффективности.
Проведенный нами анализ тепловых методов измерения расходов в первом приближении позволяет определить какие из указанных методов демонстрируют преимущественную чувствительность к изменению расхода одного из компонент измеряемой газожидкостной среды. К примеру, комбинация из двух методов измерения, среди которых один из них преимущественно чувствителен к расходу газа, а второй к расходу жидкости, позволит нам определить расход обоих компонентов смеси. Помимо этого комбинация из некоторых методов может дать дополнительную информацию об измеряемой среде. Так, например, располагая информацией об объемном Q0 и массовом QM расходах жидкой фазы в потоке на основании зависимостей (1) и (2) можно вычислить плотность среды р при условии постоянства свойств. При условии отсутствия теплопотерь от ПИП в окружающую среду можно вычислить темп охлаждения метки [60] и по нему определить коэффициент теплопроводности газожидкостной среды А,.
Каждый из тепловых методов измерения, перечисленных нами выше, обладает собственными информативными параметрами (ИП) — величинами, которые использует расходомер для определения расхода среды. От метода измерения и ИП в конечном счете будет зависеть погрешность измерения расхода. В таблице 2 представлены ИП, присущие методам измерения, возможность комбинирования с ИП различных тепловых методов, а также показана предполагаемая чувствительность ИП к расходам компонентов смеси и теплофизическим свойствам жидкой фазы
Мы предполагаем, что приведенные тепловые методы измерения покажут чувствительность к расходу газа в потоке в виду интенсификации теплообмена (особенно в зоне нагрева), как это было показано в работе [4, стр. 27], и сравнительно малой инерционности измерения.
Известно, что на погрешность указанных методов существенно влияют теплофизические свойства измеряемого потока [61], поэтому в таблице 2 нами указано влияние изменения теплофизических свойств жидкости на тот или иной метод.
Воздействие температур входящего потока и окружающей среды
Одним из основных источников погрешности тепловых расходомеров является нестабильность температуры входящего потока [1]. Чтобы уменьшить погрешность, вызванную изменением температуры, используют компенсирующие термопрмопреобразователи, что частично решает проблему. Тем не менее, если рассмотреть тренд разности температур (рисунок 47а) до и после участка нагрева, полученный при увеличении температуры входящего потока, то увидим следующее.
На участке А показания расходомера неизменны до момента времени прохождения более теплой жидкости. Участок Б характерен для момента, когда фронт теплой жидкости проходит мимо компенсирующего термопреобразователя, а участок В - для времени, когда фронт минул измерительный термопреобразователь. Разность показаний 8 обусловлена тем, что невозможно подобрать термопреобразователи с идеально совпадающими статическими характеристиками, что проиллюстрировано на рисунке 476 для термосопротивлений 1 и 2 одинаковой марки, выбранных из одной партии.
Для того чтобы нивелировать влияние температуры входящего потока и избежать появления разности в показаниях (5), а так же решить проблему влияния температуры внешней среды, нами была разработана схема автоматической балансировки мостовой схемы. Таким образом, в начале каждого цикла измерений расходомер автоматически балансирует мостовые схемы, что решает проблему длительного дрейфа баланса моста. Безусловно, автоматическая балансировка не позволяет избежать возникновения ошибок измерения, если температура входящего потока изменится во время измерений.
Чтобы оценить эффективность схемы автобалансировки, нами были проведен соответствующий эксперимент. В серии измерений мы стабилизировали расходы жидкости и газа на значениях 6,21-Ю"6 м3/с и 1,22-10"6 м3/с соответственно. Затем снимали показания расходомера, изменяя температуру входящего потока в пределах от 13 до 38 С. Приведенные графики на рисунке 48 дают возможность оценить как сказывается изменение температуры входящего потока на различных ИП и а измерений без автоматической балансировки мостовых схем в измерительном блоке. Графики на рисунке 49 демонстрируют результаты при включенной балансировке мостов.
Можно видеть, что с ростом температуры входящего в расходомер потока всего на 1 С возникает существенное искажение результатов при отключенной автобалансировке. В то же время автобалансировка мостовых схем перед каждым измерением позволяет работать расходомеру в диапазоне температур 13-38 С. Таким образом, можно сделать вывод, что автобалансировка работает достаточно успешно. Чтобы еще лучше компенсировать влияние температуры потока, необходимо использовать АЦП большей разрядности, что ускорит и сделает более точной автобалансировку мостовых схем.
Если принять 25 С за базовую точку, то влияние ТВх как неинформативного параметра можно показать так, как это сделано в таблице 27.
Согласно нашим наблюдениям, температура окружающей среды оказывает влияние как на элементы ПИП, так и мостовые схемы ИБ. Мы провели два эксперимента, чтобы оценить влияние ТОКР на погрешность измерений. В обоих экспериментах температура входящего потока и расходы жидкости и газа были стабилизированы, и составили соответственно 24-25 С, 1,14-Ю"6 м3/с и 1,0-10 б м3/с. Все остальные факторы, перечисленные в таблице 3 также были стабилизированы. В первом эксперименте изменяли температуру окружающей среды, температура измерительного блока оставалась 20 С. Во втором эксперименте действовали наоборот. Результаты на рисунке 50 иллюстрируют воздействие изменения температуры окружающей среды на показания ИП при наличии или отсутствии автобалансировки основных блоков расходомера (измерительный блок и ПИП №3).
Анализ графиков показывает, что Т0КР влияет больше на измерительный блок, чем на ПИП, а также что автобалансировка на несколько порядков снижает погрешность, вносимую изменением температуры окружающей среды. Однако полной компенсации не происходит, и комплекс мер (автоматическая балансировка мостовых схем и внешняя термоизоляция ПИП) полностью проблемы не устраняют. Чтобы решить задачу компенсации изменения внешней температуры, мы предлагаем следующие пути решения:
1. Как и в случае с температурой входящего потока, увеличить разрядность АЦП и улучшить помехозащищенность электронной схемы расходомера, что в целом повысит эффективность автобалансировки.
2. Консервативные методы (компенсационные спаи, термостатирова ние и т.д.)
Существуют и другие пути решения задачи. Например, возможна реализация коррекции в соответствии с температурой внутри измерительного блока. Однако, на наш взгляд, такое решение существенно усложнит промышленное изготовление и градуировку прибора.
Для термоизоляции ПИП обычно применяют стоячий воздух в корпусе или полимерные наполнители (пена). Это помогает справиться с быстрыми изменениями внешней температуры за счет малой теплопроводности изолятора. Развивая эту идею можно прийти к заключению, что вакуумированный корпус из материала с низкой теплопроводностью будет идеальным. Но и это не решит проблему изменения внешней температуры в такой ситуации как смена дневной температуры на ночную. Поэтому, даже если удастся найти оптимальное с точки зрения технологии изготовления решение, этот вариант тоже нельзя считать приоритетным.
В машиностроении с целью продления работы кинематических пар используют прием подбора компонент сборки [64]. Суть приема заключается в том, чтобы подобрать из большого количества деталей оптимальную пару (например, с наименьшим зазором). На машиностроительном производстве это может оказаться дорогостоящей и сложной операцией, но в нашем случае, поскольку измерять электрические величины можно быстро и точно, такая операция вполне оправдана. Разумеется, при условии серийного производства расходомера.
Статическая экспериментально-аналитическая модель
Влияние наличия газа на коэффициент теплоотдачи а может быть учтено через сечение трубопровода следующим образом: в выражении (40) выразим скорость движения жидкой фазы уж через ее объемный расход QOK и площадь сечения трубы S.
Сечение жидкой составляющей потока Бж будет уменьшаться пропорционально увеличению сечения газа, т.е. его объемному расходу. Следовательно, справедливы уравнения (42), из которых можно вывести объемное газосодержание Г и зависимость площади сечения жидкой фазы SM от объемных расходов газа и жидкости (43):
Подставив скорость V в Re в итоге получим уравнение (46) для вычисления коэффициента теплоотдачи:
Таким образом, расход газа Q0r оказывает влияние на коэффициент теплоотдачи а по цепочке 5ж — vж — Re — а
Однако выражение (46) не учитывает влияния гидростатического давления на объем газа, связанного напрямую с газовой составляющей потока. Объемный расход газа на выходе из расходомера (где его расход измеряется при калибровке прибора) будет отличаться от объемного расхода газа в точке установки термопреобразователя в виду разных давлений. По этому следует ввести понятие объемного расхода газа в точке измерения Qora- Из уравнения Клапейрона-Менделеева pV=jiRT не трудно определить как связаны между собой объемные расходы газа на выходе Qor и в точке измерения Qom- Объем пузыря перестает расти тогда, когда внутреннее давление р уравновесится с внешним давлением Р. Поскольку U.RT можно считать константой, получим пропорцию согласно рисунку 61 и уравнение для а:
Строго говоря, выражение (47) отражает лишь часть давления, которое может развиваться в трубопроводе. Мощный насос способен развить в трубопроводе давление в несколько атмосфер, поэтому при моделировании расходомера на промышленном объекте следует в числитель ставить реальное давление в трубопроводе. Для созданной нами установки гидростатическое давление не имеет существенного значения, поскольку высота h очень мала, а насос способен развить,крайне слабый напор в виду того, что мы исследовали малые расходы:
По этой причине в дальнейших расчетах мы будем пренебрегать влиянием гидростатического давления.
Теперь, располагая зависимостью для а, в уравнении (33) появилась возможность учесть влияние газовой фазы на скорость движения жидкой фазы. Однако этого недостаточно, поскольку уравнение не учитывает появление фактора перемешивания.
Чтобы учесть перемешивание жидкости при движении газовой фазы в потоке обратимся к гипотезе №1. Еще одно подтверждение ее справедливости можно встретить в [78], где авторы предлагают рассматривать теплопроводность газожидкостного потока как сумму молекулярной и тур булентной теплопроводностей. Однако позволим себе не согласится с названием «турбулентная теплопроводность» в виду вышеупомянутых тейлоровских течений. Тем не менее, действительно результирующую теплопроводность газожидкостного потока, как в последующем было установлено, удобно представить как функцию вида (50), и подобрать коэффициенты а и b экспериментально.
Тогда при подстановке (50) в уравнения для вычисления критериев Re и Рг мы получим уравнение для разности температур канала теплового пограничного слоя с учетом влияния газовой фазы как на скорость движения жидкости, так и на сам пограничный слой.
Для определения времени переноса метки используется уравнение (39) с учетом влияния газа на скорость с помощью выражения (44).
Методика параметрического синтеза и аппаратурное оформление расходомера
Представленная методика реализуется на основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований и предложенного аппаратурного оформления (приложение 3), обобщенный алгоритм которой представлен на рисунке 68. Исходными данными (блок №1) для расчета ПИП обычно являются диапазоны измерения расходов фаз, требуемые метрологические и характеристики надежности для измерительной системы, коэффициент чувствительности. Формулируются условия измерений, которые включают такие факторы, как внешние воздействия (температура), так и свойства измеряемого потока (агрессивность, токсичность, взрывоопас-ность, коррозионная активность) и т. п. Например, в зависимости от коррозионной активности потока определяется минимальная толщина ПИП. Далее производится уменьшение списка возможных материалов (блок №2), подходящих для изготовления ПИП, на основе информации о коррозионной и химической стойкости к компонентам потока.
Следующий шаг (блок №3) - выбор приоритета по чувствительности, который может быть отдан расходу газа или расходу жидкости. Так, например, для решения задачи определения содержания газовых примесей в потоке доля примесей обычно крайне мала - от 1% до 0.01%. При низких газосодержаниях расходомер демонстрирует очень высокую чувствительность к расходу газа, поэтому приоритет может быть отдан расходу по жидкости. И, наоборот, для контроля за химическими реакциями чувствительности к расходу газа должен быть отдан приоритет, поскольку от расхода газа зависит режим газожидкостной смеси. В целом, приоритет зависит от соотношения расходов, поскольку высокий расход газа приводит расходомер в область низкой чувствительности по газу. То же самое касается и высокого расхода жидкости.
Если приоритет отдан чувствительности по газу (особенно в условиях необходимости сохранять малые габариты), а требования к герметичности и надежности позволяют устанавливать в разрывы патрубка теплоизолирующие вставки (блок №4), тогда выбирают материал с наибольшей теплопроводностью (блок №5). Если же приоритет по чувствительности отдается жидкости или нельзя создавать разрывов патрубка, выбирается материал с низкой теплопроводностью (блок №6).
Затем следует определить диаметр внутреннего патрубка (блок №7). Внутренний диаметр выбирают таким, чтобы конструктивно его было удобно сопрягать с присоединительным. При наличии возможности внутренний диаметр следует делать больше, чтобы снизить гидравлическое сопротивление и повысить чувствительность за счет снижения скоростей фаз.
Минимальная толщина стенки патрубка (блок №8) определяется из соображений прочности, коррозионного износа и внутреннего давления. Чем будет выше внутреннее давление - тем меньше будет объем газовых пузырей. В пределе при высоком давлении газовая фаза вообще перестанет оказывать влияние на тепловой пограничный слой. Опираясь на экспериментальные данные, мы можем заключить, что при расходах газа порядка 10"7 м3/сек расходомер воспринимает поток уже как жидкостный. Следовательно, если в точке установки термопреобразователя пограничного теплового слоя объемный расход газа под действием давления будет близок к указанному расходу, то измеряемый информативный параметр выйдет за границы диапазона измерения и потеряет смысл. Следовательно, можно определить максимально допустимое давление в патрубке расходомера, при котором наш ПИП будет все еще чувствителен к расходу газа. Для этого зададимся минимальным объемным расходом газа при атмосферном давлении, который должен регистрировать расходомер: Qor"un=10 5 м3/с. В точке измерения расхода газа расходомером будет действовать давление, которое сжимает газ. Следовательно, объемный расход газа в точке измерения термопреобразователем будет меньше и при этом не должен быть менее Qoni1" = Ю"7 м3/с (подчеркнем: для нашей конструкции ПИП, вводимой мощности и коэффициентов усиления). Тогда максимально допустимое давление для попадания в диапазон измерения Р можно вычислить на основании пропорции где Qor" - минимально допустимый объемный расход газа в потоке при атмосферном давлении (измеряемый на выходе расходомера при атмо-сферном давлении), м /сек. СЬги - объемный расход газа в точке измерения при давлении Р. Рдтм — атмосферное давление, Па.
В нашем случае получаем Р = 10 атмосфер. Однако следует сделать поправку на растворимость газа в жидкости в зависимости от давления на основании табличных данных.
Чтобы рассчитать толщину патрубка можно воспользоваться [88] (параграф «Гладкие цилиндрические обечайки, нагруженные внутренним избыточным давлением»). Толщина s стенки должна быть где Р - внутреннее давление, Па. di - внутренний диаметр, мм. [с] - допускаемое напряжение, МПа фр - коэффициент прочности по продольного шва (обычно отсутствует, т.е. равен 1). с - прибавка на коррозию и износ, где СІ - износ по фактору I (например, износ по фактору коррозии), I - скорость износа мм/год, t - закладываемое время эксплуатации прибора, лет Допускаемое напряжение [а] определяют по формуле где пт- коэффициент запаса прочности (для рабочих условий 1,5) Re20- минимальное значение предела текучести, при температуре 20С, МПа. Формулы действительны при условии, что
Далее проводится расчет фланцевых (блок 10) соединений согласно рекомендациям [89, стр. 90]. Если в составе ПИП предполагается использовать теплоизолятор, то он может быть вставлен как прокладка во фланцевом соединении. В этом случае рекомендуется по возможности выбирать такие фланцевое соединение и уплотнительную поверхность, чтобы минимизировать площадь контакта металлических поверхностей фланца. Выбор конкретной конструкции фланца зависит, главным образом, от давления внутри ПРШ, но в большинстве случаев оптимальным будет свободное фланцевое соединение. В этом случае форма уплотнительной поверхности не принципиальна, т.к. в любом случае исключен контакт двух патрубков в составе ПИП. Прокладку следует выбирать из полимеров - фторопласт, полиэтилен высокого давления или из резины, поскольку эти материалы имеют низкую теплопроводность и обладают достаточной мягкостью, что необходимо для обеспечения герметичности. Когда применение свободного фланцевого соединения невозможно, следует использовать уплотнительную поверхность шип-паз в составе других вариантов конструкции фланцевого соединения.
В болтовом соединении. следует использовать теплоизолирующие втулки и подкладки для болтов и гаек с целью предотвратить теплоперенос по этим частям конструкции. Следует стремиться по возможности снизить массу фланцевых соединений, т.к. это может сказаться на инертности и погрешности прибора.
Минимальный контрольный участок L (блок 11) определяют по формуле (15). Ключевыми условиями в определении расстояния L являются отсутствие теплопереноса вдоль оси патрубка и влияния газовой фазы. Вне зависимости от того будет ли в последующем выбран меточный или калориметрический метод измерения расхода жидкости, этот участок должен быть выдержан чтобы исключить влияния газовой фазы на измерение расхода жидкости.
Выбор параметров источника тепловой энергии (блок 12) - это поиск баланса между чувствительностью и энергозатратами. Он проводится итеративно по результатам моделирования и расчета коэффициентов усиления в электронной схеме расходомера.
Моделирование характеристик ПИП [95, 96] (блок 13) дает на выходе температуры в зонах измерения термопреобразователями. Эта информация используется для выбора термопреобразователей (блок 15) и вычисления коэффициентов усиления в измерительных контурах расходомера. Если коэффициенты слишком высоки, это неизбежно приведет к высоким шумам, поэтому может возникнуть необходимость вернуться к блокам 11 и 12. Отметим, что для подготовки модели необходимо провести экспериментальное определение эффективной теплопроводности измеряемой среды в зависимости от расхода газа, т.е. определение коэффициентов а и b в (50). Это можно сделать, измерив теплопроводность среды при двух и боле значениях расхода газа.
После окончательного принятия всех параметров ПИП и коэффициентов усиления выбирают разрядность АЦП. На практике рекомендуется использовать 12-16 бит.
