Rosemount Справочное руководство инженера по измерению расхода по перепаду давления Manuals & Guides

Справочное руководство инженера по измерению расхода по перепаду давления

Издание 2020 года

ПРИМЕЧАНИЕ

Логотип Emerson является фирменной маркой и торговым знаком компании Emerson Electric Company. Rosemount является фирменной маркой компании, входящей в семейство компаний Emerson. Все прочие торговые марки являются собственностью соответствующих владельцев. Содержание этой публикации представлено только для информационных целей, и хотя были предприняты все усилия для обеспечения его точности, содержание публикации не следует рассматривать как некую гарантию, выраженную или подразумеваемую, относительно изделий или услуг, описанных в ней, или их использования или применимости. Представленная здесь информация НЕ ЯВЛЯЕТСЯ гарантией удовлетворительных результатов. Компания Emerson оставляет за собой право изменять или улучшать конструкцию или технические характеристики нашей продукции в любое время без уведомления.

Запрещается воспроизведение, хранение в информационно-поисковых системах и передача в любой форме и любыми средствами, включая электронные, механические, фотокопирование, запись или иные, любой части настоящей публикации без предварительного письменного согласия Emerson.

Emerson Automation Solutions 6021 Innovation Blvd. Shakopee, MN 55379 США Emerson.com

Введение

Благодаря широкому диапазону возможностей применения и надежности технология измерения расхода по перепаду давления остаётся популярной и заслуживающей доверия на протяжении уже более 100лет. Руководство инженера по измерению расхода по перепаду давления следует использовать в качестве справочного пособия при выборе и эксплуатации приборов в различных сферах применения. В этом документе вы можете найти основную информацию об измерении расхода по перепаду давления, включая базовые понятия, теории иуравнения. Здесь также представлены рекомендации и лучшие практики по установке приборов для повышения точности измерений, оптимизации эффективности производства ирешения проблем, характерных для определенной области.

Настоящее руководство включает в себя следующие главы:

Глава 1 – Расходомер по перепаду давления описывает историю и основные принципы измерения расхода по перепаду давления. В этой главе представлены различные компоненты необходимые для измерения расхода, и определены возможные сферы применения.

Глава 2 – Измеряемые среды и расход – основные термины и понятия описывает физические свойства

измеряемых сред и способы их взаимодействия. Здесь представлена теоретическая основа принципа действия расходомеров по перепаду давления.

Глава 3 – Теория измерения расхода по перепаду давления посвящена расчету производных и основам

сохранения энергии и массы в принципах измерениях расхода по перепаду давления. В этой главе описывается переход от теории к практике применения уравнений для измерения расхода по перепаду давления, как для первичных элементов, изменяющих площадь сечения трубопровода для создания перепада давления, так и для осредняющих трубок Пито.

Главы 4, 5, 6 – Измерение расхода газа, жидкости ипара детально описывают общие и специальные сферы

применения этих трех основных типов измеряемых сред, атакже рекомендуемые приборы Emerson. В этих главах основное внимание уделяется преимуществам и сложностям применения расходомеров по перепаду давления, а также особым соображениям при необходимости.

В Главе 7 – Технологии первичных элементов основной акцент сделан на первичный элемент расходомера, установленный в трубопроводе и предназначенный для создания перепада давления. Здесь рассматриваются два основных типа технологии первичного элемента: первичный элемент, изменяющий площадь сечения трубопровода для создания перепада давления и осредняющая трубка Пито или первичный элемент, измеряющий профиль скорости потока.

Глава 8 – Технология измерительных преобразователей описывает способы измерения переменных, критических для уравнений измерения расхода по перепаду давления, преобразования их в сигналы связи и передачи в систему управления. В этой главе приведены предварительные рекомендации по техническим характеристикам и выбору измерительного преобразователя.

Глава 9 – Первичные элементы и расходомеры Rosemount содержит информацию о продукции для измерения расхода по перепаду давления Rosemount компании Emerson, ее преимуществах и применении.

В Главе 10 – Установка расходомера по перепаду давления представлены общие принципы установки и лучшие практики ввода расходомеров в эксплуатацию.

Глава 11 – Калибровка, техническое обслуживание, поиск и устранение неисправностей описывает основную

методологию калибровки, технического обслуживания, поиска иустранения неисправностей в измерительных преобразователях, первичных элементах и расходомерах для обеспечения точности измерения расхода.

В Главах 12, 13, 14 – Инженерные данные, информация отрубопроводах, конвертация и эквиваленты содержится справочная информация о стандартных технических характеристиках, свойствах материалов и физических постоянных различных измеряемых сред. Здесь также представлены таблицы конвертации и эквивалентов.

iii

Благодарность

Введение

Справочное руководство инженера по измерению расхода по перепаду давления – это результат многолетних трудов

специалистов по всему миру. За вклад знаний и опыта в создание этого руководства хотелось бы поблагодарить:

Алену Джонсон – Глобального управляющего по продукту

Алекса Новака – Глобального управляющего по продукту

Аллисон Хансен – Глобального менеджера поинтегрированному маркетингу

Эми Джонсон – Директора по управлению продуктами

Бретта Моррисона – Директора по управлению продуктами, Северная Америка

Коннора Оберле – Глобального управляющего по продукту

Дэна Сайкоса – Руководителя управляющих по продукту

Дейва Меснарда – Главного инженера

Эмили Саопрасеут – Руководителя управляющих по продукту

Фероза Хамида – Директора по управлению продуктами, Азиатско-Тихоокеанский регион

Грега Строма – Технического директора

Джима Линахана – Управляющего по развитию бизнеса

Джона Ван Горсела – Управляющего по продукту, Европа

Кэти Шталь – Глобального управляющего по продукту

Кевина Брангера – Ведущего инженера по применениям

Марка Фурмана – Специалиста по измерению расхода поперепаду давления

Марка Менезеса – Управляющего по средствам измерений, Канада

Марка Сагстеттера – Управляющего по развитию бизнеса

Рэйчел Энгельхардт – Специалиста по измерению расхода поперепаду давления

Сатнама Сингха – Управляющего по продукту, Ближний Восток иАфрика

Скотта Петерсона – Управляющего по развитию бизнеса

Верна Бингера – Специалиста по измерению расхода по перепаду давления

Чжао Ли – Управляющего по продукту, Азиатско-Тихоокеанский регион

Разумеется, изложить свои знания в техническом документе задача непростая. Мы бы хотели выразить особую благодарность группам по проектированию и составлению технической документации за их опыт, методическую помощь и внимание кдеталям при создании этого руководства:

Аннет Хартман – Художник-оформитель, M45 Marketing Services

Джули Уокер – Составитель технической документации, Words Tell A Story

Наконец, хотелось бы выразить благодарность всем неупомянутым выше соавторам и пользователям расходомеров поперепаду давления Emerson.

Оглавление

Глава 1 — Расходомер по перепаду давления

1.1 Введение 2

1.2 История технологии измерения расхода по перепаду давления ............................................2

1.2.1 Уравнение Бернулли ..........................................................................2

1.2.2 Число Рейнольдса ............................................................................3

1.3 Перепад давления и расходомер по перепаду давления ...................................................4

1.4 Основные понятия измерения расхода по перепаду давления .............................................5

1.4.1 Что такое расход? ............................................................................5

1.4.2 Принципы измерения расхода .................................................................5

1.4.3 Трубка Пито ..................................................................................6

1.4.4 Расходомер по перепаду давления .............................................................7

1.4.5 Первичный элемент ..........................................................................8

1.4.6 Вторичный элемент ..........................................................................8

1.5 Сферы применения измерений расхода по перепаду давления ............................................9

1.6 Установка расходомера по перепаду давления: традиционная в сравнении с интегральной ..................9

1.6.1 Традиционный узел для измерения расхода по перепаду давления ...............................9

1.6.2 Расходомер по перепаду давления интегральной конструкции ..................................10

1.6.3 Сравнение традиционного узла и расходомера по перепаду давления интегральной конструкции ..10

1.7 Альтернативные технологии измерения расхода ........................................................11

1.7.1 Кориолисовая технология ....................................................................11

1.7.2 Электромагнитная технология ................................................................12

1.7.3 Вихревая технология ........................................................................12

1.7.4 Ультразвуковая технология ..................................................................12

Глава 2 — Измеряемые среды и расход – Основные термины и понятия

2.1 Введение ....................................................................................14

2.2 Физические свойства среды ...........................................................................14

2.2.1 Масса, сила и вес ............................................................................14

2.2.2 Плотность ..................................................................................15

2.2.3 Удельный вес и удельная плотность ...........................................................16

2.2.4 Жидкие смеси ...............................................................................19

2.2.5 Давление ...................................................................................19

2.2.6 Температура ................................................................................21

2.2.7 Законы идеальных и реальных газов ..........................................................21

2.2.7.1 Моль и число Авогадро ............................................................22

2.2.7.2 Уравнение состояния .............................................................22

2.2.7.3 Сжимаемость газа ................................................................23

2.2.8 Газовые смеси ..............................................................................24

2.2.8.1 Сжимаемость газовой смеси ....................................................26

2.2.9 Влажность ..................................................................................27

2.2.10 Удельная теплоемкость газа и показатель адиабаты .....................................27

2.2.11 Вязкость .............................................................................30

2.3 Основная информация о расходе измеряемой среды ....................................................32

2.3.1 Скорость ...................................................................................33

2.3.2 Фактический объемный расход ...............................................................33

2.3.3 Массовый расход ............................................................................33

Оглавление

2.3.4 Объемный расход, приведенный к стандартным условиям .....................................33

2.4 Основные термины расходометрии по перепаду давления ...............................................34

2.4.1 Комплектующие расходомера по перепаду давления ...........................................34

2.4.2 Перепад давления. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

2.4.3 Выбор размера расходомера по перепаду давления ............................................34

2.4.4 Ограничение проточной части трубопровода расходомером по перепаду давления ...............34

2.4.5 Коэффициент ис течения .....................................................................35

2.4.6 Коэффициент расхода ........................................................................35

2.4.7 Динамический диапазон измерений расхода по перепаду давления .............................36

2.4.8 Погрешность измерения .....................................................................36

2.5 Применяемые стандарты .............................................................................36

Глава 3 — Теория расходометрии по перепаду давления

3.1 Введение ....................................................................................38

3.2 Энергия измеряемой среды в движении ................................................................38

3.2.1 Кинетическая энергия измеряемой среды .....................................................38

3.2.2 Гравитационная энергия измеряемой среды ...................................................39

3.2.3 Энергия давления измеряемой среды .........................................................39

3.2.4 Внутренняя энергия измеряемой среды .......................................................39

3.2.5 Сложение разных видов энергии измеряемой среды ...........................................39

3.3 Особые формы уравнения энергии измеряемой среды ...................................................40

3.4 Уравнение энергии для расходомера по перепаду давления ..............................................41

3.4.1 Вывод теоретического уравнения для первичного элемента, изменяющего площадь сечения

трубопровода для создания перепада давления ...............................................41

3.4.2 Вывод теоретического уравнения для трубки Пито .............................................42

3.5 Теоретическое и истинное уравнение расхода измеряемой среды .........................................43

3.6 Практические уравнения расхода по перепаду давления .................................................44

3.6.1 Коэффициент пересчета единиц измерения, N .................................................44

3.6.2 Объемный расход, приведённый к стандартным условиям .....................................45

3.7 Число Рейнольдса и профиль скорости потока ...........................................................47

3.7.1 Профиль скорости потока ....................................................................48

3.7.2 Коэффициент кинетической энергии ..........................................................49

3.7.3 Расчет числа Рейнольдса .....................................................................50

3.7.4 Трубопроводы или воздуховоды некруглого сечения ...........................................50

3.8 Развитое и неразвитое течение ........................................................................51

3.9 Поток сжимаемой среды ..............................................................................52

3.9.1 Коэффициент изоэнтропийного расширения ...................................................52

3.9.2 Коэффициент неизоэнтропийного расширения .................................................54

3.9.3 Коэффициент расширения осредняющей трубки Пито ..........................................55

3.10 Применяемые стандарты .........................................................................56

3.11 Дополнительная информация .....................................................................56

Глава 4 — Измерение расхода газа

4.1 Введение ....................................................................................58

4.2 Распространенные сферы применения .................................................................58

4.2.1 Природный газ ..............................................................................58

4.2.2 Измерение выбросов ........................................................................60

4.2.3 Факельный газ ..............................................................................61

Оглавление

4.2.4 Воздуховоды и воздуходувки .................................................................61

4.2.4.1 Воздух горения ....................................................................63

4.2.4.2 Отопление, вентиляция и кондиционирование .....................................63

4.2.4.3 Скрубберы ........................................................................64

4.2.4.4 Шахтные вентиляционные установки .............................................64

4.2.5 Топливо печи ...............................................................................65

4.2.6 Сжатый воздух .............................................................................65

4.2.7 Флотация растворенным воздухом ...........................................................67

4.3 Особые сферы применения ............................................................................67

4.3.1 Влажный газ ................................................................................67

4.4 Плотность газа ....................................................................................69

4.4.1 Коэффициент объемного расширения газа. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .69

4.5 Проблемы газового состава ...........................................................................70

4.5.1 Состав природного газа ......................................................................70

4.5.2 Компенсация влажнос ти .....................................................................70

4.5.2.1 Насыщенный и ненасыщенный газ .................................................70

4.5.2.2 Расчет плотности влажного воздуха ..............................................70

4.5.2.3 Корректировка показаний расходомера с учетом влажности .......................71

4.6 Применяемые стандарты .............................................................................71

4.6.1 Отчет AGA №3 ...............................................................................72

4.6.2 ISO 5167 ....................................................................................72

4.6.3 Документация ASME MFC .....................................................................72

4.6.4 Отчет AGA №8 ...............................................................................73

4.6.5 ГОСТ 30319. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

4.6.6 ASME B31.8 .................................................................................73

4.6.7 Прочие с тандарты ...........................................................................73

4.7 Дополнительная информация .........................................................................73

Глава 5 — Измерение расхода жидкостей

5.1 Введение ....................................................................................76

5.2 Распространенные сферы применения .................................................................76

5.2.1 Охлаждающая вода .........................................................................76

5.2.2 Котельные системы .........................................................................77

5.2.2.1 Питательная вода котла .........................................................77

5.2.2.2 Система конденсата .............................................................79

5.2.3 Питьевая вода для промышленных и бытовых нужд ...........................................79

5.2.4 Углеводороды и передача продукции потребителю .............................................80

5.2.4.1 Переработка .....................................................................80

5.2.4.2 Транспортировка и хранение ......................................................81

5.2.4.3 Добыча ...........................................................................82

5.2.4.4 Передача продукции потребителю (коммерческий учет) ...........................82

5.2.5 Извлечение сжиженных нефтепродуктов – закачивание воды ..................................83

5.2.6 Измерение расхода воды из естественных источников (реки, озера) .............................83

5.2.7 Трубопроводы и напорные линии большого диаметра ..........................................84

5.2.8 Измерение расхода низкотемпературных сред .................................................85

5.2.9 Пульпа .....................................................................................86

5.3 Особые сферы применения ............................................................................86

5.3.1 Подземные трубопроводы и галереи ..........................................................86

5.4 Тре бования к измерению плотности ....................................................................87

vii

Оглавление

5.5 Сложности и факторы, которые необходимо учитывать при эксплуатации .................................87

5.5.1 Наличие газа или твердых частиц .............................................................87

5.6 Применяемые стандарты .............................................................................88

Глава 6 — Измерение расхода пара

6.1 Введение ....................................................................................90

6.1.1 Преимущества использования расходомера по перепаду давления для измерения пара ..........90

6.2 Типы и параметры пара ...............................................................................90

6.2.1 Диаграмма Молье ...........................................................................90

6.2.2 Насыщенный пар. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

6.2.2.1 Кривая насыщения ................................................................91

6.2.2.2 Определение плотности ..........................................................92

6.2.2.3 Энтальпия пара и расход энергии ..................................................92

6.2.3 Перегретый пар .............................................................................93

6.2.3.1 Определение плотности ..........................................................93

6.2.3.2 Энтальпия .......................................................................93

6.2.3.3 Цикл Рэнкина и паровые турбины ..................................................95

6.2.4 Влажный (качественный) пар ................................................................95

6.2.4.1 Определение плотности ..........................................................95

6.2.4.2 Определение энтальпии ...........................................................96

6.2.4.3 Расчет эквивалентного расхода сухого пара ........................................96

6.3 Измерение расхода пара при помощи расходомера по перепаду давления ................................97

6.3.1 Измерительная диафрагма в горизонтальных трубопроводах ...................................97

6.3.2 Измерительная диафрагма в вертикальных трубопроводах .....................................98

6.3.3 Осредняющие трубки Пито в горизонтальных паропроводах ....................................99

6.3.4 Осредняющие трубки Пито в вертикальных паропроводах .................................... 100

6.3.5 Расходомер по перепаду давления для интегрального монтажа ................................101

6.4 Варианты подсоединения измерительного преобразователя по перепаду давления .......................102

6.5 Поддержание мокрого колена ........................................................................102

6.6 Измерение расхода насыщенного пара ................................................................102

6.6.1 Технологическое тепло ......................................................................102

6.6.2 Централизованное отопление ...............................................................103

6.6.3 Целлюлозно-бумажная промышленность ....................................................104

6.7 Измерение расхода перегретого пара .................................................................104

6.7.1 Тепловые электростанции ...................................................................104

6.7.2 Расход пара на турбину .....................................................................105

6.7.3 Геотермальная энергия .....................................................................106

6.7.4 Концентрированная солнечная энергия ......................................................107

6.8 Измерение расхода влажного (качественного) пара ....................................................107

6.8.1 Ввод пара для увеличения нефтеотдачи ......................................................107

6.9 Применяемые стандарты ............................................................................108

Глава 7 — Технологии первичных элементов

7.1 Введение ...................................................................................110

7.2 Типы технологий первичных элементов по перепаду давления ..........................................110

7.2.1 Первичный элемент, изменяющий площадь сечения трубопровода для создания перепада

давления ..................................................................................110

7.2.2 Первичный элемент, измеряющий профиль скорости потока ...................................110

viii

Оглавление

7.2.3 Незапатентованные и запатентованные расходомеры по перепаду давления ....................111

7.3 Выбор расходомера по перепаду давления ............................................................111

7.3.1 Установка .................................................................................113

7.3.2 Типы среды ................................................................................113

7.3.3 Требования к давлению и температуре .......................................................114

7.3.4 Обзор технических характеристик расходомеров ..............................................114

7.3.4.1 Повторяемость ................................................................ 115

7.3.4.2 Линейность .................................................................... 115

7.3.4.3 Погрешность измерения ........................................................ 115

7.3.4.4 Воспроизводимость ............................................................ 116

7.3.4.5 Динамический диапазон ......................................................... 116

7.3.4.6 Коэффициент расхода .......................................................... 117

7.3.5 Требования к установке .....................................................................118

7.3.5.1 Необходимая длина прямого участка трубопровода .............................. 118

7.3.5.2 Определение местоположения и ориентации первичного элемента ............... 119

7.3.5.3 Новое или модернизированное оборудование ..................................... 120

7.3.5.4 Выбор первичного элемента, изменяющего площадь сечения трубопровода

для создания перепада давления ................................................. 120

7.3.6 Затраты ...................................................................................120

7.3.6.1 Затраты на приобретение ..................................................... 120

7.3.6.2 Затраты на установку ......................................................... 121

7.3.6.3 Затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание ......................... 121

7.4 Конструкция и технология первичного элемента по перепаду давления ..................................122

7.4.1 Измерительные диафрагмы .................................................................122

7.4.1.1 Концентрическая измерительная диафрагма .................................... 122

7.4.1.2 Особые конструкции измерительных диафрагм .................................. 124

7.4.1.3 Стабилизирующая измерительная диафрагма .................................. 126

7.4.2 Труба Вентури ..............................................................................127

7.4.2.2 Укороченная труба Вентури. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

7.4.2.3 Универсальная труба Вентури .................................................. 128

7.4.3 Расходомерное сопло .......................................................................128

7.4.3.1 Незапатентованные конструкции сопла ......................................... 129

7.4.3.2 Сопло Вентури .................................................................. 130

7.4.4 Клиновидный первичный элемент ...........................................................130

7.4.5 Конусный первичный элемент ...............................................................131

7.4.6 Осредняющая трубка Пито ..................................................................132

7.4.6.1 Отбор профиля скоростей ...................................................... 134

7.4.6.2 Низкое или эталонное давление осредняющей трубки Пито ...................... 135

7.4.6.3 Коэффициенты давления и коэффициент расхода осредняющей трубки Пито ..... 137

7.4.6.4 Ограничение проточной части трубопровода в сравнении

с коэффициентом расхода осредняющей трубки Пито ............................ 137

7.4.6.5 Выбор осредняющей трубки Пито ............................................... 138

7.5 Применяемые стандарты ............................................................................140

7.6 Дополнительная информация ........................................................................140

Глава 8 — Технология измерительного преобразователя

8.1 Ведение ...................................................................................142

8.2 Основные компоненты ...............................................................................142

8.2.1 Технологические соединения ................................................................142

8.2.2 Сенсор ....................................................................................142

Оглавление

8.2.3 Модуль ....................................................................................143

8.2.4 Корпус ....................................................................................143

8.2.5 Электроника ...............................................................................143

8.3 Принципы емкостного и тензорезистивного измерения давления .......................................143

8.3.1 Емкостный сенсор ..........................................................................144

8.3.2 Тензорезистивный сенсор ...................................................................145

8.4 Типы и змерительных преобразователей ...............................................................145

8.4.1 Измерительные преобразователи перепада давления ........................................145

8.4.2 Многопараметрические преобразователи ....................................................146

8.5 Технологические соединения .........................................................................148

8.5.1 Приборные фланцы ........................................................................148

8.5.2 Клапанные блоки ..........................................................................149

8.5.3 Первичные элементы и расходомеры интегральной конструкции ...............................150

8.5.4 Выносные разделительные мембраны .......................................................151

8.6 Диапазоны измерения измерительного преобразователя по перепаду давления ..........................151

8.6.1 Перенастройка диапазона измерительного преобразователя перепада давления ................152

8.6.2 Расход и динамический диапазон измерения расхода по перепаду давления ....................152

8.7 Технические харак теристики измерительного преобразователя ..........................................154

8.7.1 Параметры производительности ............................................................154

8.7.1.1 Основная погрешность измерения ............................................... 154

8.7.1.2 Влияние температуры окружающей среды ....................................... 155

8.7.1.3 Влияние давления в трубопроводе ............................................... 155

8.7.1.4 Стабильность. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155

8.7.2 Физические харак теристики .................................................................155

8.7.3 Функциональные харак теристики. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .156

8.7.4 Расходы на эксплуатацию измерительного реобразователя ....................................156

8.8 Связь ...................................................................................156

8.8.1 Аналоговые сигналы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .157

8.8.2 Цифровые сигналы .........................................................................157

8.8.2.1 Преимущества цифровой связи ................................................. 157

8.8.2.2 HART .......................................................................... 158

8.8.2.3 FOUNDATION Fieldbus ............................................................. 158

8.8.2.4 PROFIBUS ....................................................................... 158

8.8.2.5 Modbus ......................................................................... 158

8.8.2.6 WirelessHART .................................................................... 158

8.9 Безопасность ...................................................................................159

8.9.1 Системы противоаварийной защиты .........................................................159

8.9.2 Уровень полноты безопасности (SIL) .........................................................159

8.10 Факторы, которые необходимо учитывать при установке ...........................................160

8.10.1 Температура технологического процесса ...............................................160

8.10.2 Окружающая температура ............................................................160

8.10.3 Давление технологического процесса ..................................................161

8.10.4 Прямой и выносной монтаж ..........................................................161

8.10.5 Дополнительные факторы ............................................................161

8.11 Настройка ...................................................................................162

8.11.2 Настройка устройства ................................................................162

8.11.2.1 Единицы измерения ....................................................... 162

8.11.2.2 Точки границ диапазона ................................................... 163

8.11.2.3 Установка нуля ........................................................... 163

Оглавление

8.11.2.4 Демпфирование .......................................................... 163

8.11.2.5 Отсечка низкого расхода .................................................. 163

8.11.3 Настройка расхода ...................................................................163

8.12 Калибровка ...................................................................................163

8.13 Применяемые стандарты ........................................................................164

8.14 Дополнительная информация ....................................................................164

Глава 9 — Первичные элементы и расходомеры Rosemount

9.1 Введение ...................................................................................166

9.2 Портфолио расходомеров интегральной конструкции ...................................................166

9.2.1 Система расходомера по перепаду давления .................................................166

9.2.2 Универсальность расходомера интегральной конструкции .....................................166

9.2.3 Преимущества расходомера интегральной конструкции .......................................166

9.2.4 Выбор и настройка расходомера .............................................................168

9.2.5 Производительность системы расходомера по перепаду давления .............................169

9.3 Расходомер на базе осредняющей напорной трубки (ОНТ) Annubar .......................................170

9.3.1 Преимущества первичного элемента Annubar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .170

9.3.2 Расходомеры на базе ОНТ Annubar ...........................................................170

9.3.3 Первичный элемент Annubar: Правильная конструкция – гарантия производительности .........171

9.3.4 Первичный элемент Annubar 485 ............................................................172

9.3.5 Первичный элемент Annubar 405A ...........................................................176

9.3.6 Первичный элемент Annubar 585 ............................................................177

9.3.7 Производительность .......................................................................178

9.4 Стабилизирующая измерительная диафрагма ..........................................................178

9.4.1 Преимущества стабилизирующей измерительной диафрагмы Rosemount .......................179

9.4 .2 Сравнение стабилизирующей измерительной диафрагмы Rosemount и измерительной

диафрагмы с несколькими отверстиями. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .179

9.4.3 Расходомеры на базе стабилизирующей измерительной диафрагмы ............................181

9.4.4 Расходомер на базе компактной стабилизирующей измерительной диафрагмы

Rosemount 405C ............................................................................181

9.4.5 Технологический расходомер Rosemount 9295. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .183

9.4.6 Стабилизирующая измерительная диафрагма Rosemount 1595 .................................184

9.4.7 Производительность стабилизирующей измерительной диафрагмы ............................185

9.5 Встроенная измерительная диафрагма Rosemount 1195. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .186

9.5.1 Преимущества встроенной измерительной диафрагмы Rosemount 1195 ........................187

9.5.2 Расходомер интегральной конструкции для трубопроводов небольшого диаметра ...............187

9.5.3 Размеры отверстий измерительной диафрагмы под любую рабочую среду ......................188

9.5.4 Производительность .......................................................................188

9.6 Портфолио стандартных измерительных диафрагм .....................................................188

9.6.1 Расходомер по перепаду давления на базе компактной измерительной диафрагмы

Rosemount 405P ............................................................................188

9.6.2 Измерительная диафрагма Rosemount 1495 ..................................................189

9.6.3 Производительность .......................................................................189

9.7 Измерительные преобразователи Rosemount ..........................................................190

9.7.1 Измерительные преобразователи 2051C, 3051C и 3051S. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .190

9.7.2 Многопараметрический преобразователь 3051SMV ...........................................190

9.7.3 Многопараметрический преобразователь 4088 ...............................................190

9.7.4 Копланарная платформа Rosemount ..........................................................192

9.7.5 Производительность Rosemount .............................................................193

9.7.5.1 Технология производства ....................................................... 194

Оглавление

9.7.5.2 Погрешность измерения измерительного преобразователя Rosemount ............ 195

9.7.6 Многопараметрическое измерение расхода ..................................................196

9.7.7 Расширенная диагностика ..................................................................197

9.7.7.1 Анализ технологического процесса .............................................. 197

9.7.7.2 Закупорка импульсных линий .................................................... 198

9.7.7.3 Целостность токовой петли ................................................... 198

9.7.7.4 Дополнительная диагностика ................................................... 199

9.8 Дополнительная информация ........................................................................199

Глава 10 — Установка расходомеров по перепаду давления

10.1 Введение ...................................................................................202

10.2 Основная информация об ус тановке расходомера по перепаду давления ............................202

10.2.1 Безопасность .......................................................................202

10.2.2 Предотвращение повреждения расходомера ...........................................202

10.2.2.1 Механическое повреждение ................................................ 202

10.2.2.2 Технологическое повреждение .............................................. 203

10.2.2.3 Материалы изготовления расходомера ................................... 203

10.2.2.4 Окружающие условия ..................................................... 203

10.2.3 Оптимизация производительности расходомера .......................................204

10.2.3.1 Измерение трубопровода ................................................. 204

10.3 Планирование установки первичного элемента ....................................................204

10.3.1 Тип процесса ........................................................................205

10.3.2 Монтаж первичного элемента .........................................................205

10.3.2.1 Расходомер с трубной секцией ............................................. 205

10.3.2.2 Расходомер в бесфланцевом исполнении ................................... 205

10.3.2.3 Расходомер погружного типа .............................................. 206

10.3.3 Монтаж измерительного преобразователя перепада давления или расхода ...............206

10.3.3.1 Прямой монтаж .......................................................... 206

10.3.3.2 Выносной монтаж ........................................................ 207

10.3.4 Предельные значения температуры ...................................................208

10.3.5 Предельные значения вибрации ......................................................208

10.3.6 Технологическая среда ...............................................................208

10.3.6.1 Накопление твердых частиц .............................................. 208

10.3.6.2 Вовлеченный газ в потоке жидкости ....................................... 209

10.3.6.3 Накопление жидкости в потоке газа ....................................... 210

10.3.7 Обогрев .............................................................................210

10.3.8 Измерение расхода пара .............................................................210

10.3.9 Электромонтаж ......................................................................211

10.3.9.1 Отличие 2-проводной и 4-проводной схемы подключения ................... 211

10.3.9.2 Типы проводов ........................................................... 211

10.3.9.3 Кабелепроводы и кабельные лотки ........................................ 211

10.3.9.4 Защита от импульсных перенапряжений .................................. 212

10.3.9.5 Заземление .............................................................. 212

10.4 Определение местоположения первичного элемента ..............................................212

10.4.1 Первичные элементы Annubar 485, 405A и 585 ..........................................213

10.4.2 Стабилизирующие измерительные диафрагмы Rosemount 1595, 405C и 9295 ..............214

10.4.3 Традиционные измерительные диафрагмы Rosemount 1495 и 405P ......................215

10.4.4 Встроенная измерительная диафрагма Rosemount 1195 .................................215

10.4.5 Выпрямители потока .................................................................216

10.5 Определение ориентации первичного элемента ...................................................216

xii

Оглавление

10.5.1 Типы сред ...........................................................................216

10.5.1.1 Измерение расхода газа ................................................... 217

10.5.1.2 Измерение расхода жидкости ............................................. 217

10.5.1.3 Измерение расхода пара .................................................. 217

10.5.2 Первичные элементы Annubar ........................................................217

10.5.2.1 Ориентация расходомера по соединительной части трубопровода

перед прибором .......................................................... 218

10.5.3 Стабилизирующие измерительные диафрагмы ........................................218

10.5.4 Традиционные измерительные диафрагмы ............................................219

10.6 Импульсная обвязка для выносного монтажа .....................................................219

10.7 Установка расходомера ..........................................................................221

10.7.1 Стрелка направления потока ..........................................................221

10.7.2 Центровка первичного элемента Annubar ..............................................222

10.7.3 Центровка измерительных диафрагм .................................................222

10.7.3.1 Компактная платформа на базе Rosemount 405 ............................ 222

10.7.3.2 Встроенная измерительная диафрагма Rosemount 1195 .................... 223

10.7.3.3 Rosemount 1495 и 1595 .................................................... 223

10.7.4 Установка преобразователя ...........................................................223

10.8 Особые факторы, которые необходимо учитывать при установке ....................................223

10.8.1 Горячая врезка ......................................................................223

10.8.2 Монтаж в воздуховоде ...............................................................225

10.8.3 Отходящие и печные газы ............................................................225

10.8.4 Криогенные среды ...................................................................227

10.8.5 Измерение расхода пара .............................................................228

10.8.5.1 Прямой монтаж в паропроводе ........................................... 228

10.8.5.2 Требования к установке в высокотемпературных паропроводах ............ 228

10.8.6 Расходомеры, рассчитанные на высокие температуры и давление .......................229

10.8.7 Измерительные диафрагмы, рассчитанные на высокие температуры и давление ..........230

10.9 Калибровка по мес ту установки методом траверсирования .........................................230

10.10 Ввод в эксплуатацию ............................................................................232

10.10.1 Процедура ввода в эксплуатацию расходомера по перепаду давления ....................234

10.11 Контрольный список установки ..................................................................235

10.12 Дополнительная информация ....................................................................235

Глава 11 — Калибровка, техническое обслуживание, поиск и устранение неисправностей

11.1 Введение ...................................................................................238

11.2 Техника безопасности ...........................................................................238

11.2.1 Знание рабочей среды и условий процесса .............................................238

11.2.2 Использование средств индивидуальной защиты (СИЗ) .................................238

11.2.3 Ознакомление с рабочими процедурами перед началом работ ..........................238

11.2.4 Стравливание или вентиляция рабочей среды ..........................................238

11.3 Калибровка ...................................................................................238

11.3.1 Калибровка и проверка ..............................................................238

11.3.2 Неоткалиброванная и откалиброванная производительность ............................239

11.3.3 Системы калибровки расходомера ....................................................240

11.3.3.1 Гравиметрические системы калибровки ................................... 240

11.3.3.2 Системы измерения с контрольными или рабочими эталонами ............ 241

11.3.3.3 Погрешность лаборатории и испытательного прибора .................... 241

11.3.4 Рабочий диапазон чисел Рейнольдса ..................................................241

11.3.5 Калибровка и проверка измерительного преобразователя перепада давления . . . . . . . . . . . .242

xiii

Оглавление

11.3.5.1 Калибрровка сенсора ...................................................... 243

11.3.5.2 Установка нуля ........................................................... 243

11.3.5.3 Настройка аналогового сигнала ........................................... 243

11.3.5.4 Калибровка в лабораторных или полевых условиях ......................... 243

11.3.6 Оборудование и стандарты калибровки измерительного преобразователя перепада

давления ...........................................................................244

11.3.7 Процедура калибровки ...............................................................244

11.3.8 Периодичность калибровки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .245

11.3.9 Калибровка измерительного преобразователя давления ................................246

11.3.10 Калибровка измерительного преобразователя температуры .............................246

11.3.11 Калибровка многопараметрического преобразователя ..................................247

11.4 Техническое обслуживание ......................................................................247

11.4.1 Техническое обслуживание первичного элемента Annubar .....................................247

11.4.1.1 Осмотр .................................................................. 247

11.4.1.2 Очистка ................................................................. 247

11.4.1.3 Проверка геометрии первичного элемента Annubar ........................ 248

11.4.1.4 Проверка первичного элемента Annubar на герметичность ................ 248

11.4.2 Основное техническое обслуживание cужающего устройства ............................248

11.4.2.1 Осмотр .................................................................. 248

11.4.2.2 Очистка ................................................................. 249

11.4.2.3 Проверка состояния и измерение отверстия диафрагмы ................... 249

11.4.2.4 Осмотр импульсной обвязки и испытание на герметичность ............... 250

11.4.3 Техническое обслуживание измерительного преобразователя перепада давления .........250

11.4.4 Ввод в эксплуатацию расходомера по перепаду давления ...............................250

11.5 Поиск и устранение неисправностей ..............................................................251

11.5.1.1 Проверка первичного элемента, создающего перепад давления,

и правильности установки ............................................... 251

11.5.1.2 Проверка измерительного преобразователя перепада давления ............ 251

11.5.2 Установление характера проблемы ....................................................252

11.5.2.1 Расходомер не дает показаний расхода .................................... 252

11.5.2.2 Расходомер дает завышенные или заниженные показания .................. 253

11.5.2.3 Шумный сигнал расходомера .............................................. 254

11.5.2.4 Показания расходомера не меняются при изменении расхода ............... 254

11.5.2.5 Расчет расхода вручную .................................................. 255

11.5.2.6 Сбор технологических данных ............................................. 255

11.5.2.7 Расчет расхода ........................................................... 255

11.6 Контрольный список для проверки работы расходомера по перепаду давления ......................257

11.7 Дополнительная информация ....................................................................258

Глава 12 — Инженерные данные

12.1 Стандартные технические характеристики материалов для работы под давлением ...................260

12.2 Свойс тва материалов для изготовления компонентов, работающих под давлением ...................267

12.3 Физические пос тоянные углеводородов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .269

12.4 О тношение удельных теплоемкостей .............................................................272

12.5 Физические пос тоянные различных сред ..........................................................273

12.6 Свойс тва воды ..................................................................................275

12.7 Свойс тва насыщенного пара .....................................................................277

xiv

Оглавление

12.8 Свойс тва перегретого пара .......................................................................286

Глава 13 — Информация о трубопроводах

13.1 Резьбовые соединения трубопроводов ...........................................................296

13.2 Углеродистая и легированная сталь — нержавеющая сталь ........................................296

13.3 Американские размеры трубного фланца .........................................................305

13.4 Стандарты фланцев из литой стали ...............................................................310

Глава 14 — Конвертация и эквиваленты

14.1 Эквиваленты длины. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .318

14.2 Эквиваленты для конвертации дюймов в миллиметры – целые числа ..............................318

14.3 Эквиваленты для конвертации дюймов в миллиметры – дробные числа ............................319

14.4 Дополнительные эквиваленты для конвертации дюймов в миллиметры – дробные числа ............320

14.5 Эквиваленты площади ..........................................................................322

14.6 Эквиваленты объема ............................................................................322

14.7 Эквиваленты объемного расхода .................................................................322

14.8 Конвертация массы из фунтов в килограммы ......................................................323

14.9 Эквиваленты давления ..........................................................................323

14.10 Конвертация давления из фунтов/кв. дюйм в бар ..................................................324

14.11 Формулы для конвертации температуры ..........................................................325

14.12 Конвертация температуры .......................................................................326

14.13 Таблицы для перевода плотности в градусы API и градусы Боме и весовые коэффициенты .............329

14.14 Прочие полезные коэффициенты пересчета .......................................................331

14.15 Метрические приставки и суффиксы ..............................................................332

Приложения

Торговые марки ...................................................................................333

Глоссарий ...................................................................................334

Оглавление

xvi

Расходомер по перепаду давления

Раздел Страница

1.1 Введение 2

1.2 История технологии измерения расхода по перепаду давления 2

1.3 Перепад давления и расходомер по перепаду давления 4

1.4 Основные понятия измерения расхода по перепаду давления 5

1.5 Сферы применения измерений расхода по перепаду давления 9

1.6 Установка расходомера по перепаду давления: традиционная в сравнении с интегральной 9

1.7 Альтернативные технологии измерения расхода 11

Расходомер по перепаду давления

1.1 Введение

Измерение расхода по перепаду давления является одной из наиболее распространенных технологий для измерения расхода в трубопроводе. Расходомер по перепаду давления определяет расход на основании перепада давления на участке между стороной высокого и низкого давления первичного элемента.

Некоторые из причин долговечности технологии представлены ниже:

• В основе технологии измерения расхода по перепаду давления заложены широко известные законы фундаментальной физики, в частности, гидродинамики и гидравлики.

• Продолжительный опыт применения традиционного расходомера по перепаду давления обеспечил обширные исторические данные об эксплуатации в различных сферах применения и данные о производительности.

• За более чем 100-летнюю историю производства технологии для измерения расхода по перепаду давления был создан обширный и разнообразный каталог основных и специфичных для конкретной сферы применения первичных элементов, контрольно-измерительных приборов и вариантов установки с использованием новейших электронных и цифровых технологий.

• Продукция продолжает совершенствоваться, а существующие технологии обеспечивают высокую производительность и надежность.

Измерение расхода по перепаду давления зачастую выполняется путем сборки двух или более отдельных компонентов, размер и конфигурация которых были подобраны для совместной эксплуатации. В то время как некоторые другие технологии измерения расхода обеспечивают простое решение благодаря встроенным компонентам, расходомеры по перепаду давления, как правило, приносят пользователю большую пользу. Технические характеристики, конфигурация и универсальность каждого компонента расходомера по перепаду давления способны обеспечить оптимальные решения для сложных сфер применения, когда другие, более простые технологии не оправдывают ожиданий. На сегодняшний день технология продолжает пользоваться спросом благодаря своей гибкости, простоте использования и обширному опыту эксплуатации.

1.2 История технологии измерения расхода по перепаду давления

Расход измеряемой среды всегда играл роль в выживании человека. Древние египтяне предсказывали урожайность по относительному уровню весеннего половодья Нила. Спустя столетия, необходимость постоянного мониторинга расхода приобрела большую важность, когда римляне стали проектировать акведуки для подачи воды в города для обеспечения жизнедеятельности, гигиены и санитарии. Для приблизительного измерения расхода воды римские техники пропускали поток воды через препятствие или диафрагму.

Благодаря открытию Ньютоном гравитации в 1687 году измерение расхода стало воспроизводимым и прогнозируемым. Использование этой концепции позволило физикам и математикам сформулировать целый ряд теорий о движении измеряемых сред и гидродинамической силе. Это, в свою очередь, послужило толчком к разработке набора инструментов для количественной оценки расхода.

1.2.1 Уравнение Бернулли

Швейцарский математик Даниэль Бернулли (1700-1782 гг.) первым совершил значимый прорыв в развитии теории измерения расхода со своим исследованием гидродинамики (то есть сил, действующих на измеряемые среды или прикладываемых измеряемыми средами), основанным на принципе сохранения энергии. Бернулли провел ряд экспериментов для измерения давления среды и определения взаимосвязи между давлением и расходом. Эти знания были заложены в так называемый «Закон Бернулли», согласно которому увеличение скорости измеряемой среды приводит кодновременному снижению ее давления (то есть потенциальной энергии).

Рис. 1.1. Даниэль Бернулли

Расходомер по перепаду давления

В заключении, определяющем Закон Бернулли, говорится, что сумма всей энергии (кинетической и потенциальной) в потоке измеряемой среды остается постоянной независимо от условий.

Математически, проще всего в уравнении Бернулли это выражается давлением:

Хотя это соотношение справедливо для многих видов измеряемых сред, оно является аппроксимацией, поскольку применяется к идеальной среде. Реальные измеряемые среды имеют вязкость, которая создает локальные потери энергии, не учтенные в уравнении Бернулли. Несмотря на это ограничение, для определения расхода в современных расходомерах по перепаду давления уравнение Бернулли используется вместе с корректировками на реальную природу измеряемых сред. Более подробная информация об уравнении Бернулли представлена в

Главе 3.

На основании работы Бернулли были разработаны другие концепции. Сюда относится, например, обтекание аэродинамического профиля и механизм возникновения подъемной силы в авиации. В одном из первых расходомеров по перепаду давления – трубе Вентури, названной в честь другого исследователя Джованни Баттиста Вентури (1746-1822гг), используется принцип прохождения потока через место сужения, который лежит в основе Закона Бернулли. Одним из самых распространенных способов применения трубы Вентури являются карбюраторные двигатели внутреннего сгорания, где врезультате падения давления в трубе Вентури бензин попадает в поступающий в двигатель воздушный поток.

1.2.2 Число Рейнольдса

Осборн Рейнольдс (1842-1912 гг) – второй ведущий ученый, который внес значительный вклад в теорию движения измеряемых сред по трубопроводам. Осборн Рейнольдс изучал механику, проявил интерес к динамике измеряемых сред иполучил степень профессора кафедры гражданского инженерного дела Оуэнс-колледжа в Манчестере, Англия. Свою карьеру он начал, будучи слесарем по паровому отоплению судов, однако затем провел множество исследований, среди которых механизм буксировки судов по воде, конденсация пара, кинетическая теория газов, конструкция винта, конструкция турбинного двигателя и гидравлические тормоза.

Рис. 1.2. Осборн Рейнольдс

Наиболее известные его исследования посвящены движению измеряемых сред по трубопроводам и условиям, при которых ламинарный поток движущейся среды преобразуется в турбулентный. На основании данного исследования было создано безразмерное число Рейнольдса (Re). Число Рейнольдса дает количественную оценку соотношению инерционных сил к вязким.

Число Рейнольдса характеризует параметры движущейся измеряемой среды и позволяет смоделировать крупные структуры в движущейся среде в гораздо меньших масштабах. На сегодняшний день этот метод используется в изучении конструкции судов и самолетов перед тем, как приступить кполномасштабному строительству.

Обрезанная фотография картины Осборна Рейнольдса, написанной Джоном

Кольером в 1904 году.

Расходомер по перепаду давления

Где:

Ламинарный поток

Поскольку число Рейнольдса описывает характеристики потока измеряемой среды, оно имеет важнейшее значение в проектировании и эксплуатации расходомеров по перепаду давления. Согласно открытию Рейнольдса, характеристики движения измеряемой среды в трубопроводе подразделяются на три диапазона или режима значений числа Рейнольдса:

1. Ламинарное течение — 0 < Re < 2300

2. Переходное течение — 2300 ≤ Re < 4000

3. Турбулентное течение — Re ≥ 4000

Эти три режима являются приблизительными значениями, поскольку ламинарный-турбулентный переход зависит от состояния стенки трубопровода. Точка перехода называется критическим числом Рейнольдса и будет варьироваться для разных типов трубопроводов. На Рисунке 1.3 показан график скорости для двух режимов течения в трубопроводе.

Средняя скорость в трубе

Максимальная скорость в трубе, которая находится в центре трубы для невозмущенного потока

Рис. 1.3: Характерные режимы течения в трубопроводе

Турбулентный поток

находятся в турбулентном диапазоне и намного превышают критическое число Рейнольдса. Это значительно упрощает выбор расходомера, поскольку необходимо учитывать лишь один характерный режим течения.

1.3 Перепад давления и расходомер по перепаду давления

Расходомер по перепаду давления позволяет рассчитать расход путем измерения разницы давлений в двух отборах первичного элемента или трубопровода, в котором он установлен. Как это работает? Давление – это сила, прикладываемая измеряемой средой, к площади поверхности. Эту силу можно измерить просто и дистанционно, используя небольшую трубку, подсоединенную к измерительному прибору. Большинство датчиков давления фактически являются дифференциальными, поскольку они измеряют разницу между давлением в трубе или сосуде иатмосферным давлением. Первым датчиком давления был манометр, который представляет собой вертикальную стеклянную трубку, позволяющую жидкости подниматься до тех пор, пока давление не будет уравновешено весом жидкости. Вманометре используется U-образная трубка или две соединенные снизу вертикальные трубки, частично заполненные жидкостью. Когда на верхнюю часть обеих трубок оказывается давление, уровень жидкости в трубках изменяется. Для измерения разницы уровней h используется закрепленная на манометре шкала. Измерение уровня жидкости является показателем давления. Впервых версиях расходомеров по перепаду давления обе трубки U-образного манометра подключались к отборам первичного элемента расходомера. Показателем для этого типа манометра служит перепад давления.

На Рисунке 1.4 показана труба Вентури и простой манометр, считывающий разницу давлений по уровню столба жидкостейh. Значение этой разницы давлений между верхним и нижним отборами:

При использовании числа Рейнольдса для определения режима течения в промышленном трубопроводе, диапазон чисел Рейнольдса должен быть получен для каждого трубопровода. Эти значения отобразят параметры, в которых должен будет работать промышленный расходомер. Измеряемые среды и скорости потоков в большинстве промышленных трубопроводов

Расходомер по перепаду давления

Рис. 1.4: Расходомер по перепаду давления с U-образным манометром для измерения дифференциального давления

Хотя в настоящее время манометры редко используются для снятия показаний перепада давления для расходомеров, ммвод.ст. (мм рт. с т.) все еще применяются в измерениях расхода по перепаду давления. Более подробная информация оперепаде давления и манометре показана в Главе 2.

1.4 Основные понятия измерения расхода по перепаду давления

1.4.1 Что такое расход?

Расход – это единица измерения движущейся среды, вчастности, в канале определенного типа. Измеряемой средой может быть жидкость или газ. Поток в открытом канале – это течение жидкости в канале, канаве или русле реки. Поток взакрытом канале – это поток в трубопроводе, воздуховоде или водопропускной трубе. Расходомер по перепаду давления может измерять практически любой тип потока измеряемой среды. Вместе с тем, существуют следующие общие требования к применению:

1. Поток должен полностью заполнять трубопровод. Частичное

заполнение трубопровода приведет к неточности измерений.

2. Плотнос ть должна быть известна или определена на основе

свойств измеряемой среды, например, в случае с газом поизменяющемуся давлению и температуре. При изменении плотности рассчитанный расход должен учитывать это изменение; в противном случае, показания расхода будут ошибочными. Вместе с тем, изменение плотности лишь

наполовину влияет на точность показаний расхода, так как в уравнении для измерения расхода по перепаду давления коэффициент плотности стоит под знаком квадратного корня.

3. Вязкос ть должна быть известной и постоянной для заданных значений давления и температуры (предполагаемых или измеренных). Среды, вязкость которых изменяется взависимости от расхода, называются неньютоновскими жидкостями и представляют сложность для измерения расходомерами по перепаду давления. В данном случае следует рассмотреть другую технологию для измерения расхода.

4. Поток должен находиться в равновесии или так называемом устойчивом состоянии. Измерение расхода по перепаду давления основано на энергетическом балансе системы, вкоторой отсутствуют времязависимые компоненты.

1.4.2 Принципы измерения расхода

Объемный расход равен объему измеряемой среды, проходящему через определенное поперечное сечение трубопровода за конкретный период времени. Пример показан на Рис. 1.5.

Рис. 1.5: Расход измеряемой среды в трубопроводе

Скорость,

Объем

жидкости,

V = S x I

Длина, I

Площадь трубы,S

Поскольку во многих рабочих уравнениях расходомера для определения расхода используется скорость измеряемой среды, важно проанализировать взаимосвязь между этими параметрами.

Расходомер по перепаду давления

Рассматриваемый объем измеряемой среды представляет собой площадь поперечного сечения трубопровода, умноженную на длину секции, которую измеряемая среда проходит за определенный период времени.

Так как скорость представлена пройденным расстоянием, деленным на время, скорость, с которой измеряемая среда проходит через поперечное сечение за определенную единицу времени рассчитывается следующим образом:

Отсюда получаем простейшее уравнение расхода:

Поскольку:

Другими словами, объемный расход равен скорости измеряемой среды, умноженной на поперечное сечение трубы. Для получения массового расхода объемный расход необходимо умножить на плотность жидкости:

Расходомер по перепаду давления измеряет скорость среды. Площадь, которую расходомер использует для расчета расхода, является площадью участка сужения, показанной на Рис. 1.6 как площадь поперечного сечения S

Рис. 1.6: Первичный элемент и сохранение массы

Первичный элемент, использующий место сужения в трубе для создания разницы давления, называется сужающим устройством. На Рис. 1.6 показан первичный элемент с отборами давления на входе игорловине. Используя уравнение Бернулли:

Это говорит о том, что общая энергия на входе в расходомер (1) должна быть равной общей энергии в горловине (2).

Здесь необходим еще один принцип гидродинамики, который называется уравнением неразрывности. В этом уравнении показано, что поток, заходящий в трубу, должен выходить из трубы, а расход будет постоянным на любом отрезке трубопровода. Еще одно подтверждение этому заключается в преобразовании массового расхода или:

Следует отметить, что на Рис. 1.6 площадь трубопровода уменьшается от S

до S2. Используя уравнение выше для расчета

массового расхода получаем:

Уменьшение площади приводит к соответствующему увеличению скорости. Данное уравнение используется для завершения уравнения расхода с помощью сужающего устройства, в котором для определения скорости потока сочетается уравнение Бернулли и уравнение неразрывности. Подробные расчеты представлены в Главе 3.

1.4.3 Трубка Пито

Прямым способом измерения скорости среды является трубка Пито. Измерение давления в трубке Пито осуществляется благодаря остановке движения среды в фиксированной точке потока аналогично руке, вытянутой из окна автомобиля во время движения.

Это давление называется давлением торможения и связано со скоростью следующим образом:



Расходомер по перепаду давления

На Рис. 1.7 показана стандартная установленная в трубе исследовательская трубка Пито. Скорость измеряемой среды перед наконечником Пито дифференциального давления и определением плотности среды. В данном случае, для определения неизвестной скорости используется дифференциальное давление. Общее давление измеряется на наконечнике трубки Пито, а статическое давление – через отверстия, просверленные в поверхности цилиндра трубки Пито под прямым углом к потоку. Данный метод является одним из первых в расчете скорости движения среды по трубопроводу. Вместе с тем, трубка Пито не самый лучший вариант промышленного расходомера. Она измеряет лишь одну точку, если только прибор не перемещается по диаметру трубы для измерения скорости. Кроме того, трубка Пито не обладает достаточно прочной конструкцией для работы в больших трубопроводах. По этой причине была разработана осредняющая трубка Пито. Более подробная информация об этой технологии представлена в Главе 7 и 9.

Рис. 1.7 Установленная в трубопроводе трубка Пито

определяется измерением

1.4.4 Расходомер по перепаду давления

Все первичные элементы расходомера создают перепад давления. Этот перепад давления пропорционален расходу в трубопроводе. Выражается математически:

Kc рассчитывается на основании геометрии первичного элемента,

конструкции первичного элемента и рабочих параметров измеряемой среды. Это фундаментальное соотношение лежит в основе технологии измерения расхода по перепаду давления.

Перепад давления – это наиболее распространенный тип технологии расходомеров, использующийся на сегодняшний день. Как показано на Рис. 1.8, для создания расходомера по перепаду давления необходимы два важных элемента:

1. Первичный элемент – устройс тво, устанавливаемое в трубу для создания перепада давления, и включающее в себя отборы для измерения этого перепада.

2. Вторичный элемент – индикатор или измерительный прибор, который измеряет перепад давления и обеспечивает выход, пропорциональный расходу, используя квадратный корень измеренного перепада давления. В качестве вторичного элемента также может использоваться многопараметрический преобразователь, измеряющий не только перепад давления, но и статическое давление и температуру измеряемой среды в трубопроводе. Эти измерения могут затем использоваться электроникой многопараметрического преобразователя для точного расчета расхода.

В зависимости от конфигурации первых двух элементов, может потребоваться третий компонент. Ес ли преобразователь не вычисляет расход, его необходимо рассчитать из показаний перепада давления. Обычно расчет выполняется одним изследующих способов: отправка измеренного перепада давления ввычислитель расхода для расчета значения расхода на основании рабочих параметров и других измерений или же; расчет расхода в распределенной системе управления (РСУ). Оба эти способа требуют дополнительного оборудования, монтажных иинженерных работ.

Расходомер по перепаду давления

Рис. 1.8 Стандартный расходомер по перепаду давления. В качестве первичного элемента может использоваться измерительная диафрагма или осредняющая трубка Пито.

Технология измерения расхода по перепаду давления обеспечивает лучшие результаты в чистых, однородных средах, однако некоторые первичные элементы могут использоваться в присутствии загрязнителей или твердой фазы. Некоторые важные рекомендации по применению расходомера по перепаду давления представлены ниже:

1. Выбирайте соответствующий первичный элемент в соответствии с параметрами сферы применения.

2. Правильно ус танавливайте и настраивайте расходомер.

3. Выполняйте необходимое техническое обслуживание для обеспечения свободного прохождения потока и предотвращения износа первичного элемента.

4. Убедитесь, что преобразователь перепада давления работает в пределах рабочих характеристик.

Более подробная информация представлена в Главе 10.

1.4.5 Первичный элемент

Существуют несколько типов первичных элементов для измерения перепада давления:

• Измерительные диафрагмы с одним или несколькими отверстиями;

• Осредняющие трубки Пито;

• Трубы Вентури;

• Расходомеры с клиновидным первичным элементом;

• Расходомеры с конусным первичным элементом;

• Расходомерные сопла.

Каждый из этих первичных элементов работает по одному и тому же принципу – создание перепада давления пропорционально расходу. Более подробная информация об этих первичных элементах представлена в Главе 7. Преимущество существования нескольких типов первичного элемента заключается в возможности выбора соответствующего практически для любой сферы применения. Сложность же заключается в понимании процесса, которое необходимо для правильного выбора первичного элемента.

1.4.6 Вторичный элемент

Вторичный элемент отвечает за считывания показаний перепада давления, полученных первичным элементом расходомера. Существуют простые индикаторы, в которых показания расходомера считываются механически по шкале, однако наиболее распространенным и предпочитаемым впромышленной сфере применения является преобразователь перепада давления. Преобразователи перепада давления разработаны для преобразования механического сигнала давления в аналоговый или цифровой и передачи его всистему управления. Эти преобразователи сконструированы иизготовлены для обеспечения точных измерений в обширных рабочих диапазонах. На Рис. 1.9 показан преобразователь перепада давления. При необходимости получения выходного сигнала пропорционально расходу, преобразователь может рассчитать квадратный корень из измерения перепада давления. Впротивном случае, этот расчет квадратного корня должен быть выполнен где-то еще, как правило, в системе управления. Следует проявлять осторожность и избегать двойного вычисления квадратного корня, поскольку это приведет кбольшим ошибкам. Многопараметрический преобразователь – это преобразователь перепада давления, способный измерять дополнительные технологические переменные, включая статическое давление и температуру. При использовании его в качестве преобразователя массового расхода эти измерения помогают компенсировать изменения плотности идругих параметров потока.

Расходомер по перепаду давления

Рис. 1.9 Преобразователь перепада давления.

Хотя многопараметрический преобразователь изначально дороже преобразователя перепада давления, экономия достигается за счет отсутствия необходимости в установке отдельных приборов. Это означает меньшее количество преобразователей, проводки, вмешательства в технологический процесс и, в целом, меньшую стоимость монтажа. В связи с отсутствием необходимости в вычислителе расхода или отдельных расчетах, продолжительность обслуживания инагрузка процессора РСУ уменьшаются, абыстродействие увеличивается. В отличии от преобразователей перепада давления, многопараметрические преобразователи также могут получать массовый расход, расход энергии, объемный расход и даже суммарный расход для регистрации данных. Более подробная информация опреобразователях перепада давления имногопараметрических преобразователях представлена вГлаве 8.

1.5 Сферы применения измерений расхода по перепаду давления

Измерение расхода по перепаду давления позволяет оптимизировать многие аспекты технологического процесса, в том числе:

• Мониторинг и уравновешивание расхода – мониторинг

расхода среды в системе на стратегически важных участках для обеспечения работы и равновесия системы.

• Эффективность производства – измерение расхода входит

в обширный ряд переменных, связанных с эффективностью управления технологическим процессом, от управления периодическими процессами до очистки побочных продуктов и мониторинга выбросов.

• Технологический контроль – технологические процессы

химической, перерабатывающей и обрабатывающей промышленности, как правило, включающие в себя множественные измерения расхода среды. Контроль за

расходом особо важной среды играет решающую роль в обеспечении качества продукции.

• Безопасность – мониторинг расхода среды в инженерных и производственных коммуникациях для установления безопасного диапазона расхода с возможностью интеграции в систему сигнализации в случае превышения установленных значений.

• Внутреннее выставление/перевыставление счетов – более жесткий контроль запасов и режимов работы оказывает прямое влияние на прибыльность. Для многих производств внутреннее выставление счетов по производственным затратам на обработку среды напрямую влияет на конечный результат.

• Коммерческий учёт – измерение расхода используется врасчетно-кассовых операциях за продукцию, реализуемую по объему или весу. Точные измерения позволяют производителю учесть весь передаваемый объем продукции, а заказчику – избежать завышения цены.

1.6 Установка расходомера по перепаду

давления: традиционная в сравнении синтегральной

В целом, за последние два десятилетия технологические измерительные приборы претерпели значительные изменения в форме и интеграции. Расходомер по перепаду давления не исключение. В настоящее время существуют два основных типа расходомеров: традиционные и интегрированные.

1.6.1 Традиционный узел для измерения расхода

поперепаду давления

Для установки традиционного узла для измерения расхода поперепаду давления требуется, по меньшей мере, три отдельных компонента. На Рис. 1.10 показана стандартная система на базе измерительной диафрагмы, включающая в себя первичный элемент, импульсную обвязку и преобразователь перепада давления.

Расходомер по перепаду давления

Рис. 1.10 Способ установки традиционного узла для измерения расхода по перепаду давления

1. Измерительная диафрагма (первичный элемент)

2. Трубное соединение (импульсные линии, соединения, вентильные блоки и т.д)

3. Преобразователь перепада давления (вторичный элемент)

Для соблюдения требований установки традиционный способ требует покомпонентного проектирования. Части могут приобретаться отдельно и собираться на территории производства. При правильном проектировании и установке данная конфигурация обеспечивает высокую производительность и способна соответствовать стандартам передачи продукции потребителю.

За многие годы эксплуатации появилось много общепринятых подходов и стандартов измерения расхода по перепаду давления. Некоторые из этих подходов, однако, привели к возникновению устаревших или ошибочных методов проектирования расходомеров по перепаду давления, в результате чего технология оказалась не оптимальной, учитывая ее проблемы и ограничения. Сюда относятся множественные потенциальные точки утечки измеряемой среды на соединениях, отдельных вентилях и клапанных блоках, а также потенциальные проблемы с точностью из-за протяженности импульсных линий. Кроме того, учитывая большое количество компонентов, установка занимает много времени и требует тщательной настройки для обеспечения правильности работы.

1.6.2 Расходомер по перепаду давления интегральной конструкции

На Рис. 1.11 показан расходомер интегральной конструкции, включающий в себя первичный элемент и преобразователь перепада давления. Все необходимые элементы входят в состав расходомера. По большей части, расходомер был разработан для сведения к минимуму сложностей при установке традиционного узла для измерения расхода по перепаду давления, например, сборке импульсной обвязки на территории производства. Перед отправкой система проходит опрессовку для проверки целостности, а также полную настройку и предварительную сборку для упрощения монтажа. При использовании многопараметрического преобразователя показания давления и температуры измеряемой среды могут считываться без дополнительного вмешательства в работу трубопровода или установки дополнительных приборов.

Рис. 1.11: Расходомер по перепаду давления интегральной конструкции, объединяющий первичный элемент и преобразователь водну конструкцию, что сокращает количество потенциальных точек утечки в процессе установки и эксплуатации

1.6.3 Сравнение традиционного узла и расходомера по перепаду давления интегральной конструкции

На Рис. 1.12 показано сравнение традиционного узла для измерения расхода по перепаду давления, измеряющего давление и температуру и оснащенного вычислителем расхода, с эквивалентным многопараметрическим расходомером интегральной конструкции. Каждый индивидуальный компонент, входящий в состав измерительной системы, указан в обеих системах.

Расходомер по перепаду давления

К преимуществам расходомера по перепаду давления интегральной конструкции относятся:

• Меньшее количество потенциальных точек утечки (опрессовка на заводе-изготовителе);

• Меньшее количество проблем с техническим обслуживанием в долгосрочной перспективе;

• Меньшая подверженность замерзанию и засорению;

• Более компактная площадь установки;

• Упрощенная процедура заказа и установки.

Расходомеры интегральной конструкции Rosemount™ сочетают в себе лучшие в отрасли измерительные преобразователи, инновационные технологии первичного элемента и системы подключения. Один расходомер успешно объединяет в себе до 10устройств, что упрощает процесс проектирования, закупки иустановки.

1.7 Альтернативные технологии измерения расхода

Существуют другие методы измерения расхода среды в трубопроводе. Ниже представлено описание четырех наиболее распространенных альтернативных технологий (кориолисовая, электромагнитная, вихревая и ультразвуковая), помимо которых также существуют и другие виды, как например, канальная, оптическая, теплоемкая, турбинная, лопастного колеса и прямого объемного вытеснения.

1.7.1 Кориолисовая технология

Работа кориолисового расходомера основана на механике движения. Кориолисовая сила возникает при движении массы во вращающемся инерциальном пространстве. Вращение создается вибрацией двух трубок расходомера , движущихся в противоположном направлении друг к другу. Когда измеряемая среда протекает в противоположновибрирующих трубках, трубки скручиваются под действием кориолисовой силы. Скручивание

Рис. 1.12 Традиционный узел и расходомер интегральной конструкции с компенсацией температуры и давления

1. Вычис литель расхода

2. Первичный элемент

3. З ащитная гильза

4. Сенсор температуры

5. И змерительный преобразователь температуры

6. К лапанный блок

7. Преобразователь перепада давления

8. Преобразователь давления

9. Трубное соединение

Расходомер по перепаду давления

чередуется с вибрацией и создает на смонтированных на трубках катушках два сдвинутых по фазе синусоидальных сигнала. Величина сдвига пропорциональна массовому расходу. Помимо этого, частота вибрации пропорциональна плотности измеряемой среды. Смещение сигнала и частота вибрации могут быть с точностью измерены, что делает кориолисовый расходомер одним из наиболее точных типов расходомеров.

1.7.2 Электромагнитная технология

Электромагнитные расходомеры работают по закону электромагнитной индукции Фарадея. Электроды, смонтированные на противоположных сторонах корпуса расходомера, измеряют напряжение, создаваемое потоком проводящей жидкости в магнитном поле. Это напряжение пропорционально скорости потока. В электромагнитном расходомере используется полноразмерный трубный узел, покрытый одним из нескольких типов инертных пластмассовых материалов. Это делает электромагнитный расходомер идеальным для использования в процессах с грязными жидкостями, сточными водами или пульпой.

1.7.3 Вихревая технология

В вихревом расходомере используется тело обтекания или цилиндр, смонтированный в трубный узел, который создает переменные вихри позади цилиндра. Частота переменного вихря пропорциональна скорости измеряемой среды. Вихревые расходомеры не имеют движущихся частей для обслуживания или ремонта, а сигнал считывается в электронном виде и просто преобразуется в показания расхода. Вихревые расходомеры демонстрируют высокую производительность в большинстве чистых измеряемых сред и могут использоваться в тех же областях, что и расходомеры по перепаду давления.

1.7.4 Ультразвуковая технология

Ультразвуковые расходомеры рассчитывают расход, используя скорость звука в жидкости, создаваемую смонтированными на стенке трубы ультразвуковыми излучателями. Существует два типа ультразвуковых расходомера: доплеровский и с измерением скорости потока частиц. Для отражения звуковых волн на смонтированные на стенке трубы излучатели ультразвуковому доплеровскому расходомеру необходимо наличие частиц в измеряемой среде. Разница в частоте между отправляемой иотражаемой волной пропорциональна скорости измеряемой среды. Для работы ультразвукового расходомера с измерением скорости потока частиц необходима чистая измеряемая среда и противоположные излучатели для отправки и приема звуковой волны под углом в трубопроводе. Разница во времени, необходимом для отправки импульса между излучателями в прямом и обратном направлении потока, пропорциональна скорости измеряемой среды. В некоторых моделях используются пары излучателей для полного охвата поперечного сечения трубопровода, что обеспечивает большую точность измерения расхода, чем у одноканального расходомера.

В каждой из описанных здесь систем измерения расхода используются передовые технологии, и у каждой есть свои преимущества и недостатки. Вместе с тем, система измерения расхода по перепаду давления, используемая в промышленных процессах, остается наиболее распространенной технологией измерения расхода благодаря своему продолжительному опыту эксплуатации, удобству использования, надежности и широкому диапазону применения.

Измеряемые среды и расход – Основные термины и понятия

Измеряемые среды и расход – Основныетермины и понятия

Раздел Страница

2.1 Введение 14

2.2 Физические свойства среды 14

2.3 Основная информация о расходе измеряемой среды 32

2.4 Основные термины расходометрии по перепаду давления 34

2.5 Применяемые стандарты 36

Измеряемые среды и расход – Основные термины и понятия

2.1 Введение

В настоящей главе представлена информация об основных свойствах, определяющих поведение среды и необходимых для измерения расхода. Здесь также содержатся основные термины, применимые к расходомеру по перепаду давления.

Существуют несколько видов измеряемых сред. Расход большинства промышленных сред может быть измерен расходомерами по перепаду давления. Некоторые из этих сред обладают свойствами, сложными для измерения. Все измеряемые среды характеризуются несколькими свойствами, определяющими поведение среды в условиях потока.

2.2 Физические свойства измеряемых сред

Измеряемая среда – это вещество, которое продолжает деформироваться под действием напряжения сдвига в состоянии покоя. См. Рис. 2.1. Измеряемая среда может быть жидкостью, паром или газом. Некоторые свойства большинства измеряемых сред могут рассчитываться на основании других известных свойств. Для прогнозирования воздействия измеряемой среды на расходомер по перепаду давления используются параметры плотности и вязкости. Газы считаются идеальными или реальными в зависимости от изменения их плотности при изменении давления итемпературы. Отличие расчетных значений идеального иреального газа представлено ниже.

определены для большинства распространенных измеряемых сред. Поскольку оба параметра зависят от давления и температуры, необходимо знать нормальный рабочий диапазон давления или температуры в конкретной области применения расходомера.

В дополнение к плотности и вязкости, для прогнозирования влияния сжимаемости газа на сигнал расходомера по перепаду давления используется показатель адиабаты или отношение удельных теплоемкостей c

. Это значение также зависит от

p /cv

условий газа.

2.2.1 Масса, сила и вес

В случае движущихся сред важно понимать физику, лежащую в основе понятия массы, силы и веса. При изменении направления, а также при прохождении потока через предметы или вокруг них, измеряемые среды прилагают усилие. Отношение массы, силы и веса необходимо для понимания этих физических свойств, а также того, как они могут использоваться в уравнении для определения расхода по перепаду давления.

Для перевода движущейся массы в силу используется второй закон Ньютона (См. Рис. 2.2), выраженный следующим образом:

Рис. 2.1 Деформация измеряемой среды в состоянии покоя под действием напряжения сдвига.

Существует два основных параметра, которые необходимо знать для правильного выбора размера и эксплуатации расходомера по перепаду давления – плотность и вязкость. К счастью, зная физические свойства, эти два параметра могут быть запросто

Рис. 2.2 Закон Ньютона – сила, масса и ускорение

Сила, F

Масса,

Ускорение, a

Член правой части уравнения ma называется силой инерции. Чтобы уравнять силу инерции с силой, действующей на тело, F, необходимо иметь одинаковые единицы измерения. Для этого используется преобразование, называемое постоянной преобразования силы инерции g

. Тогда фактическое уравнение

второго закона Ньютона будет выглядеть следующим образом:

+ 330 hidden pages

Rosemount Справочное руководство инженера по измерению расхода по перепаду давления Manuals & Guides

Specifications and Main Features

Frequently Asked Questions

User Manual

Введение

1.3 Перепад давления и расходомер по перепаду давления 4

1.1 Введение

1.2 История технологии измерения расхода по перепаду давления

1.2.1 Уравнение Бернулли

1.2.2 Число Рейнольдса

1.3 Перепад давления и расходомер по перепаду давления

1.4 Основные понятия измерения расхода по перепаду давления

1.4.1 Что такое расход?

1.4.2 Принципы измерения расхода

1.4.3 Трубка Пито

1.4.4 Расходомер по перепаду давления

1.4.5 Первичный элемент

1.4.6 Вторичный элемент

1.5 Сферы применения измерений расхода по перепаду давления

1.6.2 Расходомер по перепаду давления интегральной конструкции

1.7 Альтернативные технологии измерения расхода

1.7.1 Кориолисовая технология

1.7.2 Электромагнитная технология

1.7.3 Вихревая технология

1.7.4 Ультразвуковая технология

2.1 Введение

2.2 Физические свойства измеряемых сред

2.2.1 Масса, сила и вес