Автоматическое измерение расхода жидких и газообразных продуктов и сыпучих сред.

где Q - объемный расход жидкости;

F - площадь поперечного сечения трубопровода.

С учетом последнего выражение для ЭДС запишется:

Учитывая, что и подставив его в выражение для ЭДС, получим:

Принимая во внимание, что В = const для магнитной системы определенного типа и D = const для конкретной конструкции, найдем:

где - некоторый постоянный коэффициент.

Расходомеры щелевые (или расходомеры переменного уровня). Расходомеры этого типа (их называют еще расходомерами истечения) применяют для измерения расхода жидкости, находящейся под атмосферным давлением и свободно протекающей по открытым каналам.

Принцип действия основан на зависимости высоты уровня жидкости в сосуде, в который она свободно втекает от расхода ее через калиброванное щелевое отверстие.

Между объемным расходом Q_v (м³/с) пульпы через профилированное отверстие в емкости и ее уровнем имеется зависимость

где m – коэффициент расхода, зависящий от геометрических размеров щели;
b – ширина щели, мм;
g – ускорение свободного падения. м/с²
Н – уровень воды над водосливом, мм.

На рис. 3 приведена возможная структурная схема щелевого расходомера (а) и профиль щели (б), обеспечивающий линейную зависимость между объемным расходом и уровнем жидкости над водосливом.

Рис. 3. Структурная схема возможного варианта щелевого расходомера

При практической реализации метода измерений по приведенному выше выражению возникают трудности из-за нелинейности этой связи. Для практических измерений всегда удобнее, чтобы связь между и Н была линейной: . Чтобы получить такую связь, про филь щели должен быть построен с использованием выражения

Профиль щели, построенный по вышеприведенному выражению, показан на рис. 3, б. Коэффициент К в выражении (2) рассчитывается по формуле

В соответствии е выражением для ширины щели «в» → при Н→0. Практически линейная зависимость между объемным расходом и уровнем над водосливом сохраняется до уровня 35 мм. Этот участок (≈ 10 % от диапазона измерения), как правило, не используют при практической реализации метода.

Расходомеры постоянного перепада давления. В расходомерах этого типа измеряемое вещество (жидкость, газ) проходит непосредственно через расходомер. Измерительная часть расходомера представляет собой вертикальную трубку конической формы, в которой находится поплавок (рис. 6).

Рис. 6. Схема расходомера постоянного перепада давлений

Площадь проходного сечения в расходомере изменяется в зависимости от расхода, а перепад давления остается постоянным. Перепад давления при протекании жидкости через коническую трубку определяется весом поплавка и его геометрической формой. Учитывая, что эти параметры не изменяются в процессе измерения, перепад давлений остается постоянным. При постоянном перепаде давлений площадь кольцевого сечения между внутренними стенками конической трубки и по плавком пропорциональна расходу жидкости, протекающей в данный момент через расходомер.

В конической трубке площадь кольцевого сечения изменяется пропорционально высоте кольца. Следовательно, поплавок изменяет свое положение по высоте в зависимости от расхода вещества:

где α; – коэффициент расхода, зависящий от коэффициента трения жидкости о стенки трубопровода и поплавка и других факторов;
F – площадь кольцевого сечения зазора;
V_п – объем поплавка;
– плотность материала поплавка и вещества, расход которого измеряется;
S – площадь поперечного сечения поплавка.

Расходомеры этого типа сравнительно точны. Пределы измерения по воде до 3000 л/ч, по воздуху до 40 м³/ч. Промышленность выпускает расходомеры с пневматическими и электрическими преобразователями.

Измерение расхода твердого продукта с пульпой. В основу метода измерения положена зависимость между расходом твердого и объемным расходом пульпы и ее плотностью:

где – плотность твердого продукта в пульпе;
– плотность пульпы;
– объемный расход пульпы.
Учитывая, что величина для определенного типа руд постоянна, Можно принять:

.

Имея сигналы об объемном расходе и плотности пульпы, можно рассчитать количество твердого продукта в пульпе. В случае, если объемный расход измеряется щелевым расходомером, когда , расход твердого будет:

.

С учетом этого расходомер твердого может быть реализован следующим образом (рис.7).

Рис. 7. Функциональная структура расходомера твердого в пульпе

В расходомерном баке 1 жестко закреплена пьезометрическая трубка 2, опущенная до уровня нижней кромки профилированной щели. В том же баке находится поплавок 3, связанный рычажной системой с подвижной пьезометрической трубкой 4, которая опущена в емкость 5 с чистой водой с постоянным уровнем. К обеим трубкам подведено давление сжатого воздуха. Давление в трубке 2 пропорционально величине , а в трубке 4 - величине или Н, т. к. плотность воды = 1. Дифманометр измеряет разность или
Выходной сигнал дифманометра (например Метрана – 100 ДД) пропорционален расходу твердого продукта с пульпой.

Вихревые расходомеры. Вихревые расходомеры работают на принципе вихревой дорожки Кармана. При обтекании потоком среды препятствия (вихревого тела), на сторонах препятствия попеременно возникают вихры, которые затем уносятся потоком. Частота образования вихрей пропорциональна значению скорости потока, а, следовательно, объемному расходу (при Re>4000).

Вихревая частота равна

- число Струхаля

- скорость среды

- ширина препятствия.

Вихревые расходомеры используются для измерения объемного расхода газов, жидкостей малой вязкости, пара.

Термомасскомпенсационные расходомеры. Основан на измерении степени охлаждения газового потока, проходящего через обогреваемый датчик. Поток газа протекает через чувствительный элемент, имеющий два термосопротивления. Первое термосопротивление служит обычным датчиком температуры рабочей среды, а второе служит в качестве нагревателя. Электронный преобразователь датчика температуры поддерживает постоянную разницу температур, управляя величиной электрического тока. Чем больше масса газа, прошедшего через нагреватель, тем сильнее эффект охлаждения, т. е. тем больший ток требуется для поддержания постоянной разности температур. Таким образом, значение тока через нагреватель является показателем массы проходящего газа.

Метод применяется для измерения массового расхода различных газов.

Ультразвуковые расходомеры. Существует большое многообразие ультразвуковых расходомеров. Однако наиболее эффективно данная задача решается с использованием ультразвуковых расходомеров с накладными датчиками, т. к., во-первых, не нарушается целостность трубопровода, а
во-вторых, в поток жидкости не вносится никакое препятствие.

В настоящее время наибольшее распространение получили ультразвуковые расходомеры двух типов:

- расходомеры, в которых используется тот факт, что скорость распространения ультразвуковой волны С в движущейся среде является векторной суммой

С= С_ж+V,

где С_ж — скорость распространения ультразвука в неподвижной жидкости,

а V — скорость течения жидкости;

- расходомеры, основанные на эффекте Доплера, имеющем место при отражении ультразвуковой волны от некоторого отражателя или группы отражателей, движущихся в потоке жидкости.

В расходомерах, относящихся к первой группе, отклонения величины С от её значения в неподвижной жидкости определяются путем косвенных измерений следующих величин:

- разности времен t (времяимпульсный метод) прохождения ультразвуковых импульсов по потоку и против него;

- разности фаз (фазовый метод) между ультразвуковыми колебаниями, распространяющимися по потоку и против него;

- разности частот f (частотный метод) двух автогенераторов, в качестве элемента обратной связи которых используется контролируемая среда.

Современные расходомеры, как правило, реализуют времяимпульсный метод.

Ультразвуковые времяимпульсные расходомеры в основном используются для измерения расхода «чистых» жидкостей, т. е. сред, содержащих сравнительно небольшое количество твердых и газовых включений. В случае же, если необходимо проводить измерение расхода неоднородных жидкостей, таких как сточные воды и пульпы, нужно использовать доплеровские расходомеры.

Принципы работы ультразвукового времяимпульсного расходомера.

Рис. 10. Принцип работы ультразвукового времяимпульсного

расходомера

Время распространения сигнала по потоку (рис. 9) можно записать в виде

(1)

Здесь t_П — время распространения ультразвука в призме электроакустического преобразователя (ЭП);

t_ст — время распространения ультразвука в стенке трубопровода;

D — внутренний диаметр трубопровода;

С_ж — скорость распространения ультразвука в неподвижной жидкости;

α_ж — угол между вертикалью и направлением распространения ультразвука в жидкости;

V — скорость течения жидкости.

Аналогично время распространения сигнала против потока можно вычислить по формуле

(2)

Разрешив систему уравнений (1) и (2) относительно V, получим следующее соотношение

(3)

В выражение (3) входит отношение скорости ультразвука в жидкости С_ж к синусу угла между вертикалью и направлением распространения колебаний α_ж, которое в соответствии с законом Снеллиуса равно

(4)

Здесь - скорость ультразвука в материале призмы ЭП;

- угол между вертикалью и направлением ввода ультразвуковых колебаний в стенку трубопровода, который равен углу призмы ЭП.

С учетом (4) (3) можно записать в виде

(5)

Соответственно умножив (5) на площадь поперечного сечения трубопровода, определим расход Q как

(6)

Здесь - величина, обратно пропорциональная гидродинамическому коэффициенту, зависящему от профиля скоростей.

Таким образом, измерив и и зная параметры призмы ЭП и стенки трубопровода, из соотношения (6) можно определить расход жидкости.

Принципы работы ультразвукового доплеровского расходомера.

Рис. 11. Принцип работы ультразвукового доплеровского расходомера

Известно, что, если точечный рассеиватель (рис. 10), движущийся вдоль оси трубы со скоростью V, облучается под углом α_ж к вертикали сигналом с частотой ω₀, то частота ω_Д принятого эхо-сигнала определяется соотношением:

(7)

Разложив второй сомножитель в (7) в степенной ряд и взяв разность , получим так называемый локационный вариант формулы эффекта Доплера:

Как правило, V << C_Ж, поэтому можно ограничиться линейным приближением

(8)

В силу соотношения (4) из выражения (8) следует, что

, (9)

т. е. величина доплеровского сдвига прямо пропорциональна скорости рассеивателя V.

В реальных условиях в формировании сигналов объемного рассеяния принимает участие совокупность рассеивателей различной природы, случайно расположенных в пространстве. В этом случае понятие «доплеровское смещение» сменяется концепцией «доплеровского спектра», отражающей распределение принятой энергии как функции радиальных скоростей рассеивателей. Для того чтобы можно было пользоваться соотношением (9) в реальных расчетах, достаточно под величиной подразумевать центр тяжести спектра отраженного сигнала.

Измерение расхода сыпучих материалов. Измерение расхода сыпучих материалов - руды, компонентов шихты, концентратов играет важную роль в технологическом контроле на предприятиях горной промышленности. Автоматизация многих технологических процессов (дробление, измельчение, шихтоподготовка и др.) невозможна без автоматического измерения веса и расхода сыпучих материалов. Этот параметр является основным при реализации систем автоматического дозирования реагентов в процессе флотации, информация о переработке руды и количестве полученных концентратов служит основой для расчета различного рода балансов (сменных, суточных и т.д.).

Для измерения расхода сыпучих сред на обогатительных фабриках применяют конвейерные весы. В зависимости от способа получения информации о количестве груза на ленте конвейера различают следующие весоизмерительные устройства:

· электромеханические;

· гамма-электронные;

· тензорезисторные;

· электронные.

Конвейерные весы состоят из грузоприемного устройства с преобразователем измеряемого параметра, измерителя скорости или перемещения конвейерной ленты и вторичных приборов, представляющих информацию в необходимом виде (рис. 8).

Рис.8. Структурная схема конвейерных весов

Грузоприемные устройства конвейерных весов представляют собой либо одну роликоопору, либо специальную платформу из 3-х роликоопор.
Для измерения скорости используют индукционные датчики, тахогенераторы.

Расход сыпучего материала определяется из выражения

где – суммарная масса материала, перемещенная конвейером за время Т;
– мгновенное значение массы, приходящееся на единицу длины ;
V – скорость ленты конвейера.

Весы осуществляют измерение расхода руды в пределах от 100 до 2000 т/ч. Погрешность измерения не более + 1 %. Из известных фирм, выпускающих весоизмерительные устройства различного назначения, отметим фирму Шенк (SCHENK), Германия.