Средства измерения расхода жидкостей и газов. Принципы действия, конструкции, характеристики.

Расход – количество вещества (масса или объем), протекающего через данное сечение трубопровода (канала) в единицу времени. Измерения расхода составляют до 15% от общего числа измерений в промышленности. Информация о расходе широко используется при управлении технологическими процессами для оптимизации их режимов. В последнее время возрастает роль измерений расхода энергоносителей в связи с возрастанием их стоимости и необходимостью контроля эффективности энергосберегающих мероприятий. В зависимости от единицы измерения количества вещества (м³ или кг) различают массовый (кг/с) или объемный расходы (м³ /с). В технике часто применяют производные внесистемные единицы – м³ /ч, т/ч, л/с и др. СИ измерения расхода – расходомеры.

Основной элемент расходомера – преобразователь расхода – устройство, непосредственно воспринимающее динамическое воздействие потока и преобразующее его в другую величину (перепад давления, электрический сигнал), удобную для измерения.

Требования к расходомерам, которые удовлетворить совместно очень трудно.

 Высокая точность измерения. Нередко требуется иметь погрешность не более 0,2-0,5 %. Такую погрешность обеспечивают электромагнитные, ультразвуковые и кориолисовы расходомеры.

 Высокая надежность (безотказность и долговечность). Оценивается временем, в течение которого прибор сохраняет работоспособность и заявленную точность. Это время зависит от типа прибора и от условий его применения.

 Малая зависимость результата измерений от изменения плотности вещества. В лучшей степени этому требованию отвечают скоростные расходомеры, у которых статическая характеристика не зависит от плотности.

 Быстродействие прибора. Это требование важно, когда расходомер применяют в системах автоматического регулирования и при измерении быстроменяющихся расходов.

 Широкий диапазон расходов, подлежащих измерению. Расходы жидкости изменяются в пределах от 1 до10⁸ кг/ч (для трубопроводов), а газов — в пределах от 10 до 10⁶ кг/ч.

 Учет большого количества влияющих факторов. Характеристики потока, которые воспринимаются преобразователями расхода, зависят от температуры, вязкости, плотности, наличия дисперсной фазы и т.п.

 Устранение влияния на ЧЭ физико-химических свойств потока. Вещества могут быть агрессивными, абразивными, токсичными, взрывоопасными и т. д.

 Стоимость.

Сейчас существует значительное число методов измерений расхода и разновидностей приборов. Причем часть из них в лучшей степени удовлетворяет одним требованиям, а часть – другим.

Наибольшие распространение получили расходомеры:

 переменного перепада давлений (с сужающим устройством и осредняющими трубками);

 постоянного перепада давлений,

 тахометрические,

 электромагнитные,

 ультразвуковые,

 вихревые,

 кориолисовы (массовые)

Расходомеры переменного перепада давления. Принцип действия основан на зависимости от расхода перепада давления, создаваемого преобразователем расхода, установленным в трубопроводе.

Расходомеры с сужающими устройствами. Принцип действия основан на измерении перепада давления, возникающего в результате преобразования в СУ части потенциальной энергии потока в кинетическую.

Преимущества:

 простота конструкции и низкая стоимость,

 отсутствие подвижных частей и высокая надежность,

 возможность получения статической характеристики расчетным путем,

 малые затраты на поверку.

Недостатки:

 нелинейная статическая характеристика,

 узкий динамический диапазон, 1:3

 погрешность более 2%,

 дополнительное гидравлическое сопротивление.

Рис. 6.1. Разновидности сужающих устройств

При прохождении сужающего устройства поток деформируется и при этом изменяются скорости и давления в разных сечениях. Выражением закона сохранения энергии для движущегося потока в горизонтальном трубопроводе является уравнение Бернулли. Решение этого уравнения совместно с уравнением неразрывности потока позволяет определить статическую характеристику преобразователя:

где α – коэффициент расхода,

ε – коэффициент, учитывающий изменение плотности среды при уменьшении давления в СУ. Для жидкостей ε=1, а для газов ε <1.

f – площадь отверстия диафрагмы,

K – поправка на тепловое расширение материала диафрагмы.

Расходомеры с осредняющими напорными трубками. Принцип действия основан на измерении скоростного напора в различных точках профиля скорости. Осредняющая трубка представляет собой трубку, которая устанавливается в трубопровод перпендикулярно потоку и имеет несколько отверстий симметрично на различном расстоянии от оси. Диаметр трубки не более 0,1 диаметра трубопровода.

Статическая характеристика расходомера аналогична характеристики расходомера с сужающим устройством, однако расходомеры с осредняющими напорными трубками имеют ряд преимуществ:

 Потеря давления, создаваемая преобразователем, в 5-10 раз меньше потерь давления в сужающем устройстве,

 Погрешность менее ±1% в динамическом диапазоне 1:10,

 Малые габариты и масса при больших диаметрах трубопровода (0,5–3 м),

 Минимальные затраты при монтаже,

 Высокая стабильность коэффициента расхода (0,99)

 Меньшие длины прямых участков.

В современных моделях расходомеров в трубку встроен термометр сопротивлений, что позволяет проводить коррекцию при измерении массового расхода. Кроме того, применение микропроцессоров позволяет использовать регрессионный анализ при калибровке расходомера и обеспечивает коррекцию статической характеристики в реальном масштабе времени.

Расходомеры постоянного перепада давлений (ротаметры). Представляют собой трубку конического сечения, устанавливаемую вертикально, в которой может свободно перемещаться поплавок. Чаще всего трубка выполняется из стекла, а поплавок – из металла или пластмассы. На поверхность трубки наносится равномерная шкала в относительных единицах: от 0 до 100.

Преимуществами ротаметров являются:

 простота конструкции и низкая стоимость,

 возможность измерения расхода жидкостей и газов,

 наглядность показаний,

 возможность измерения расхода агрессивных сред,

 возможность измерения малых расходов – от 0,4 л/ч

Недостатки:

 нелинейная статическая характеристика,

 малый максимальный измеряемый расход, до 10 т/ч при D = 50 мм.

 необходимость вертикальной установки,

 зависимость показаний от плотности и вязкости среды.

В ротаметре, также как и в сужающем устройстве можно выделить три характерных сечения.

 

Ротаметр

На поплавок снизу действуют силы:

 , обусловленная разностью статических давлений на носовую и кормовую части поплавка, f – наибольшая площадь сечения поплавка,

 – обусловленная динамическим давлением потока, с – коэффициент сопротивления, v – скорость потока, ρ_С – плотность среды;

 N – сила трения потока о боковую поверхность поплавка.

Сверху на поплавок действует сила тяжести (с учетом силы Архимеда):

Считая ротаметр специфическим расходомером с сужающим устройством с кольцевым отверстием, уравнение расхода можно записать следующим образом:

где f_К – площадь кольцевого сечения.

Поплавковые расходомеры. Принцип действия аналогичен ротаметру, но конус выполнен из металла и имеет больший угол. Вследствие этого перемещение поплавка значительно меньше и оно может быть преобразовано в электрический сигнал. Передача перемещения осуществляется с помощью дифференциального трансформатора, магнитной муфты или иным способом. Такие расходомеры выпускаются от D 15 мм (G max =25 л/ч воды или 0,7 м³/ч для воздуха) до 100 мм и максимальным расходом жидкости до 100 м³/ч при рабочем давлении до 25 ат. Погрешность до 2,5%. Некоторые модели имеют токовый выход, датчики предельных значений.

 

Поплавковый расходомер

 

Тахометрические расходомеры. Принцип действия основан на зависимости скорости вращения чувствительного элемента (турбинки) от скорости потока. В зависимости от взаимного расположения оси потока и оси турбинки различают счетчики с аксиальной и тангенциальной турбинками. Так как выходной сигнал с тахометрического преобразователя технически проще суммировать, то они применяются как правило в качестве счетчиков количества.

Достоинства:

 Простота конструкции,

 Высокая точность (от 0,3 до 2%),

 Независимость показаний от плотности (только для объемных счетчиков),

 Измерение расхода вязких жидкостей при низких Re,

 Малые габариты и масса для малых Ду (15-50 мм)

 Низкая стоимость.

Недостатки:

 Наличие подвижных частей,

 Значительное гидравлическое сопротивление,

 Большие габариты и масса для больших D (до150 мм).

 Невозможность измерения расхода газов,

 Зависимость показаний от плотности и вязкости среды.

 Невозможность измерения расхода загрязненных и абразивных сред,

Область применения – измерение протекающего объема жидкостей: воды, нефти, масел, бензина и т.д. Перед турбинным счетчиком необходимо устанавливать фильтр механических частиц.

Расходомеры с тангенциальной турбинкой. Используют для измерения малых расходов и при D до 50мм. Турбинка имеет прямо- или криволинейные лопасти и ее ось перпендикулярна оси потока. При этом для придания вращения поток направлен тангенциально относительно лопастей. В зависимости от способа подвода потока к лопастям различают одно- и многоструйные счетчики.

В одноструйных поток к турбинке направляется по гладкому каналу одной струей. Они более просты, имеют меньшее гидравлическое сопротивление, но менее надежны из-за одностороннего износа опоры.

 

Одноструйный расходомер

 

В многоструйных корпус имеет два ряда равномерно расположенных сопел. Через часть из них жидкость подается на турбинку, а через часть (с противоположной стороны) – отводится. Частота вращения передается на счетный механизм с помощью магнитной муфты, что обеспечивает герметичность и долговечность счетного механизма.

 

Многоструйный расходомер

Расходомеры с аксиальной турбиной. В таких расходомерах ось турбинки совпадает с осью потока.

Расходомер с аксиальной турбиной

Если необходимо измерять значительно изменяющиеся расходы, то применяют комбинированные водосчетчики. Если расход мал, то поток идет через счетчик малого D, при увеличении до некоторого значения срабатывает клапан и поток идет через счетчик большего D.

Объемные счетчики с овальными шестернями. Применяются для измерений расхода высоковязких и чистых жидкостей. Преимущества: высокая точность, независимость показаний от плотности и вязкости среды. Недостаток – восприимчивы к наличию абразивных частиц.

Электромагнитные расходомеры состоят из участка трубопровода, выполненного из немагнитного материала и футерованного изнутри диэлектриком, электрических катушек, создающих импульсное магнитное поле, и электродов.

Статическая характеристика выражается формулой:

,

где В – индукция магнитного поля, D – диаметр трубопровода, v – скорость потока.

Преимущества:

 линейная статическая характеристика,

 малая погрешность - 0,2%,

 высокая надежность,

 независимость показаний от плотности и температуры среды,

 широкий динамический диапазон измерений (1:1000),

 возможность измерения расхода дисперсных и агрессивных сред,

 отсутствие дополнительного гидравлического сопротивления.

Недостатки:

 возможность измерения расхода только электропроводных жидких сред,

 слабый выходной сигнал преобразователя расхода.

Электромагнитные расходомеры нашли широкое применение для измерения расхода воды и водных растворов, плотность и вязкость которых может изменяться в широких пределах, а также содержащих абразивные немагнитные частицы. Например, шликера, пульп, сточных вод и т.д. Выпускаются с диаметрами условного прохода от 3 до 2000 мм.

Ультразвуковые расходомеры. Действие ультразвуковых расходомеров основано на влиянии скорости среды на характеристики распространяющейся в ней акустической волны. Разделяются на 1) основанные на перемещении в среде акустической волны и 2) на эффекте Доплера. Наибольшее распространение получили расходомеры, измеряющие разность времен прохождения волны по потоку (от излучателя И1 к приемнику П1) и против него (от излучателя И2 к приемнику П2).

Статическая характеристика такого расходомера имеет вид:

где с – скорость звука в измеряемой среде.

Преимущества время-импульсных расходомеров:

 высокая точность,

 возможность измерения расхода как жидкостей, так и газов,

 широкий диапазон измерений (1:500),

 низкая стоимость, малые габариты и масса при больших диаметрах трубопроводов (400 – 1500 мм.).

 возможность измерения расхода без врезки в трубопровод.

Недостатки:

 зависимость показаний от профиля скорости потока и скорости звука,

 зависимость показаний от наличия в потоке частиц.

Для уменьшения влияния профиля потока применяют преобразователи, у которых волна распространяется поперек трубы по хорде на расстоянии 0,5R от ее центра или вдоль оси трубопровода. Существует большое разнообразие конструкций преобразователей расхода.

Доплеровские расходомеры лучше работают при наличии в потоке частиц.

Кориолисовы расходомеры.

Принцип действия кориолисовых расходомеров основан на зависимости силы Кориолиса от расхода. Чувствительный элемент представляет участок трубопровода, который перемещается (колеблется) в плоскости, перпендикулярной направлению движения.

На участок движущейся трубки действует кориолисова сила:

где G – массовый расход, ω – угловая скорость вращения чувствительного элемента.

 

Сила, действующая на поток, движущийся к оси вращения, направлена встречно вращению, а на поток, движущийся от оси вращения направления вращения и кориолисовой силы совпадают. Это приводит к закручиванию чувствительного элемента.

Около каждой трубки установлены датчики положения, выходной сигнал которых при колебаниях представляет собой синусоиду. При отсутствии движения потока сигналы совпадают по фазе. Если расход не равен нулю, то сигнал одного из датчиков начинает отставать. Сдвиг фазы пропорционален массовому расходу.

Преимущества:

 высокая точность (менее 0,1%),

 широкий динамический диапазон,

 возможность измерения массы потока.

Недостатки:

 сложная конструкция,

 дрейф нуля,

 высокая стоимость.