10.2 Устройства для измерения расхода

Чтобы измерить расход жидкостей, газов или пара, надо в трубопроводе, по которому они протекают, создать перепад давления. Для этого служат сужающие (дроссельные) устройства. При протекании жидкого или газообразного вещества через место сужения скорость потока возрастает, а давление понижается и становится меньше, чем перед сужающим устройством. Разность давления до сужающего устройства и после него называется перепадом давления. Перепад давления будет тем большим, чем больше жидкости или газа протекает через дроссельное устройство. Изменение потока при прохождении через сужающее (дроссельное) устройство показано на рисунок 10.3. Измеряя разность давления до сужающего устройства и после него, определяют расход вещества.

В качестве сужающих устройств применяют диафрагмы, сопла и трубы Вентури.

Рисунок 10.3. Характер потока и распределение давления при установке в трубопроводе сужающего устройства:

/ —сечение потока до начала его сужения; //—сечение потока в наиболее узком месте; Р — потеря давления в трубопроводе из-за установки диафрагмы

Нормальные сужающие устройства

Нормальные диафрагмы. Нормальная диафрагма (рисунок10.4) пред­ставляет собой тонкий диск с концентрическим цилиндрическим отверстием, которое имеет острую входную кромку. Поверхность диафрагмы обрабатывают по 6 и 7-му классам чистоты. Со стороны входа (отмечен стрелкой) отверстие имеет прямой угол. Его кромка выпол­няется тщательно и должна быть острой. Для нормальной диафрагмы характерно то, что отбор давления происходит непосредственно перед диафрагмой и после нее через импульсные трубки.

Нормальная диафрагма с кольцевыми камерами (рисунок 10.4) состоит из самой диафрагмы (диска) и кольцевых камер, между которыми она зажата через прокладки. Кольцевые каналы камер сообщаются при помощи узких кольцевых щелей вблизи поверхности диска с простран­ством трубопровода, а при помощи трубок — с дифманометром. Диаф­рагму изготовляют обычно из нержавеющей стали, а камеры — из углеродистой стали. Эти диафрагмы применяют для трубопроводов диаметром от 50 до 400 мм.

В трубопроводах диаметром более 400 мм применяют нормальные диафрагмы (рисунок 10.5), в которых отбор давления осуществляют несколькими парами (тремя или четырьмя) отборных трубок, соединенных между собой кольцевыми трубопроводами. От них отходят трубки к дифманометру. Для трубопроводов диаметром до 150 мм применяют Диафрагмы толщиной 3 мм, диаметром от 150 до 400 мм — 6 мм и более (в зависимости от диаметра трубопровода). Отверстие диафрагмы со стороны входа потока имеет острую цилиндрическую кромку, вы­полненную под углом 90 °, а далее расточено на конус под углом 45 °.

Рисунок 10.4. Нормальная диафрагма и диафрагма с кольцевыми камерами

Рисунок 10.5. Диафрагма, устанавливаемая на трубопроводах диаметром более 400 мм, нормальное сопло

Расходомеры постоянного перепада давлений

Расход жидкости, пара и газов по постоянному перепаду давления измеряют ротаметрами. Ротаметр представляет собой вертикально установленную стеклянную трубку в форме конуса, обращенную широким концом вверх, внутри которой находится поплавок, рисунок 10.6. Протекающий снизу вверх поток среды, расход которой измеряют, поднимает поплавок до тех пор, пока его вес не уравновесится разностью давлений до и после поплавка. При отсутствии потока поплавок находится внизу, на нулевом делении шкалы.

По мере увеличения или уменьшения потока поплавок перемещается вверх или вниз. Трубка и поплавок образуют сужающее устройство. При движении вещества через ротаметр большее давление будет между стенками поплавка и конической трубкой, а меньшее над по­плавком. Расход вещества определяют по высоте расположения поплавка.

Для отсчета на конической трубке имеется шкала, отградуированная в единицах объема. Шкала ротаметра равномерная. Для придания поплавку устойчивости на нем сделаны косые срезы, при движении среды он вращается и центрируется, не соприкасаясь со стенками трубки.

Кроме стеклянных, существуют различные металлические ротаметры с индукционной или пневматической дистанционной передачей показаний по­плавка на вторичные приборы.

Ротаметр типа РЭД. Он работает в комплекте с вторичным электронным прибором типа КСД и предназначен для дистанционного измерения, запи­си и регулирования расхода жидкостей.

Рисунок.10.6. Схема ротаметра: 1 — коническая трубка; 2 — по­плавок; 3—деления шкалы

В приборе поплавок жестко связан с сердечни­ком индукционного датчика, который проводами соединен с индукционной катушкой вторичного прибора по дифференциально-трансформаторной схеме. Поплавок и коническая трубка находятся в корпусе прибора. Секционная катушка имеет первичную обмотку, на которую поступает напряжение 10—12 В с частотой 50 гц от силового трансформатора вторичного прибора, и вторичную обмотку, состоящую из секций с одинаковым количеством встречно соединенных витков. Под действием проходящего снизу вверх потока жидкости поплавок перемещает сердечник. Измеряемая величина, преобразованная в индукционном датчике в электрический сигнал, передается на вторичный прибор.

Шкала ротаметра условная, она состоит из 100 равномерных де­лений. Основная допустимая погрешность показания ротаметра в комплекте с вторичным прибором типа КСД ±2,5 % верхнего предела измерения.

Металлический ротаметр типа РПД с пневматическим датчиком. Ротаметр типа РПД служит для измерения расхода жидкостей. Он имеет показывающее устройство и пневматический датчик для дистанционной передачи показаний на вторичный прибор.

Действие ротаметра типа РПД основано на перемещении поплавка внутри конической трубки или диафрагмы потоком жидкости, проходящей снизу вверх. Каждой величине расхода среды при определенной ее плотности и кинематической вязкости соответствует определенное положение поплавка.

Массовые расходомеры

Для измерения расхода многокомпонентных потоков, какими являются добываемые из нефтяных скважин газожидкостные смеси, содержащие нефть, газ и воду, а также для получения результатов измерения расхода в весовых единицах, независимо от изменения температуры и плотности, целесообразно применять массовые расходомеры.

Принцип действия расходомеров для измерения массового расхода заключается в измерении инерционного момента, создаваемого в потоке жидкости. Если участок канала, через который проходит измеряемое вещество, перемещать с определенной скоростью в направлении, не совпадающем с направлением движения жидкости, то приобретаемая средой дополнительная кинетическая энергия будет непрерывно уноситься потоком среды, продолжающей двигаться в заданном направлении по выходе из канала. Мощность, необходимая для сообщения частицам жидкости движения и дополнительная кинетическая энергия вытекающего из канала измеряемого вещества будут прямо пропорциональны массовому расходу.

В массовых расходомерах, разработанных Институтом автоматики и телемеханики (технической кибернетики), дополнительное движение частицам жидкости сообщает закручивание потока вокруг оси его движения.

Момент вращения, который надо приложить к устройству, закручивающему поток, определяется по изменению момента количества движения среды на выходе из канала

, ,

где J – момент инерции измеряемого вещества,

m – масса измеряемого вещества,

Ri – радиус инерции выходного сечения канала,

w – угловая скорость вращения.

Учитывая, что - массовый расход вещества G, получаем общее соотношение для всех расходомеров с закручиванием потока

.

Устройство одного из типов массового расходомера показано на рисунке 10.7. В корпусе 4 прибора, представляющем собой отрезок трубы, расположена крыльчатка 3, которая может свободно вращаться на шариковых подшипниках вокруг оси 1. Крыльчатка представляет собой ротор синхронного электродвигателя.

Снаружи корпуса расположена обмотка статора 2 электродвигателя. Крыльчатка 3 приводится во вращательное движение электромагнитным полем, которое создается статорной обмоткой.

При наличии потока многокомпонентной или однокомпонентной смеси движение ротора-крыльчатки затруднено. Причем количество энергии, затрачиваемой на вращение крыльчатки, пропорционально величине массового расхода вещества.

Рисунок 10.7- Устройство массового расходомера.

Этот метод определения массового расхода сводится к определе­нию мощности или силы тока, потребляемого электроприводом крыльчатки, вращаемой в потоке с постоянной окружной скоростью.

Таким образом, мощность, отнимаемая потоком от равномерно вращающегося ротора, пропорциональна величине расхода вещества.

Индукционные расходомеры

Принцип действия индукционных расходомеров основан на изме­рении зависящей от расхода электродвижущей силы, индуктирован­ной в потоке электропроводной жидкости под действием электромагнитного поля. Схема индукционного расходомера показана на рисунке 10.8.

Рисунок 10.8. Схема индукционного расходомера.

Между полюсами магнита N — S перпендикулярно направлению

силовых линии магнитного поля проходит трубопровод 1, по которому течет жидкость. Если жидкость электропроводка, то в точках, лежащих на противоположных концах вертикального диаметра трубопровода, создается разность потенциалов, об­разующая электродвижущую силу е

где В — магнитная индукция; l — расстояние между электродами;

w — скорость потока жидкости.

Разность потенциалов снимается двумя электродами 2 и измеряется прибором 3. Отрезок трубы, расположенный в магнитном поле, изготовлен из немагнитного материала.

Ультразвуковые расходомеры

Ультразвуковые методы измерения скорости потока в трубопроводе основаны на том, что при распространении ультразвуковых колебаний в движущейся среде скорость распространения ультразвука относительно неподвижной системы координат (стенок трубопровода) будет равна векторной сумме скорости ультразвука относительно среды и скорости самой среды относительно трубопровода.

Если в трубопроводе установить два источника, из которых один излучает ультразвуковые колебания по направлению потока, а другой — против потока, и соответственно два приемника ультразвука, расположенных на одинаковом расстоянии от излучателей, то при движении жидкости в трубопроводе сигналы в двух ультразвуковых каналах приходят к приемникам с акустической разностью хода, величина, которой зависит от скорости движения жидкости.

Принцип действия ультразвуковых расходомеров может быть основан на: 1) измерении интервалов времени между приходом ультразвука, посланного по потоку и против движения потока; 2) измерении сдвига фаз между ультразвуковыми колебаниями, направленными попеременно по потоку и против него, 3) измерении разности частот ультразвуковых колебаний, создаваемых автоколебательной схемой и направляемых одновременно по потоку и против него.

На рисунок 10.9 приведена схема расходомера, построенного на прин­ципе измерения времени между приходом ультразвука, посланного по потоку и против движения потока.

В комплект расходомера входят: датчик 1, высокочастотный генератор 2, электронный усилитель 3, фазочувствительный блок 4, блок компенсации влияния скорости звука 5, переключатель 6, показывающий прибор 7, вторичный прибор 8 и пьезоэлементы 9.

Датчик представляет собой отрезок обрезиненной металлической трубы с двумя укрепленными на ней пьезоэлементами, который встраивается в разрыв трубопровода на пути измеряемого потока.

Рисунок 10.9. Блок-схема ультразвукового расходомера типа УЗР.

Звуковая волна, посланная в измеряемую среду по направлению потока, проходит расстояние между излучателем и приемником за время

.

Звуковая волна, посланная в измеряемую среду против направлению потока, проходит расстояние между излучателем и приемником за время

.

Инвертировав сигналы, пропорциональные времени прохождения сигналов, и, вычитая их, получим:

.

Таким образом, сигнал E пропорционален скорости потока жидкости и не зависит от скорости распространения звука в среде.

Радиоактивные расходомеры

Радиоактивные методы измерения расхода основаны на зависи­мости уноса потоком радиоактивных излучений или изотопов от скорости движения в трубопроводе измеряемого вещества. Существующие приборы по принципу действия можно разделить на две группы:

основанные на использовании изменения интенсивности потока излучения, воспринимаемого приемником;

основанные на измерении времени между сигналами от ионизированных частиц движущихся в измеряемом потоке.

Схема прибора, построенного по методу изменения интенсивности сигнала, показана на рисунке. 10.10. На внутренней поверхности трубопровода 1, по которому протекает газ, расположены изолированные от трубопровода пластины 2, соединенные с источником тока. На одну из этих пластин наносится слой радиоактивного вещества 3, ионизирующего пространство между пластинами-электродами. При отсутствии движения газового потока ионы под действием сил электрического поля перемещатся к электродам и в цепи возникает ток. При движении потока измеряемого вещества часть ионов уно­сится из межэлектродного пространства, вследствие чего ток в цепи уменьшается. Чем больше скорость потока, тем больше уносится ионов и тем меньше ток в измерительной цепи. Таким образом, сила тока в измерительной цепи обратно пропорциональна скорости потока в трубопроводе, а следовательно, расходу.

На точность измерения этим методов влияет изменение величины питающего напряжения и интенсивности распада радиоактивного изотопа.

Этих недостатков лишены приборы, использующие временной принцип измерения. На рисунке 10.11 изображена предложенная Институтом автоматики и телемеханики схема прибора для измерения расхода созданием ионизированных молекул. Принцип работы прибора заключается в следующем. Лучи радиоактивного излучателя 2, расположенного вблизи трубопровода 7, при помощи модулятора 3 пронизывают трубопровод, по которому движется газ. Вследствие этого внутри трубопровода образуются ионизированные участки среды (так называемые ионные метки 4), которые переносятся вместе с потоком газа. Метка представляет собой облачко ионизированных молекул газов, основанная на уносе ионов газовый потоком.

Рисунок 10.10 Схема прибора для измерения расхода

В момент излучения модулятор подаст импульс на счетное устройство 7 для фиксации начала отсчета времени. Ионизированные метки улавливаются приемником 5, расположенным на некотором расстоянии по потоку от излучателя.

Рисунок 10.11. Схема прибора для измерения расхода соз­данием ионизированных молекул.

Приемник состоит из двух пла­стин, укрепленных на стенках трубопровода и электрически от них изолированных.

На пластины подается разность потенциалов от источника питания, включенного в цепь последовательно с высокоомным сопротивлением первого каскада усилителя в. При прохожде­нии облачка ионизированных молекул мимо коллектора на устройство отсчета 7 поступает импульс с усилителя, задержанный относительно импульса, создаваемого модулятором, на время, пропорциональное скорости газового потока.

Шкала прибора градуируется непосредственно в единицах рас­хода газа. Максимальная погрешность прибора ±{1,5-2) % от пре­дела измерения.