10.7. Измерение расхода газа

Регулирование расхода газа значительно сложнее регулирования расхода жидкости. При любом способе измерения газ сначала полностью очищают от примеси аэрозоля (см. разд. 10.3), поскольку ни одна система измерения расхода газа не будет надежно работать с загрязненной газовой фазой.

Для определения расхода газа используют следующие приборы: реометры, ротаметры, маностат-реометры и др. Можно применять и простой газометр (см. разд. 10.10), если его предварительно прокалибровать, приклеив снаружи сосуда полоску миллиметровой бумаги с указанием объема газа, поступающего в газометр в единицу времени.

Чаще всего применяют реометры со сменным капилляром или диафрагмой и ротаметры.

Реометры. В капиллярных реометрах капилляр 1 (рис. 254,а) всегда прокалиброван для конкретного газа и определенной манометрической жидкости 3. Поэтому каждый капилляр имеет свою шкалу 4, на которой указаны составы газа и манометрической жидкости.

Рис. 254. Реометры: капиллярный (а), со сменными капиллярами (б) и дифрагменный (в)

Манометрической жидкостью может быть подкрашенная вода, вазелиновое или парафиновое масло, чистый керосин, ртуть, серная кислота. Чтобы капилляр обеспечивал прямолинейную зависимость скорости газа от разности его давлений до и после капилляра, длину последнего делают в сто раз больше диаметра.

Наиболее удобен в использовании реометр со сменными капиллярами 1, укрепленными в резиновой пробке или при помощи шлифов (рис. 254,б) и закрытые съемной головкой 5 с пришлифованным отверстием. Такое устройство позволяет легко очищать капилляры в случае их загрязнения. В нижнем изгибе манометрической трубки 3 часто делают сужение 8, сдерживающее движение жидкости и позволяющее брать более точные отсчеты при периодическом колебании расхода газа. Иногда у реометров капилляр закрепляют на манометрической трубке обрезками резинового шланга. Применения таких реометров следует избегать, поскольку замена капилляров в них затруднительна и заканчивается часто поломкой реометра (концы капилляров должны подходить вплотную к трубкам реометра).

Шкала каждого реометра проградуирована в единицах объема газа, проходящего через капилляр в единицу времени (л/ч, л/мин, мл/с, мл/мин и т. д.). Чтобы измерение расхода газа реометром было правильным, поток газа не должен быть пульсирующим, а перепад давления в реометре не должен превышать 4 • 10⁴ Па, или 300 мм вод. ст. В этом случае относительная погрешность измерения составляет около 1%.

Если реометр, откалиброванный для одного газа, нужно использовать для определения расхода другого газа, то полученное значение расхода V₁ (мл/мин) пересчитывают, используя соотношение

V₂ = V₁ , (10.I3)

где V₂ - расход нового газа, мл/мин. с плотностью ρ₂ г/см³; ρ₁ – плотность газа, по которому проводили градуировку реометра.

При таком пересчете плотности двух газов должны относиться к давлению 1 атм (101325 Па) и одной и той же температуре (20 или 25 °С).

Полученные показания реометров пересчитывают также в том случае, когда давление и температура газа резко отличается от значений, при которых происходила калибровка реометра. Для такого пересчета применяют соотношение

V₂ = V₁ , (I0.14)

где V₂ - расход газа, мл/мин, при давлении p₂, торр, и температуре T₂, К; V₁ - расход газа по показанию реометра, откалибропанного при давлении p₁ и температуре T₁|.

Давление p₂ определяют по показаниям манометра (р) перед реометром и барометра, дающего атмосферное давление p_атм:

p₂ = p_атм – p.

Реометры с диафрагмой 6 (рис. 254,а) позволяют пропускать газ с большей скоростью - от нескольких литров до десятков литров газа в минуту, но они менее точны, чем капиллярные реометры. Имеющиеся в манометрической трубке расширения 3 предназначены для выравнивания давления до и после диафрагмы и уменьшения колебаний манометрической жидкости. Проградуированы такие реометры обычно в л/мин. Вместо диафрагмы иногда применяют трубки со вставками из пористого стекла (см. разд. 1.5) или трубки с тампоном из стеклянной или полимерной ваты. Если пористая вставка или тампон засоряются, надо готовить новую вставку или тампон и снова калибровать реометр.

Рис. 255. Реометры с резиновой трубкой и поплавком (а) и реометр-клапан (б)

Реометр с резиновой трубкой и поплавком. Прибор представляет собой совмещение реометра с регулятором давления газа. Функции капилляра в нем выполняет резиновая трубка 2 (рис. 255,а) с толстыми стенками, но узким проходом или с тонкими стенками, но с зажимом Гофмана (см. рис. 37,а), сжнмающим трубку до определенного внутреннего зазора.

В сосуде 4, наполненном ртутью или другой жидкостью с высокой плотностью, плавает железный поплавок 5, запирающий выход газа. Поплавок прижимается к трубке 3 ртутью, находящейся в сосуде 4 под давлением газа в трубке 1. Диаметр трубки 3 делают большим, чтобы влияние давления газа на поплавок было значительным. Шкала 6 проградуирована в мл/мин. Определение расхода газа в таком реометре не очень точное, хотя разность давлений до и после резиновой трубки остается приблизительно постоянной.

Реометр-клапан. Такой прибор также совмещает в себе функции реометра и регулятора давления газа. Он имеет помимо капилляра 2 (рис. 255,б) еще и пластинку из пористого стекла 6, приваренную к щели в трубке левого колена реометра. Газ по трубке 1 поступает в реометр и распределяется между левым коленом и капилляром 2. Когда давление газа перед реометром возрастает, уровень ртути в левом колене понижается, и обнажается часть щели перед пористой пластинкой, пропускающей избыток газа в атмосферу через трубку 4. Поэтому разность давлений перед капилляром и за ним остается почти постоянной. Наибольшая чувствительность у такого реометра достигается в том случае, когда трубка с пористой пластинкой имеет уклон 1° к горизонту. Однако стабильность показаний при этом падает.

Расход газа, например азота, определяемый таким реометром, колеблется от 10 до 1000 мл/мин при диаметре сосуда 3, равном мм, и диаметре левого колена 8 мм.

Рис. 256. Реометр-маностат (а) и реометр-распределитель (б). Ротаметр (в)

Реометр-маностат. Прибор объединяет капиллярный реометр 4 (рис. 256,а) со шкалой 5 и маностат 3. Поток газа вначале грубо регулируют краном 1, чтобы его расход несколько превышал необходимый, а более тонкую регулировку проводят краном 2 по показанию реометра 4. Избыток газа удаляется через маностат 3. Равномерность дозировки таким прибором довольно высокая. Недостаток прибора - потеря газа через маностат. Кроме того, колебания давления в системе, потребляющей газ, сильно влияют на его расход. Поэтому прибор подобного типа пригоден лишь для систем с мало изменяющимся давлением газа.

Реометр-распределитель. Для уменьшения влияния колебаний давления в системе на определение расхода газа применяют устройство, состоящее из колбы Бунзена с манометрической жидкостью 7 (см. капиллярные реометры), трубки 5 с отростком 3 (рис. 256,б), капиллярного реометра 2 и распределительной трубки с краном 1.

Расход газа, подводимого к этому устройству, сначала регулируют краном 1. Затем газ распределяется между колбой Бунзена и трубкой 4, в результате чего возникает гидростатическое давление h_1.

Увеличение давления перед капилляром реометра вызывает увеличение разности h₁ – h₂ уровней гидростатического давления, которую должен преодолеть газ. При изменении начальной высоты h₀ жидкости в сосуде 7 и трубке 5 до h₁ процентное изменение a расхода газа будет равно

a = 100ΔS(h₁ – h₀) h₂, (10.15)

где ΔS - отношение диаметров трубки 5 и сосуда 7 на уроннс поdерхности жид кости.

При значении ΔS = 0,01, чего добиться не трудно, 50%-е колебание давления перед реометром вызовет всего 1%-е изменение расхода газа.

Ротаметры. Этот вид приборов уже рассмотрен в разд. 8.1, посвященном измерениям расхода жидкости (см. рис. 155). Газовые ротаметры имеют такое же устройство. Они представляют собой конические трубки с поплавком. При прохождении газа через трубку снизу вверх поплавок поднимается по трубке силой давления газа на такую высоту, которая соответствует скорости потока, а следовательно, и расходу газа в единицу времени. Газовые ротаметры применяют, как правило, для измерения больших расходов, достигающих сотен литров в минуту.

Для небольших расходов газа пригоден ротаметр, приведенный на рис. 256,в. В стеклянной трубке 1, проградуированной на расход, измеряемый в мл/мин или л/ч, перемешается стеклянный стержень 3 с двумя тонкостенными стеклянными поплавками 2 и 4. Массу поплавков и стержня подбирают так, чтобы поплавок 4 при погружении в жидкость 6 находился в плавающем состоянии и в отсутствие расхода газа верхняя

кромка поплавка 2 была бы расположена в нижней части шкалы против пулевой ее отметки.

При воздействии потока газа на поплавок 2 стержень с плавками поднимается вверх. Нижний поплавок представляет собой стеклянный шарик с грузом 5 (мелкие дробинки из стекла или металла).

Рис. 257. Установки для разных способов калибровки ротаметров и реометров

Калибровка реометров и ротаметров. Реометры и ротаметры калибруют несколькими способами. По одному из них поток газа, которым калибруют реометр, например поток азота из баллона, сначала грубо регулируют краном 1 (рис. 257,а) и более точно при помощи маностата 2 (см. разд. 10.6). Показания реометра 3 в виде разности уровней жидкости h, измеренной в деяниях миллиметровой шкалы 4, сопоставляют с расходом газа по данным газовых часов 5. Преимущество этого способа калибровки состоит в том, что газ не насыщается водяным паром.

При другом способе калибровки (рис. 257,б) расход газа сначала регулируют краном 1 и маностатом 2, а затем собирают газ сосуде Мариотта 5 для измерения его объема. Чтобы газ при попадании в сосуд 4 не испытывал никакого сопротивления, каков бы ни был уровень жидкости в этом сосуде, давление над поверхностью жидкости должно быть ниже атмосферного на значение h, показываемое манометром 6 и равное гидростатическому давлению в сосуде 4. При этом газ проникает в сосуд, как если бы он выходил прямо в атмосферу.

Диаметр сливной трубки 5 делают достаточно большим (10 - 20 мм), чтобы, оказывать сопротивления вытекающей жидкости, а внизу к ней приваривают небольшой конусообразный отлив для направленного стока жидкости.

Объем воды, вытекшей из сосуда 4, больше объема газа, прошедшего капилляр калибруемого реометра 3. Он отвечает' объему газа в сосуде, находящегося под давлением, несколько меньшим атмосферного на значение h. Кроме того, объем газа в сосуде 4 несколько увеличен за счет водяного пара, которым газ насыщается при прохождении слоя воды h в сосуде. Однако этими отклонениями в большинстве случаев пренебрегают.

Применяют и еще один способ калибровки реометров (Рис. 257,в). Объем воды, вытекающей из колбы 1, равен объему газа вытесняемого из сосуда 5. Уровень воды в воронке 3 не изме­няется, так как вода в ней соединена трубкой 2 с закрытой кол­бой 1, емкостью 0,5 - 2,0 л. Расход воды из воронки 3 регули­руют краном 4. Вода, попадая в сосуд 5, вытесняет из него воз­дух в атмосферу через капилляр 7 калибруемого реометра 6.

Давление газа - среднее значение между давлениями его до и после реометра - при различном расходе воды и, следовательно, при различных показаниях реометра (разные значения h) не остается постоянным. При точной калибровке это надо учиты­вать. При калибровке на объем протекающего газа оказывает влияние температура и давление. Поэтому для сравнения пока­заний различных реометров все расходы пересчитывают на нор­мальные условия: 0 °С и 1 атм (101325 Па).