9.2. Вимірювання витрати та кількості речовин

Під час управління технологічними процесами необхідно точно відмірювати (дозувати) кількість сировини, продуктів або напівфабрикатів, а також визначати витрати води, водяної пари, газу, інших рідинних, газоподібних та твердих речовин за одиницю часу.

Витратою речовини називають її кількість, що проходить через переріз каналу в одиницю часу. Об’ємна витрата вимірюється в м /с, а маса - в кг/с. Прилади, які вимірюють витрату, називаються витратомірами. Для вимірювання об’єму або маси речовини застосовуються лічильники кількості.

Для вимірювання кількості та витрати рідини і газів використовують тахометричні лічильники, витратоміри змінного та постійного перепаду тисків та електромагнітні. Для вимірювання маси твердих та сипких матеріалів застосовуються вагові лічильники; дозування сипких та рідинних речовин проводиться об'ємними та ваговими дозаторами. За принципом дії тахометричні лічильники рідин і газів поділяються на швидкісні та об’ємні. У швидкісних приладах (рис.9.5) рідина, яка проходить через камеру, обертає вертушку, кутова швидкість якої пропорційна швидкості потоку. Такі прилади використовуються як лічильники гарячої та холодної води Застосовують лічильники з крильчаткою, які розміщуються перпендикулярно до вимірюваного потоку, і з гвинтовою вертушкою (рис. 9.5, в), у яких потік рідини спрямований паралельно до осі вертушки.

Для вимірювання кількості газу найбільш розповсюджені об'ємні ротаційні лічильники (рис. 9.6.). У середині кожуха 2 лічильника обертаються ротори 1. Вали роторів зв'язані між собою зубчастими колесами, які знаходяться поза корпусом. Обертання одного з валів передається на лічильний механізм. За один оберт ротор відсікає чотири об'єми газу, які в сумі дорівнюють об'єму вимірювальної камери лічильника.

Рис. 9.5. Швидкісні лічильники Рис. 9.6. Ротаційний лічильник

рідини: а, б- з крильчаткою,

в - з гвинтовою вертушкою.

Витратоміри змінного та постійного перепаду тиску

Первинні вимірювальні перетворювачі (ПВП) витрати змінного та

постійного перепаду тиску відносяться до дросельних перетворювачів, тобто, перетворювачів, які дещо звужують основний потік рідини або газу в трубопроводі. Принцип дії таких перетворювачів грунтується на законі стаціонарного руху ідеальної рідини Данила Бернуллі: «Якщо зменшити поперечний переріз труби, то швидкість руху рідини або газу в цьому місці зростає, а тиск зменшується», тобто, виникає різниця тисків (ΔР) в речовині в місцях до звуження та відразу після звуження. Суть закону в тому, що під час протікання речовини через звужуючий пристрій частина потенційної енергії потоку переходить у кінетичну, при цьому середня швидкість потоку в звуженому перетині підвищується, а тиск зменшується.

Закон Бернуллі описують два рівняння.

Перше рівняння - це рівняння зберігання енергії рухомої рідини:

Р₁ /₁ + = Р₂ /₂ + ; (9.2)

Друге – це рівняння нерозривності течії:

₁ּV₁ ּ S₁ = ₂ּV₂ ּ S₂, (9.3)

де у обох формулах: Р₁ та Р₂ - абсолютні статичні тиски до і після звуження,

Па; V₁ та V₂ - середні швидкості речовини до і після звуження, м/с; S₁ та S₂ -

поперечний переріз потоків, при чому S₂ - в найбільш звуженому місці, м²; ₁ та ₂ густина речовини, яка протікає крізь звуження, кг/м³.

В залежності від того, як використовується різниця тисків (ΔР), ПВП, в яких використовується закон Бернуллі, ділять на ПВП змінного та постійного перепаду тиску. В ПВП змінного перепаду тиску для визначення витрати речовини використовують звужуючий пристрій (діафрагма, сопло), який не змінює своє положення, і вимірюють дифманометром різницю тисків до та після звужуючого пристрою. В ПВП постійного перепаду тиску в якості звужуючого пристрою використовується поплавок, який змінює своє положення в спеціальній конічній трубці, що забезпечує постійність різниці тисків під і над поплавком, а мірою витрати є висота зависання поплавка у трубці. Потік речовини, що проходить крізь такий ПВП, піднімає поплавок до тих пір, поки кільцева щілина між тілом поплавка та стінками конічної трубки не досягне такої величини, при якій сили, що діють на поплавок (сила тиску рідини та сила ваги поплавка) не зрівноважаться. При рівновазі цих сил поплавок зависає на деякій висоті конічної трубки, яка залежить від витрати.