Приборы для измерения расхода .

Количество вещества, протекающее по трубопроводу в единицу времени, называется расходом, а приборы, измеряющие расход - расходомерами, а измеряющие суммарный объем или массу вещества называются счетчиками количества.

Все приборы для измерения расхода и количества подразделяются на следующие группы:

1. Тахометрические счетчики. В основу измерения количества вещества в этих приборах заложен принцип измерения числа оборотов крыльчатки, угловая скорость которой пропорциональна скорости жидкости, протекающей через прибор.

2. Объемные счетчики. Принцип действия основан на измерении суммарного объема вещества, циклично вытесняемого из измерительной камеры шестернями под действием разности давлений.

3. Расходомеры обтекания. (расходомеры постоянного перепада). В этих приборах какое-либо тело, чаще всего поплавок, воспринимает давление среды в вертикальном потоке и перемещается в зависимости от величины расхода.

4. Приборы для измерения расхода по методу переменного перепада давления. Приборы этого типа преобразуют импульс перепада давления протекающей среды через сужающее устройство, установленное в потоке, в показания или сигнал расхода.

5. Индукционные расходомеры. Принцип действия основан на измерении электродвижущей силы, образующейся в поперечном сечении потока при протекании электропроводящего жидкого вещества в магнитном поле.

6. Тепловые расходомеры. Принцип действия основан на измерении температуры потока.

Кроме перечисленных групп существуют приборы, измеряющие расход с помощью мерных объемов.

Тахометрические расходомеры (турбинные) - измеряемый поток приводит в движение турбинку 1, вращающуюся в подшипниках 2 – рисунок 48. Скорость вращения турбинки пропорциональна скорости потока, т.е. расходу Q. Для измерения скорости вращения турбинки ее корпус 3 изготавливают из немагнитного материала.

Рисунок 48

Снаружи корпуса устанавливают дифференциально-трансформаторный преобразователь 4, а у одной из лопастей турбинки делают кромку из ферромагнитного материала. При прохождении этой лопасти мимо преобразователя 4 меняется его индуктивное сопротивление и с частотой, пропорциональной расходу Q изменяется напряжение на вторичных обмотках U_ВЫХ. Измерительным прибором такого расходомера является частотомер, измеряющий частоту изменения напряжения U_ВЫХ.

Тахометрические (скоростные) счетчики - аналогичны по устройству турбинным расходомерам. Разница заключается в том, что в расходомерах измеряется скорость вращения турбинки, а в счетчиках - число ее оборотов, которое затем пересчитывается на количество жидкости, прошедшее через счетчик за интересующий интервал времени.

Расходомеры постоянного перепада давления - самым распространенным расходомером является ротаметр. Ротаметр представляет собой вертикальную конусную трубку 2, в которой находится поплавок 1 – рисунок 49.

Рисунок 49

Измеряемый поток Q , проходя через ротаметр снизу вверх, создает перепад давлений до и после поплавка. Этот перепад давлений, в свою очередь, создает подъ­емную силу, которая уравновешивает вес поплавка.

Если расход через ротаметр изменится, то изменится и перепад давлений. Это приведет к изменению перепада подъемной силы и, следовательно, к нарушению равновесия поплавка. Поплавок начнет перемещаться. А так как трубка 2 ротаметра конусная, то при этом будет изменяться площадь сечения в зазоре между поплавком и трубкой.

Поток жидкости или газа поднимет поплавок до тех пор, пока площадь отверстия между поплавком и внутренней поверхностью конусной трубки не достигнет такого размера, при котором действующие на поплавок силы уравновешиваются. При достижении равновесия сил поплавок устанавливается на высоте, соответствующей определенному значению расхода.

На носовую часть поплавка снизу вверх действуют две силы: сила от давления потока и сила трения потока о поплавок . Сверху вниз на поплавок действуют также две силы: сила тяжести поплавка и сила от давления потока .

Здесь: - среднее давление потока на единицу носовой и верхней по верхностей поплавка соответственно;

F_П - площадь наибольшего поперечного сечения поплавка;

k - коэффициент сопротивления, зависящий от степени шероховатости поверхности и числа Рейнольдса;

U_СР - средняя скорость потока в кольцевом отверстии;

n - показатель, зависящий от размера скорости U_СР ;

Fбп - площадь боковой поверхности поплавка;

Vп - объем поплавка; q - ускорение свободного падения; п -плотность материала поплавка.

Условие равновесия поплавка определяется выражением:

Для дистанционного измерения положения поплавка используют промежуточные преобразователи линейного перемещения.

В ротаметрах с электрическим выходным сигналом вместе с поплавком 1 перемещается плунжер трансформаторного преобразователя 3.

Расходомеры переменного перепада давления. Действие расходомеров основано на возникновении перепада давлений на сужающем устройстве в трубопроводе при движении через него потока жидкости или газа. При изменении расхода Q величина этого перепада давлений Р также изменяется.

Наиболее простым и распространенным сужающим устройством является диафрагма (тонкий диск с отверстием круглого сечения). Сужение потока начинается до диафрагмы, и на некотором расстоянии за диафрагмой поток достигает минимального сечения – рисунок 50.

Далее поток постепенно расширяется до полного сечения трубопровода, однако распределение давления вдоль стенки трубопровода за диафрагмой полностью не восстанавливается. Это объясняется тем, что за диафрагмой в углах образуется мертвая зона, в которой вследствие разности давлений возникает обратное движение жидкости (вторичный поток). Струйки основного и вторичного потоков, двигаясь в противоположных направлениях, свертываются в виде вихрей. На вихреобразование за диафрагмой затрачивается энергия, а следовательно, имеет место и значительная потеря давления.

Рисунок 50

Разность давлений перед диафрагмой и после нее Р₁- Р₂ называется перепадом давления и зависит от количества жидкости, протекающей через диа­фрагму в единицу времени.

Сужающее устройство расходомера переменного перепада давлений является первичным преобразователем, в котором расход преобразуется в перепад давлений. Промежуточными преобразователями для расходомеров служат дифманометры, на выходе которых перемещение преобразуется в электрический сигнал.

Электромагнитные расходомеры - действие основано на законе электромагнитной индукции, согласно которому в проводнике, движущемся в магнитном поле, будет наводиться э.д.с., пропорциональная скорости движения проводника. В электромагнитных расходомерах роль проводника выполняет электропроводная жидкость, протекающая по трубопроводу 1 и пересекающая магнитное поле 3 электромагнита 2 – рисунок 51.

При этом в жидкости будет наводиться э.д.с. U, пропорциональная скорости ее движения, т.е. расходу жидкости.

Рисунок 51

Выходной сигнал такого преобразователя снимается двумя изолированными электродами 4 и 6 , установленными в стенке трубопровода.

Участок трубопровода по обе стороны от электродов покрывают электроизоляцией 7, чтобы исключить шунтирование наводимой э.д.с. через жидкость и стенку трубопровода. Блок 5 (измерительная схема) преобразует наводимую э.д.с. в унифицированный сигнал (токовый).

Ультразвуковые расходомеры используются для измерения расхода неэлектропроводных жидкостей – рисунок 52. Действие их основано на сложении скорости распределения ультразвука в жидкости и скорости самого потока жидкости.

Рисунок 52

Излучатель 1 и приемник 3 ультразвуковых импульсов расхода располагают на торцах измерительного участка трубопровода 2. Электронный блок 4 содержит генератор импульсов и измеритель времени прохождения импульсом расстояния между излучателем и приемником.

Перед началом эксплуатации расходомер заполняют жидкостью, расход которой будут измерять, и определяют время прохождения импульсом этого расстояния в стоячей среде. При движении потока его скорость будет складываться со скоростью ультразвука, что приведет к уменьшению времени пробега импульса. Это время преобразуется в блоке 4 в унифицированный сигнал.

Тепловые расходомеры (рисунок 53) - состоят из нагревателя 1 и двух датчиков температуры 2 и 3, которые устанавливаются снаружи трубы 4 с измеряемым потоком. При постоянной мощности нагревателя количество тепла, забираемое от него потоком, будет также постоянным. Поэтому с увеличением расхода Q нагрев потока будет уменьшаться, что определяется по разности температур t₂ - t₁, измеряемой термодатчиками 3 и 2.

Рисунок 53

Объемные счетчики с овальными шестернями предназначены для измерения количества чистых, без механических примесей жидкостей.

Основным узлом прибора является измерительная камера 1 с расположенными в ней двумя овальными шестернями 2 и 3, шестерни находятся в зацеплении и обкатывают друг друга – рисунок 54.

При прохождении струи жидкости через измерительную камеру возникает перепад давлений, являющейся силой, которая приводит шестерни во вращение.

Рисунок 54

В положении I правая шестерня отсекла некоторый объем жидкости в полости 1. Разность давлений, действуя на обе шестерни, создает крутящий момент только на правой шестерне и она поворачивается. Крутящий момент левой шестерни равен нулю, так как на ее плечи действуют равные усилия. Обе шестерни находятся в зацеплении, поэтому правая шестерня, поворачиваясь, будет вращать левую шестерню.

В положении II ведущей является левая шестерня, которая к этому моменту отсекла объем в полости 2 и на которую действует крутящий момент.

ПРИБОРЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ УРОВНЯ.

Для ведения технологических процессов значение имеет контроль уровня жидкостей и сыпучих материалов.

Все приборы измерения уровня можно разделить на две группы: приборы следящего уровня и сигнализаторы уровня.

Приборы следящего уровня (уровнемеры) постоянно измеряют уровень (показывают уровень в емкости по всей высоте диапазона измерения). Сигнализаторы уровня контролируют только отдельные точки уровня среды.

Для измерения уровня жидкости применяют поплавковые, буйковые, весовые, гидростатические, ультразвуковые, акустические, емкостные и кондуктометрические приборы.

Поплавковые уровнемеры содержат плавающий на поверхности жидкости поплавок, в результате чего измеряемый уровень преобразуется в перемещение поплавка. Показывающее устройство прибора соединено с поплавком.

Буйковый уровнемер. В уровнемерах применяется неподвижный, погруженный в жидкость буек 3 – рисунок 55. Принцип действия буйковых уровнемеров основан на том, что на погруженный буек действует со стороны жидкости выталкивающая сила F.

Рисунок 55

По закону Архимеда эта сила равна весу жидкости, вытесненной буйком. Количество вытесненной жидкости зависит от глубины погружения буйка, т.е. от уровня в емкости Н.Таким образом, в буйковых уровнемерах измеряемый уровень Н преобразуется в пропорциональную ему выталкивающую силу.

В буйковых уровнемерах буек передает усилие на рычаг 1 промежуточного преобразователя 2. Выходной сигнал уровнемера в САР - унифицированный электрический.

Весовые уровнемеры - принцип контроля состоит в измерении давления, оказываемого аппаратом на свои опоры. Давление опоры аппарата воспринимается поршнем 2, который передает его резиновой мембране 1, зажатой между опорной плитой 4 и кольцом 3 – рисунок 56. Между мембраной и опорной плитой находится рабочая жидкость. Давление поршня на мембрану при переменном весе аппарата вызывает изменение давления рабочей жидкости, которое измеряется манометром 5, соединенным с приемником давления капиллярной трубкой.

Рисунок 56

Гидростатические уровнемеры - способ измерения уровня основан на том, что в жидкости существует гидростатическое давление, пропорциональное глубине, т.е. расстоянию от поверхности жидкости. Поэтому для измерения уровня гидростатическим способом могут быть использованы приборы для измерения давления или перепада давлений.

В гидростатических уровнемерах обязательно присутствует уравнительный сосуд 1. Он устанавливается для того, чтобы создать постоянное давление столба жидкости в одной из полостей манометра 2 – рисунок 57. Диапазон измерения выбирается в зависимости от величины изменяющейся части уровня жидкости.

Рисунок 57

Ультразвуковые и акустические уровнемеры. Действие основано на измерении времени прохождения импульса ультразвука от излучателя до поверхности жидкости и обратно – рисунок 58. При приеме отраженного импульса излучатель становится датчиком. Если излучатель1 расположен над жидкостью, уровнем называется акустическим, а если внутри жидкости - ультразвуковым.

Рисунок 58

В первом случае измеряемое время будет тем больше, чем ниже урод- вен жидкости Н, во втором - наоборот. Блок 2 служит для измерения времени прохождения импульсов двойного пути.

Емкостные уровнемеры. Работа основана на различии диэлектрической проницаемости жидкостей и воздуха.

Кондуктометрические уровнемеры. Принцип действия основан на измерении электрической проводимости – рисунок 59.

Если контролируемая жидкость покрывает электрод ВЕ, то между электродом и корпусом резервуара образуется электролитический контакт, то получает питание обмотка электромагнитного реле КV1. Реле срабатывает и через его замыкающий контакт КV1,1 получает питание лампа НL, сигнализирующая о достижении заданного уровня.

При обнажении электрода электрическая цепь питания реле и сигнальной лампы прерывается.