4. Измерение расхода жидкостей и газов

4.1. Общие сведения

Расходом вещества называют массу или объем вещества, проходящего в единицу времени через данное сечение трубы или другого транспортирующего канала. Соответственно различают массовый или объемный расход. Приборы для измерения расхода называются расходомерами. Интегрирующие (накапливающие) расходомеры называют счетчиками. Системными единицами расхода являются кг/с или м³/с.

Иногда приборы градуируют в несистемных единицах кг/ч, т/ч, л/с, м³/ч.

Для получения сравнимых результатов измеренный объем приводят к нормальным условиям и называют приведенными объемом Q_н. В промышленной практике нормальными условиями считаются температура 20⁰С, нулевая влажность и атмосферное давление 101325Па.

Измерение расхода может быть проведено различными методами. Ниже представлен обзор основных из них.

4.2. Объемные расходомеры

Объемные расходомеры отсчитывают порции измеряемого вещества при помощи камеры определенного объема. Расход вещества является суммой отмеренных объемов за определенный промежуток времени. Существует несколько конструкций, реализующих данный принцип. На рис. 4.1 показана схема объемного счетчика типа СВШ с овальными шестернями. Шестерни размещены внутри закрытого корпуса и вращаются каждая на своей оси. При протекании жидкости через корпус под действием разности давлений на входе и выходе возникает вращающий момент. При каждом обороте шестерни подают определенный объем жидкости на выход. Объемный расход равен произведению числа оборотов на мерный объем. Такие счетчики выпускаются для воды, легких нефтепродуктов, масел и других жидкостей. Предел измерения от 0,01 до 250 м³/ч. Погрешность измерения до 1%.

Рисунок 4.1 Объемный счетчик СВШ

Для измерения расхода газа шестерни заменяют гладкими овальными роторами. Предел измерения газовых счетчиков до 600м³/ч при точности 2%.

Имеется модификация объемных счетчиков (типа ЛЖУ, ЛЖА), в которых внутри корпуса эксцентрично расположен ротор с одной или несколькими лопастями, прижимающимися к стенке корпуса. При этом более надежны счетчики, имеющие гарантированный зазор между лопастью и стенкой обеспечивающий гидравлическое уплотнение. Такие счетчики используются для работы с продуктами нефтепереработки.

4.3. Расходомеры переменного перепада давления

Эти расходомеры основаны на дросселировании, т.е. сужении потока вещества, движущегося по трубопроводу. Сужение потока приводит к возрастанию средней скорости потока, а следовательно, к увеличению его кинетической и уменьшению потенциальной энергии. В месте сужения возникает перепад давлений потока, величина которого зависит от скорости движения вещества через суженный участок. При неизменной площади сечения этого участка перепад давления зависит от расхода. Разность давления измеряется дифференциальным манометром, отградуированным в единицах расхода. Давление к манометру подводится через соединительные трубки, подключаемые к дросселю с обеих сторон суживающего устройства.

Сужение канала можно осуществить различными способами. Чаще всего используются стандартные дроссели в виде диафрагмы с центральным отверстием. Уравнения объемного и массового расходов в этом случае имеют вид:

;

,

где Q₀ и Q_м - соответственно объемный и массовый расход в м³ или кг в час;

А - числовой коэффициент, зависящий от системы единиц для измерения давления (если Р в Па, то А = 3,998*10^-3);

Р₁- Р₂ - перепад давления вблизи диафрагмы;

 - плотность вещества;

d - диаметр отверстия диафрагмы;

- поправочный множитель на расширение вещества после дросселирования;

 - коэффициент расхода, учитывающий сжатие струи за сужением, наличие вязкости и трения струи.

Конструктивно стандартные дроссели могут быть выполнены в виде дисковой диафрагмы, нормализованного сопла в виде плавно суживающейся со стороны входа насадки и сопла Вентури, имеющего конусную выходную часть.

На рис. 4.2 схематично показаны эти три вида стандартных дросселирующих устройств.

а

б

в

а – дисковая диафрагма

б – нормализованное сопло

в – сопло Вентури

Рисунок 4.2 Стандартные дроссели

Из-за возникновения вихревых движений после дросселя происходит безвозвратная потеря давления вещества в трубопроводе. Наименьшая она в дросселях с соплом Вентури. Отбор давления производится из кольцевых камер по обе стороны диафрагмы или сопла.

Коэффициенты, участвующие в уравнении связи расхода с перепадом давления на дросселе, определяют опытным путем для каждого типа дросселя, диаметра трубопровода и транспортируемого вещества. В комплект расходомера входят: сужающие устройства, соединительные (так называемые импульсные) трубки, дифференциальный манометр. В процессе измерений следует непрерывно учитывать температуру вещества, так как она влияет на плотность. Существуют специальные счетно-решающие устройства, вычисляющие расход вещества в зависимости от перепада давления с учетом общего давления и температуры. При транспортировке газа необходимо дополнительно учитывать его влажность.

Для сглаживания нерегулярностей потока перед дросселем могут устанавливаться струевыпрямители в виде многоканального в сечении трубопровода.

На результат показаний влияет чистота вещества, длины импульсных трубок для подключения дифманометра и их уклоны и т.д.

Оптимальный выбор дросселя и калибровка расходомера требует знания параметра, характеризующего степень ламинарности потока вещества. Такой параметр называется числом Рейнольдса. Он зависит от скорости потока в трубопроводе, вязкости вещества и диаметра трубопровода. Так, при малых числах Рейнольдса, что может быть при вязких средах или малых диаметрах трубы, следует использовать специальные дроссели со сдвоенной диафрагмой.

В случае отсутствия мешающих факторов расход пропорционален корню квадратному из перепада давления.

Используемые для измерения перепада давления дифманометры изготавливаются на рабочее давление до 40 МПа и перепад давлений от 1 до 630 кПа. Для спрямления шкалы расходомера в усилительное устройство вторичного прибора встраивается механизм или схема, извлекающие квадратный корень из измеряемого перепада давления.

Для непрерывного суммирования значения расхода за определенный промежуток времени применяют пневматические или электрические интегрирующие приборы.

В металлургии для измерения расходов неагрессивных газов, когда их параметры непостоянны, широко применяются датчики расхода типа ДМКК или ДНКВ (дифманометр мембранный компенсационный с коррекциями по нескольким параметрам газа). Датчик ДМКК самокорректируется по давлению и температуре газа, а датчик ДМКВ – еще и по содержанию влаги.