Р

Рисунок 1.3.

Ротаметр

асходомеры обтекания (расходомеры постоянного перепада давления) преобразуют скоростной напор в перемещение обтекаемого тела. Расходомеры постоянного перепада давления бывают следующих конструктивных разновидностей: ротаметры, поршневые, гидродинамические и поплавковые расходомеры. Принцип действия всех указанных приборов основан на силовом взаимодействии потока и помещенного в него тела.

П

Рисунок 1.4. Поплавковый расходомер

ринципиальная схема ротаметра показана на рисунке 1.3. Проходящий через ротаметр снизу поток жидкости или газа поднимает поплавок вверх до тех пор, пока расширяющаяся кольцевая щель между телом поплавка и стенками конусной трубки не достигнет такой величины, при которой действующие на поплавок силы уравновешиваются, останавливая его на той или иной высоте, в зависимости от величины расхода. При неизменном расходе жидкости поплавок неподвижен.

П

Рисунок 1.5. Поршневой расходомер

ринцип действия поплавковых и поршневых расходомеров (рисунки 1.4. и 1.5.) аналогичен принципу действия ротаметров. В данном случае динамическое давление потока измеряемой среды воздействует на поплавок (или поршень), занимающий в зависимости от величины расхода определенное положение.

Принцип действия гидродинамических расходомеров (относят к расходомерам обтекания) основан на измерении лобового давления (р_п) движущейся среды, действующего на помещенное в поток тело.

На рисунке 1.6. показаны схемы различных типов гидродинамических расходомеров, отличающихся друг от друга формой тела, воспринимающего гидродинамическое усилие, и способом измерения этого усилия.

Д

Рисунок 1.6. Гидродинамические расходомеры

ля расходомеров с поворотным крылом (рисунок 1.6., а) и поворотным диском (рисунок 1.6., б) мерой расхода является поворот крыла или диска относительно оси вращения.

Р асходомеры динамического давления состоящие из дифференциального манометра и напорной трубки, основаны на измерении скорости потока контролируемой среды (рисунок 1.7.).

Э

Рисунок 1.7. Расходомер динамического давления

лектромагнитные (индукционные) расходомеры, преобразующие скорость движущейся в магнитном поле проводящей жидкости в ЭДС, относятся к бесконтактным, т.е. в них отсутствует прямой контакт измеряемой среды с узлами прибора. Эти расходомеры подразделяются на приборы с электромагнитным преобразователем расхода и приборы с электромагнитным преобразователем скорости потока. Принципиальная схема электромагнитного расходомера показана на рисунке 1.8.

Р

Рисунок 1.8. Электромагнитный расходомер

абота ультразвуковых расходомеров основана на эффекте увлечения звуковых колебаний движущейся средой. Измерение расхода жидкости осуществляется путем косвенных измерений следующих величин:

• разности времен прохождения ультразвуковых импульсов по потоку и против него (времяимпульсный метод);

• разности фаз между ультразвуковыми колебаниями, распространяющимися по потоку и против него (фазовый метод);

• разности частот двух автогенераторов, в качестве элемента обратной связи которых используется контролируемая среда (частотный метод).

Инерциальные расходомеры (турбосиловые; кориолисовы; гироскопические) основаны на инерционном воздействии массы движущейся с линейным или угловым ускорением жидкости.

Основным элементом инерциального расходомера является сенсор, который состоит из одной или двух измерительных (сенсорных) трубок изогнутой формы, которые приварены к участку трубопровода с фланцами. По бокам трубок на входе и выходе установлены детекторы, определяющие положение трубок друг относительно друга.

Инерция жидкости создает силу Кориолиса, которая незначительно искривляет измерительную трубку. Степень искривления пропорциональна массовому расходу. Для определения степени искривления используются сенсоры.

Вихревые и вихреакустические расходомеры. Принцип действия этих расходомеров основан на эффекте Ван Кармана, согласно которому при обтекании неподвижного твердого тела потоком жидкости за телом образуется вихревая дорожка, состоящая из вихрей, поочередно срывающихся с противоположных сторон тела. Частота образования вихрей за телом пропорциональна скорости потока. Детектирование вихрей и определение частоты их образования позволяет определить скорость и объемный расход среды.

В зависимости от способа детектирования частоты вихрей различают вихревые и вихреакустические расходомеры. В вихревых расходомерах определение частоты вихреобразования производится при помощи двух пьезодатчиков, фиксирующих пульсации давления в зоне вихреобразования («съем сигнала по пульсациям давления»). В вихреакустических расходомерах в качестве тела обтекания применяется призма трапецеидального сечения, а детектирование вихрей производится с помощью ультразвуковых преобразователей. Вихреакустические расходомеры применяются в чистых жидкостях с низкой вязкостью без завихрений, которые движутся со средней или высокой скоростью.

Оптические (лазерные) расходомеры относятся к бесконтактным приборам расхода. В настоящее время распространение получили две конструктивные разновидности оптических (лазерных) расходомеров, отличающиеся лежащими в их основе физическими явлениями: расходомеры, основанные на эффекте рассеяния света движущимися частицами (допплеровские расходомеры), и расходомеры, основанные на эффекте Физо-Френеля увлечения света движущейся средой.

В оптическом расходомере, реализующем первый эффект, излучение лазера, рассеянное движущимися в потоке естественными или искусственно введенными частицами, приобретает частотный сдвиг, пропорциональный осредненной скорости частиц.

Расходомер, реализующий эффект Физо-Френеля, генерирует две встречные волны, бегущие по замкнутым оптическим путям. Поток жидкости или газа, движущийся по трубопроводу с прозрачными окнами, создает различные по знаку приращения оптических путей встречных волн. Вследствие этого различны и частоты встречных волн. Часть энергии встречных лучей направляется на фотодетектор, в цепи которого появляется фототок разностной частоты биений, пропорциональной скорости потока, усредненной по пути луча.

Тепловые расходомеры основаны на эффекте переноса тепла движущейся средой от нагретого тела. Существуют два способа измерения массового расхода жидкостей и газов:

• по значению мощности, потребляемой нагревателем и обеспечивающей постоянную разность температур ∆Т;

• по разности температур ∆Т при неизменной мощности, подводимой к нагревателю.

В первом случае расходомеры работают как регуляторы температуры нагрева потока, у которых измерительным и регулирующим элементом является уравновешенный мост с термометрами сопротивления до и после нагревателя. При изменении разности температур мост выходит из равновесия и включает устройство, которое изменяет регулировочное сопротивление до тех пор, пока не восстановится заданная степень нагрева. Массовый расход при этом определяют по показаниям ваттметра, включенного в цепь нагревателя.

Датчики калориметрических расходомеров второго типа состоят из двух последовательно соединенных термометров сопротивления, устанавливаемых до и после нагревателя. Последовательное соединение термометров обеспечивает равенство токов в их цепях, что позволяет градуировать их непосредственно по разности температур. Кроме термометров сопротивления используют также термисторы и термопары.

Меточные расходомеры (с тепловыми, ионизационными, магнитными, концентрационными, турбулентными метками), основанные на измерении скорости или состоянии «метки» при ее прохождении между двумя фиксированными сечениями потока. Расходомеры, основанные на этом методе измерений, состоят из устройства, периодически создающего ту или иную «метку» потока; устройства, фиксирующего момент прохождения «метки», и прибора, измеряющего продолжительность перемещения «метки» на фиксированное расстояние.

Ядерно-магнитные расходомеры (ЯМР-расходомеры). Принцип работы ЯМР-расходомеров основан на зависимости амплитуды сигнала ядерного резонанса А от скорости течения жидкости v.

На рисунке 1.9. показаны пределы измерения различных расходомеров.

Рисунок 1.9. Диапазоны измерения расходомеров

Наибольшее распространение получили расходомеры пяти групп (переменного и постоянного давления, тахометрические, электромагнитные и ультразвуковые). Расходомеры остальных групп используются пока для решения специальных измерительных задач. В таблице 1.1 приведен перечень систем гидродинамического измерения потоков жидкостей и их характеристики.

Таблица 1.1. Системы гидродинамического измерения потоков

Принцип	Система	Характеристики
Объемный расход По перепаду давления	Трубка Вентури	Метод простой, точный, надежный, потери давления 0…15 %, нелинейный, применятся для разбавленных сред
	Измерительная	Метод простой, дешевый, точность составляет порядка ± 1,5 %, потери давления 50…70 %, нелинейный
	Сопло	Дешевле, чем трубка Вентури, но дороже, чем измерительная диафрагма, потери давления 40…60 % точность ± 0.5%
	Трубка Далла	Больший перепад давления и большая компактность, чем у трубки Вентури, потери давления 4...6 %
	Переменное сечение	Ротаметр: точность ± 1 %. Дешевый, диапазон измерений 30х10-6 .1 м3/с
	Переменное проходное сечение	Линейный, диапазон измерений для воды до 3 м3\с. до 200 бар по давлению и до 500 0С по температуре
Механи-ческий	Мишень	Диапазон измерений приблизительно до 0,03 м3\с, точность ± 0,5 %, может применяться для загрязненных и вязких жидкостей
	Турбина	Диапазон измерений примерно до 1 м3/с, точность ± 0,3 %, хорошая воспроизводимость, дорогой
По вытесне-нию объема	Вращающийся плунжер	Точность ± 1 %, применяется для воды
	Поршень	Точность ± 0,1 %, широкий диапазон измерения
	Качающийся диск	Точность ± 1 %. используется для жидкостей
	Вращающийся импеллер	Профилированные пары: используются для масел в диапазоне до 1 м3/с и до 80 бар по давлению. Кулачковые пары: используются для газов в диапазоне 0,003....3 м3/с, точность ± 1 %
	Вращающаяся крыльчатка	Используется для масел и горючих жидкостей, точность ± 0,1 %
	Диафрагменный измеритель	Используется для измерения расхода бытового газа
Магнито-гидродина-мический	МГД	Используется для проводящих жидкостей, скорость до 10 м/с, точность ± 1 %
Ультра-звуковой	Датчик Доплера	Относительно дешевый, плохая точность (± 5 %), используется как индикатор потока или его отключения
	Время пролёта	Используется для жидкостей в трубах или открытых каналах при скоростях 0,2…12 м/с, точность ± 1 %
Колеба-тельный	Вихри в потоке	Используется для жидкостей и газов при высоких давлениях и температурах, точность ± 1 %
	Закрутка потока	Для жидкостей диапазон 10-4...2 м3/с, точность ± 1 %.
Массовый расход	Силы Кориолиса	Используется для жидкостей и газов, точность ± 0,5 %
	Температура	Используется для газов в диапазоне 2,5∙10-10...5∙10-3 кг/с
Мгновеная скорость	Трубка Пито	Для жидкостей или газов, точность ± 1...2 %
	Многозаборная трубка	Для жидкостей или газов, точность ± 1 %
Термический	Анемометр с нагретой проволочкой	В диапазоне скоростей 0,1...500 м/с (для газов), 0,01...5 м/с (для жидкостей), точность ± 1 %

В схеме 1.1. приведена классификация средств измерения расхода и количества.

Схема 1.1. Классификация средств измерения расхода и количества вещества