Теплотехнічні вимірювання і прилади модуль 4. Вимірювання витрати, складу і теплофізичних властивостей теплоносіїв Тема 4.1 Вимірювання витрати та кількості речовини

План

1. Класифікація витратомірів

2. Вимірювання витрати за перепадом тиску на звужуючому пристрої

3. Витратоміри постійного перепаду тиску

4. Тахометричні витратоміри й лічильники кількості рідини

5. Електромагнітні витратоміри

6. Ультразвукові витратоміри

7. Оптичні витратоміри

8. Вимір витрат методом контрольних „міток"

9. Термоанемометри

1. Класифікація витратомірів

Прилад, що вимірює витрати, тобто кількість речовини, що проходить крізь даний перетин трубопроводу в одиницю часу, називають витратоміром.

Зазвичай в гідромеханіці рідкі й газоподібні речовини поєднують у єдиному понятті „рідини". На відміну від твердих тіл вони здатні змінювати свою форму під дією навіть дуже малих сил. Рідини за своїми механічними властивостями поділяють на мало-стисливі (краплинні) і стисливі (газоподібні).

Для одержання порівнянних результатів вимірювання витрат газу, визначених в одиницях об'єму, їхні значення приводять до нормальних умов. При промислових вимірюваннях нормальними умовами вважається температура 20°С, тиск 101 325 Па (760 мм рт. ст.), відносна вологість 0 %.

За принципом вимірювання витратоміри класифікують по наступних основних групах (для кожної класифікаційної групи витратомірів вказується принцип перетворення, за яким діють їхні первинні перетворювачі-датчики):

1. Витратоміри змінного перепаду тиску (із звужуючими пристроями; з гідравлічним опором; відцентрові; з напірними пристроями), що перетворюють швидкісний напір у перепад тиску.

2. Витратоміри обтікання (витратоміри постійного перепаду - ротаметри, поплавкові, поршневі, гідродинамічні), що перетворюють швидкісний напір у переміщення тіла, що обтікається.

3. Тахометричні витратоміри (турбінні з аксіальною або тангенціальною турбіною; кулькові), що перетворюють швидкість потоку в кутову швидкість обертання обтічного елемента (лопаток турбінки або кульки).

4. Електромагнітні витратоміри, що перетворюють швидкість провідної рідини, що рухається в магнітному полі, в ЕРС.

5. Ультразвукові витратоміри, засновані на ефекті захоплення звукових коливань середовищем, що рухається.

6. Інерційні витратоміри (турбосилові, коріолісові, гігроскопічні), засновані на інерційному впливі маси, що рухається, з лінійним або кутовим прискоренням рідини.

7. Теплові витратоміри (калориметричні, термоанемометричні), засновані на ефекті переносу теплоти середовищем, що рухається, від нагрітого тіла.

8. Оптичні витратоміри, засновані на ефекті захоплення світла середовищем, що рухається, (Фізо-Френеля) або розсіювання світла частками, що рухаються, (Допплера).

9. Міткові витратоміри (з тепловими, іонізаційними, магнітними, концентраційними, турбулентними мітками), засновані на вимірі швидкості або стані мітки при проходженні її між двома фіксованими перетинами потоку.

2. Вимірювання витрати й кількості рідини за перепадом тиску на звужуючому пристрої

Одним з найпоширеніших і вивчених є спосіб вимірювання витрати рідин, газів і пари в трубопроводах за перепадом тиску на звужуючому пристрої.

Звужуючий пристрій, що виконує функції первинного перетворювача, встановлюється у трубопроводі й створює в ньому місцеве звуження, внаслідок чого при протіканні речовини підвищується її швидкість у звуженому перетині в порівнянні зі швидкістю потоку до звуження.

Збільшення швидкості, а отже, і кінетичної енергії викликає зменшення потенційної енергії потоку у звуженому перетині. Відповідно, статичний тиск у звуженому перетині буде менший, ніж у перетині до звужуючого пристрою. Таким чином, при протіканні речовини крізь звужуючий пристрій створюється перепад тиску

Δр = p₁ - р₂, що залежить від швидкості потоку й, отже, витрат рідини. Звідси випливає, що перепад тиску, створюваний звужуючим пристроєм, може слугувати мірою витрати речовини, що протікає в трубопроводі, а чисельне значення витрати речовини може бути визначене по перепаду тиску Δр, вимірюваному дифманометром.

В якості звужуючих пристроїв для вимірювання витрати рідин, газів і пари широко застосовують стандартні діафрагми, сопла й сопла Вентурі. В особливих випадках вимірювань витрат застосовують нестандартні типи звужуючих пристроїв.

Діафрагма являє собою тонкий диск із отвором круглого перетину, центр якого лежить на вісі труби. Звуження потоку починається до діафрагми, і на деякій відстані за діафрагмою потік досягає мінімального перетину, далі потік поступово розширюється до повного перетину трубопроводу. Тиск за діафрагмою повністю не відновлюється. При протіканні речовини крізь діафрагму за нею в кутах утворюється мертва зона, у якій внаслідок різниці тисків виникає зворотний рух рідини або так званий вторинний потік. Внаслідок в'язкості рідини струмки основного й вторинного потоків, рухаючись у протилежних напрямках згортаються у вигляді вихорів. На вихореутворення за діафрагмою витрачається певна частина енергії, а отже, має місце й помітна втрата тиску. Зміна напрямку струмків перед діафрагмою й стиск потоку після діафрагми мають незначний вплив.

Відбір тисків р₁ і р₂ здійснюється за допомогою двох окремих отворів, розташованих безпосередньо до й після диска діафрагми в кутах, утворених площиною діафрагми й внутрішньою поверхнею трубопроводу. Сопло виконується у вигляді насадки із круглим концентричним отвором. Сопло Вентурі спочатку має вигляд сопла, отвір якого поступово переходить у циліндричну частину, а потім - у конусоподібну кінцеву частину.

Для нестисливої рідини з густиною ρ, що рухається трубопроводом з перетином F із середньою швидкістю v масова витрата Q_M визначається формулою

Q_{M =} ρ v F (4.1.1)

Користуючись Законом збереження енергії у виді рівняння Бернуллі можна вивести залежність масової витрати від перепаду тиску Δp до і після звужуючого пристрою:

Q_M = αεF₀ , (4.1.2)

де α – коефіцієнт витрати звужуючого пристрою;

ε - поправочний множник на розширення вимірюваного середовища (для газів і пари), для нестисливої рідини (гарячої води) ε = 1;

F₀ – площа перетину отвору звужуючого пристрою.

При градуюванні витратомірів на стендах коефіцієнти α і ε замінюють градуювальним коефіцієнтом k_M, значення якого для різних типів діафрагм знаходяться у діапазоні від 0,8 до 0,6 і у певному діапазоні чисел Рейнольдса мають постійні значення із достовірністю 1-2%.