Лекція 12. Вимірювання витрати. Об’ємний і масовий методи вимірювання витрати. Тахометричні лічильники кількості і витратоміри. Витратоміри змінного перепаду тиску. Теоретичні основи звужуючих пристроїв. Стандартні звужуючі пристрої. Пневмометричний метод вимірювання витрати і вхідні вимірювальні пристрої.

Вимірювання витрати

Витрата рідини, газу і пари є важливим показником роботи суднової енергетичної установки та її елементів. Так, наприклад, знання витрати палива дозволяє правильно визначати швидкість ходу судна і відстань, яку може пройти судно при наявних запасах. Крім того, питома витрата палива є важливим техніко-економічним показником СЕУ.

Витрата – це кількість речовини, що проходить через певний переріз за одиницю часу. Витрату виражають в об’ємних (м³/с) і масових (кг/с) одиницях.

Витрату вимірюють прямим і опосередкованим методами. Прямий метод вимірювання реалізується в витратомірах, а опосередкований в лічильниках кількості.

Об’ємна і масова витрати через переріз виражаються рівняннями

і ,

(12.1)

де і – відповідно місцева швидкість і густина речовини.

При рівномірному розподілі швидкості і постійній густині речовини рівняння (12.1) приводиться до виду

і .

(12.2)

Витратомір – це прилад, який вимірює кількість речовини, що проходить через певний переріз за одиницю часу. Витратоміри звичайно ґрунтуються на вимірюванні однієї з величин, що входять до рівняння (5.2), якщо друга величина і густина речовини залишаються постійними. Найчастіше фіксують прохідний переріз, а середню швидкість речовини вимірюють за допомогою інших фізичних величин, які залежать від швидкості, наприклад, динамічного тиску, частоти обертання турбінки, змінювання температури речовини при нагріванні тощо.

Лічильник кількості – це прилад, який вимірює кількість речовини, що протікає через даний переріз за певний проміжок часу. Кількість речовини визначається як різниця двох послідовних чисел відліку на початку і в кінці проміжку часу. Кількість речовини виражається в одиницях об’єму (м³), а іноді – в одиницях маси (кг).

Пристрої, які безпосередньо сприймають витрату і перетворюють її в іншу величину, називають перетворювачами витрати (комбіновані насадки, діафрагми, турбінки тощо).

Зв'язок між витратою і кількістю речовини виражається залежностями

і ,

(12.3)

де і – відповідно об’ємна і масова кількість речовини; і – час відліку.

При вимірюванні витрати газів їх приводять до нормальних умов – тиск 101325 Па, температура 20 ^оС і відносна вологість 0 %.

12.1 Об’ємний і масовий методи вимірювання витрати

Об’ємний і масовий методи застосовують для визначення середніх за період вимірювання витрат рідини. Ці методи ґрунтуються на вимірюванні часу спорожнювання спеціальних мірних посудин, які заповнені відомою кількістю речовини.

Схема об’ємного методу вимірювання витрати наведена на рис. 5.1. Мірні посудини 2 і 4 мають покажчикові прилади рівня 1 і 5. Злив рідини здійснюють з нижньої частини по трубопроводу 6; для запобігання переповнення посудин в них розміщено переливну трубу 3.

При тривалих випробуваннях одна посудина є витратна, а друга в цей час заповнюється рідиною. В процесі прийомо-здавальних випробувань дизельних установок витрата палива визначається об’ємним методом. Густина палива визначається при температурі в момент вимірювання витрати. На режимі номінальної потужності похибка вимірювання витрати не повинна перевищувати 1 %. Погодинна витрата палива обчислюється за формулою

.

(124)

Тут – об’єм мірної посудини при температурі 293 , м³; – густина палива при температурі 293 , кг/м³; – коефіцієнт об’ємного розширення матеріалу мірної посудини, ; – коефіцієнт об’ємного розширення палива, ; – температура палива в процесі вимірювання, ; – час спорожнювання мірної посудини між контрольними точками, с.

При об’ємному методі вимірювання виникає необхідність підтримувати постійну температуру палива, щоб уникнути похибки за рахунок змінювання об’єму посудини і палива.

Схема масового методу вимірювання витрати показана на рис. 5.2. Змінювання маси палива в мірній посудині 4 за певний проміжок часу фіксується вагами 1. Паливо в посудину 4 надходить з витратної цистерни 2; переключення відбору палива на двигун здійснюється за допомогою крана 3.

Основними джерелами похибок об’ємного і масового методів є ручні способи відліку кількості палива і вимірювання проміжку часу. Зараз розроблені автоматизовані вимірювальні системи, в яких за допомогою фотоелектричних та інших датчиків здійснюється відлік рівня палива і часу вимірювання.

12.2. Тахометричні лічильники кількості і витратоміри

Тахометричні лічильники кількості складаються з тахометричного перетворювача витрати і лічильного підсумовуючого механізму. За принципом дії вони поділяються на швидкісні і камерні. В швидкісних лічильниках тахометричними перетворювачами витрати є тур-бінки (вертушки), які обертаються під дією потоку рідини. Камерні лічильники мають один або декілька рухомих елементів, які при обертанні відсікають певні об’єми рідини (газу).

Тахометричні витратоміри мають таку саму конструкцію, що й лічильники; додатково вони оснащені перетворювачем частоти обертання турбінки в частоту електричних імпульсів і вимірник частоти цих імпульсів (аналоговий або цифровий частотомір).

Дія швидкісних лічильників кількості ґрунтується на лінійній залежності частоти обертання турбінки від швидкості рідини, тобто

,

(12.5)

де – коефіцієнт пропорціональності.

Кількість речовини, що проходить через переріз за певний проміжок часу дорівнює

і .

(12.6)

Після підстановки значення швидкості з формули (5.5) в ці рівняння отримаємо

і .

(12.7)

При постійних , , і кількість речовини визначається частотою обертання турбінки, тобто

і ,

(12.8)

де і – коефіцієнти пропорціональності.

Тахометричні швидкісні лічильники кількості в залежності від розміщення турбінок відносно направлення потоку поділяють на тангенціальні і аксіальні. В тангенціальних лічильниках вісь турбінки перпендикулярна направленню потоку, а в аксіальних збігається з ним. В лічильниках з тангенціальними турбінками є струминовипрямляч 1 (рис. 12.3). Потік речовини тангенціально надходить на турбінку 2, обертання якої передається лічильному механізму.

В аксіальних турбінках 2 (рис. 5.4) лопаті мають гвинтову форму. Турбінка через черв’ячну передачу 3 обертає вал 5, який механічно зв’язаний з лічильним механізмом 6. Вал турбінки розміщений в опорах 1 і 4, які виконують одночасно роль обтічників.

Механічний лічильний механізм підсумовує кількість обертів турбінки. Шкала механізму проградуйована в одиницях об’єму (м³). Передача обертання лічильному механізму здійснюється контактними (рис. 5.3, 5.4) і неконтактними методами за допомогою магнітних півмуфт. Одна півмуфта приєднана до вала передачі, яка розміщена в потоці рідини, а друга півмуфта відокремлена діамагнітною перегородкою і зв’язана з лічильним механізмом.

Для вимірювання витрати палива і масла застосовують тахомет-ричні витратоміри з лічильниками. В них найчастіше використовують індукційні та індуктивні перетворювачі частоти обертання турбінки. На рис. 5.5 показана схема тахометричного витратоміра з аксіальною турбінкою. В корпусі 4, який виготовлено з діамагнітного матеріалу, розміщена аксіальна турбінка 1, лопаті якої виготовлені з феромагнітного матеріалу.

Індукційний перетворювач складається з постійного магніту 2 і обмотки 3. Він приєднаний до корпуса витратоміра. При обертанні турбінки її лопаті проходять біля полюсів магніту, підсилюють навколишнє магнітне поле і індукують в обмотці ЕРС. Частота пульсуючого струму, що виникає при цьому, дорівнює частоті обертання турбінки помноженій на кількість її лопатей. Частота імпульсів струму вимірюється електричним частотоміром; вона однозначно характеризує витрату речовини.

Тахометричні витратоміри з лічильником характеризуються високою точністю і мають великий діапазон вимірювань.

Швидкісні лічильники з механічним лічильним механізмом застосовуються для вимірювання витрати води. Основна похибка швидкісних лічильників дорівнює при вимірюванні витрати в діапазоні 10…150 % від номінальної і – при менших витратах. Лічильники з тангенціальною турбінкою вимірюють кількість води при витратах від 1 до 10 м³/год; а з аксіальною турбінкою – від 10 до 100 м³/год.

Дія камерних лічильників і витратомірів ґрунтується на пропусканні рідини або газу через певні об’єми і підрахуванні кількості відсічок цих об’ємів

,

(12.9)

де – об’єм рідини, що відсікається чутливими елементами за один оберт; – кількість обертів чутливого елемента за час .

Найбільш поширеним камерним лічильником рідини є лічильник з овальними шестірнями (рис. 12.6,а). Всередині корпуса 3 розміщені дві овальні шестірні 1 і 2, які знаходяться в зачепленні між собою. Потік рідини, що проходить через прилад, утворює на шестірнях перепад тиску і . Під дією перепаду тиску потік рідини в положенні (рис. 12._ (5.6,а) утворює на овальній шестірні 1 крутний момент і примушує обертатися цю шестірню. При обертанні шестірня 1 веде шестірню 2. В положенні (рис. 12.6,б) крутний момент утворюється на обох шестірнях, а в положенні (рис. 12.6,в) крутний момент діє на шестірню 2, яка тепер веде шестірню 1.

Шестірні обертаються в направленні стрілок, як показано на рис.12.6. В положенні (рис.12.6,а) об’єм між корпусом і лівою частиною шестірні 2 заповнюється рідиною, а об’єм з правого боку цієї шестірні витісняється. В цьому положенні між шестірнею 1 і корпусом відсікається вимірюваний об’єм рідини , яка буде витіснятися в положеннях (рис. 12.6,б і в). За один оберт кожної шестірні вимірювальні порожнини і двічі заповнюються і двічі спорожнюються. Таким чином, за один оберт через лічильник проходить об’єм рідини, який дорівнює чотирьом об’ємам (або ). Вісь однієї шестірні обертає лічильний механізм, розміщений поза корпусом приладу.

Завдяки високій точності вимірювання (похибка складає від виміряного значення), малій втраті тиску, незалежності показань від в’язкості, значному обертовому моменту лічильники з овальними шестірнями використовують для вимірювання різних рідин, в тому числі нафти і нафтопродуктів.

Істотним недоліком цих лічильників є необхідність в старанному фільтруванні вимірюваної речовини від механічних домішок, а також високий рівень акустичного шуму.