Методы измерения расхода жидкости

Из выражений для мгновенного расхода:

объемного: ;

и массового: ;

жидкостей или газов плотностью , протекающих через сечение s трубопровода со скоростью , следует, что измерение расхода можно свести к измерению , s,  (или s, ). Во многих случаях s или  остается постоянной, тогда измерение расхода можно свести к измерению  при постоянной площади s или наоборот.

При использовании объемного метода (объемные расходомеры) применяются обратимые насосы — зубчатые, лопастные и др. При подаче на насос перепада давления ротор начинает вращаться, подавая порции жидкости при каждом обороте. Измерение расхода сводится к измерению числа порций жидкости, проходящих в единицу времени, т. е. к измерению частоты вращения ротора насоса.

Вязкость жидкости не оказывает влияния на показания при­бора, что является преимуществом объемного метода измерения. Однако изменение температуры жидкости существенно влияет на точность измерения.

В методах переменного перепада давления измерение расхода сводится к измерению перепада, связанного со скоростью потока жидкости (газа). Для образования переменного перепада давления, пропорционального скорости потока, применяют напорную трубку, трубку Вентури, сопло и диафрагму.

Напорная трубка помещается в трубопровод навстречу потоку, в результате чего давление на выходе трубки складывается из статического давления и скоростного напора.

Трубка Вентури состоит из двух конических трубок, соединенных узкими частями между собой. Диаметры широких частей равны диаметру трубопровода, по которому те­чет жидкость. Трубки Вентури применяются в расходомерах га­зов.

Сопло в качестве дроссельного элемента при­меняется при измерении расхода воздуха и газов. Параметры сопел стандартизированы.

Диафрагма представляет собой тонкий круг­лый диск с отверстием концентричным трубопроводу. Со стороны входа жидкости отверстие имеет острую кромку, а дальше рас­точено на конус с углом 45°.

Расходомеры с дроссельными устройствами требуют градуи­ровки в рабочих условиях.

Напорная трубка в случае несжимаемости жидкостей воспринимает давление р, равное:

где p₁ -давление при отсутствии скорости,  — плотность.

Из этого выражения получаем:

скорость: ;

объемный расход: ;

массовый расход: ;

Зависимость объемного и массового расходов несжимаемой жидкости от разности давлений для дросселирующих устройств (трубки Вентури, сопла, диафрагмы) определяются выражениями:

где  — коэффициент расхода, зависящий от вязкости, типа и раз­меров дросселя, характера течения и т. д.;

g — ускорение силы тяжести. Если жидкость (газ) сжимаема, то коэффициент зави­сит от отношения давлений p₁/p₂.

При реализации метода постоянного перепада давления ско­рость потока постоянна, а изменяется площадь сечения s. В этом случае применяют поршневые, ротометрические и другие расходомеры, в кото­рых при перемещении подвижных частей (поршня 1 или рото­ра 2) вверху увеличивается проходное сечение трубопровода. Поскольку уравновешивание массы подвижных элементов проис­ходит за счет подъемной силы жидкости, то перепад давления будет постоянным. Мерой расхода служит площадь окна, откры­ваемого подвижным элементом или, что то же самое, перемеще­ние. Показания рассматриваемых расходомеров подвержены влиянию ускорений.

Тепловой метод реализуется в двух вариантах. Если ЧЭ расходомера выполнить в виде тонкой нити из материала с большим температурным коэффици­ентом сопротивления и нагреть нить током, то температура нити, а следовательно, и сопротивление, будет зависеть от скорости по­тока. Мерой скорости (расхода) будет сила тока или падение на­пряжения на сопротивлении нити.

Если сопротивление нити выполнить из материала с нулевым температурным коэффициентом и нагревать нить током, то тем­пературу нити, зависящую от скорости v потока, можно измерить с помощью термопары.

При реализации ультразвукового метода измерение расхода можно свести к измерению разности времени излучения и приема сигналов, разности фаз и разности частот.

Если в потоке жидкости поместить два излучателя — прием­ника ультразвука, каждый из которых поочередно работает в режиме излучения и приема, то время прохождения звукового колебания в направлении потока будет:

;

а в противоположном направлении:

где L — расстояние между приемником и излучателем;

а — ско­рость звука в жидкости.

Разность времени прохождения звука туда и обратно составляет:

Эта величина для скоростей порядка V= 10 м/с имеет значение 10~5 с. Измерение таких промежутков времени является непростой задачей.

Для оценки метода измерения разности фаз рассмотрим двухконтурную схему. Для ультразвуковых сигналов, направленных по потоку и против потока, соответствен­но получаем интенсивности J₁ и J₂:

где k — коэффициент затухания;

А — амплитуда; — частота колебаний;

ф₁ и ф₂ — фазовые сдвиги, причем:

где L — расстояние между приемником П и излучателем Я;

а — скорость звука;

 — угол наклона луча по отношению к оси трубы.

Из выражения получаем разность фаз, измеряемую фазометром:

В частотно-импульсных расходомерах время распространения звука от излучателя И к приемнику Л по потоку и против потока соответственно будет соответствовать частотам повторения импульсов.

Таким образом, среди ультраакустических расходомеров наиболее перспективными являются частотно-импульсные.

Электромагнитный метод измерения расхода применим для агрессивных, ядовитых, воспламеняющихся и других опасных жидкостей, обладающих удельным сопротивлением, не превышающим 105 Ом.

В электромагнитном расходомере, основанном на использовании закона электромагнитной индукции, роль движущегося проводника в магнитном поле выполняет жидкость. Магнитное поле, ось которого перпендикулярна скорости движения жидкости, может быть создано электромагнитом, питаемым переменным током.

ЭДС, наводимая в приборе, будет:

где k — коэффициент пропорциональности;

d — диаметр трубопровода;

В_т— амплитуда магнитной индукции.

Если В_т — постоянная величина, то амплитуда напряжения пропорциональна скорости v, а следовательно, расходу жидкости. В электромагнитных расходомерах возникают погрешности, вызванные переменным магнитным полем электромагнита. Устранение этих погрешностей достигается замыканием одного из электродов на низкоомный делитель напряжения и выбором положения движка потенциометра так, чтобы сигнал с прибора отсутствовал.

Преимуществами электромагнитных расходомеров являются отсутствие подвижных частей в преобразователе и элементов, оказывающих сопротивление потоку, независимость показаний от вязкости и плотности.

Метод, основанный на генерировании вихреобразований состоит в том, что если поместить в поток жидкости тело (вихреобразователь) 2, то за ним образуется вихревая цепочка 3, частота f вихрей которой связана со скоростью жидкости v уравнением:

f=kv,

где k — постоянная величина, зависящая от диаметра трубопровода D и ширины тела d.

Частоту f вихрей измеряют нагреваемыми резисторами, изменение температуры которых под действием колебаний жидкости, образуемых вихрями, вызывает изменение их сопротивлений. Известны также варианты преобразователей, в которых съем сигнала производится индуктивными, емкостными или ультрааккустическими первичными преобразователями.

Преобразователи, основанные на данном методе, находят применение при измерении расхода воды, маловязких и криогенных жидкостей.

Метод, основанный на ядерно-магнитном резонансе состоит в том, что атомы жидкости (нефти, керосина, бензина, воды, спирта и др.). имеющие магнитный момент , попадая в магнитное поле В_т поляризатора, прецессируют вокруг вектора Вт. Если на пути движения поляризованных ядер поместить ноле создаваемое катушкой 2 и осциллирующее с частотой, равной ларморовской частоте, то вследствие резонанса, называемого ядерно-магнитным, энергия ядер будет возрастать.

Жидкость проходит по трубе из немагнитного материала находящейся в сильном магнитном поле, на конце которой находится катушка 2, включенная в схему детектора ЯМР.

Расходомеры ЯМР обладают преимуществами независимости показаний от ориентации трубы, линейности шкалы, высокой чувствительности, малой инерционности и отсутствием элементов в гидравлическом тракте. Недостаток — зависимость показаний от вязкости жидкости