Часть 2 Средства проведения теплофизических измерений

2.1. Средства измерения расхода

Измерение расхода жидкостей и газов является одной из основных составляющих теплофизических измерений, к которым также относятся температурные измерения и измерение давления. Мы начали рассмотрение средств измерения именно с этой группы, так как общий объем теплофизических измерений превышает 70% всех измерений в науке и технике.

Приборы, предназначенные для измерения расхода жидкостей и газов, называются расходомерами. Ниже будет рассмотрено девять типов расходомеров, отличающихся принципом действия.

Расходомеры переменного перепада давления

Основным элементом расходомеров переменного перепада давления является сужающее устройство (диафрагма или сопло), помещенное в трубопровод с площадью сеченияF, по которому со скоростьюV_1ср протекает жидкость (газ) [11]. Проходя через отверстие площадьюF₀ (см. рис. 2.1), поток сужается, и на некотором расстоянии за диафрагмой возникает зона максимального сжатия сечениемF₁, в пределах которой жидкость движется со скоростьюV_2ср.

В

Рис. 2. 1. Расходомер переменного перепада давления

еличины давлений до и после сужающего устройства связаны со скоростями протекания жидкости в соответствующих зонах соотношением:

, 2.1

где ρ– плотность вещества;

Р₁ иP₂– давление до и после сужающего устройства, соответственно.

Площадь сечения максимального сжатия пропорциональна площади отверстия, а зависимость от вида сужающего устройства характеризуется коэффициентом μ’:

. 2.2

Если предположить, что плотность вещества после прохождения сужающего устройства не изменяется, то имеет место равенство:

. 2.3

В результате выражение 2.1 может быть записано в следующем виде:

. 2.4

Отсюда может быть найдено значение скорости потока в сечении F₁:

. 2.5

Объемный расход Qможет быть приведен к сечению максимального сжатия:

. 2.6

Расходомеры подобной конструкции используются для определения стационарных расходов жидкостей и сухих газов на трубопроводах диаметром более 50 мм.

Расходомеры обтекания

В данном типе расходомере осуществляется преобразование скоростного напора в перемещение обтекаемого тела. В качестве примера на рисунке 2.2 показано устройство ротаметра и поршневого расходомера, используемого на нефтепроводах. Давление со стороны обтекающего потока может уравновешиваться либо собственным весом поплавка (поршня) или усилием сжатой пружины.

Рис. 2. 2. Устройство ротаметра (а) и поршневого расходомера (б)

Тахометрические расходомеры

В зависимости от конструкции выделяют несколько видов тахометрических расходомеров. Рассмотрим наиболее распространенные из них.

Объемный расходомер(рис. 2.3) имеет две лопасти по форме напоминающие восьмерку (лопасти также могут иметь форму трапеций).

В

Рис. 2. 3. Объемный расходомер

ещество проходит через расходомер подобной конструкции небольшими «порциями», объем которых равен объему полости образованной стенкой корпуса и впадиной в середине лопасти, поэтому общий расход однозначно определяется числом оборотов лопастей. Счетчик числа оборотов обычно связан с одной из лопастей при помощи магнитной муфты.

Расходомеры подобной конструкции работают даже при очень малых перепадах давления (до 2,5 кг/см²) и могут быть использованы для измерения больших расходов газа.

Принцип действия турбинных расходомеровзаключается в том, что протекающая жидкость (газ) приводит во вращение турбинку. Как правило, ось турбинки расположена параллельно потоку (аксиальная турбинка), а скорость ее вращения зависит от скорости потока. По сути, турбинные расходомеры, как и большинство других расходомеров, являются измерителями скорости, но при известном сечении трубопровода определение объемного расхода не составляет труда. Турбинные расходомеры не пригодны для измерения расхода жидкостей, меняющих свою вязкость. Основное отличие различных видов турбинных расходомеров заключается в способе преобразования частоты вращения турбинки в измерительный сигнал.

В счетчиках Вольтмана [6], которые обычно используются для измерения расхода воды, аксиальная турбинка связана со счетным механизмом через шестеренчатый редуктор. Конструкция этих счетчиков многократно совершенствовалась, однако, относительную погрешность измерения расхода не удается снизить до значений меньше, чем 5-10 процентов.

Для повышения точности до ±(0,3 – 0,5) % в конструкции турбинных расходомеров используют преобразователи, не имеющие механического контакта с турбинкой – индукционные, индуктивные, фотоэлектрические и оптические.

Принцип действия индукционных тахометрических преобразователей основан на возникновении ЭДС в обмотке катушки, расположенной с внешней стороны трубы из диамагнитного материала, при прохождении возле нее магнита, закрепленного на лопатке турбинки. Для увеличения числа импульсов в катушке при измерении относительно малых расходов магниты можно располагать на каждой лопатки. В одной из существующих моделей турбинка снабжена кольцевым ободом, на котором размещено несколько десятков магнитов.

Индуктивные преобразователи основаны на изменении индуктивности наружной обмотки в зависимости от изменения сопротивления ее магнитной цепи, происходящего при вращении турбинки, лопатки которой выполнены (или имеют вставки) из ферромагнитного материала. Сопротивление катушки Rпри ее питании переменным током с частотойf линейно зависит от ее индуктивностиL:

. 2.7

Рис. 2. 4. Расходомер с индуктивным преобразователем

Во время вращения турбинки при прохождении лопаток мимо катушки возникают периодические изменения силы тока в обмотке. При этом выходной сигнал оказывается промодулированным по амплитуде с частотой, пропорциональной частоте вращения турбинки.

На рисунке 2.4 показана в НИИ Теплоприбор электрическая схема турбинного расходомера с индуктивным преобразователем. Индуктивная катушка имеет первичную обмотку, питаемую от генератора Г переменным током частотой 6-8 кГц. Вторичные обмотки включены навстречу друг другу для повышения устойчивости к помехам и внешним магнитным полям. При вращении турбинкиТна выходе катушки получается напряжениеU_вых, промодулированное по амплитуде с частотойf, которая равна числу оборотов турбинки в секунду, умноженному на число лопастей. Эта частота значительно ниже частоты генератора. При прохождении сигнала через усилитель-демодуляторУДи фильтрФвыделяется сигнал с частотойf, который проходит через усилитель низкой частотыУНЧна модуляторМ. Последний вырабатывает импульсы переключения конденсатораСс заряда на разряд. В результате с нагрузочного резистораR_Н снимается постоянное напряжениеU_Н , которое является функцией частотыf и пропорционально скорости потока..

Одними из наиболее известных турбинных расходомеров с аксиальной турбинкой и индукционным преобразователем являются расходомеры ТПР. Данные расходомеры выпускаются для труб с диаметром от 10 до 100 мм и имеют потери давления не более 50 кПа. Другие технические характеристики расходомеров ТПР приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1

Тип преобразователя	DУ, Мм	Максимальный измеряемый расход QMAX, л/с	Минимальный измеряемый расход QMIN, л/с	Обороты турбинки при QMAX, об/мин	Приведенная погрешность ,%
ТПР-7	10	0,16	0,03	10 000	1
ТПР-8	10	0,25	0,05	10 000	1
ТПР-9	12	0,40	0,08	10 000	1
ТПР-10	15	0,60	0,12	5 000	0,5
ТПР-11	15	1,0	0,20	5 000	0,5
ТПР-12	20	1,6	0,25	5 000	0,5
ТПР-13	20	2,5	0,3	5 000	0,5
ТПР-14	25	4,0	0,4	5 000	0,5
ТПР-15	32	6,0	0,5	5 000	0,5
ТПР-16	40	10,0	0,8	5 000	0,5
ТПР-17	50	16,0	1,2	5 000	0,5
ТПР-18	60	25,0	2,0	5 000	0,5
ТПР-19	80	40,0	3,0	3 750	0,5
ТПР-20	100	60,0	5,0	3 750	0,5

Рис. 2. 5. Оптический тахометрический преобразователь

Фотоэлектрические преобразователи [6] применяются главным образом в приборах для измерения расхода газов, но иногда и для прозрачных жидкостей при малых размерах турбинки. Принцип их действия основан на появлении пульсирующего напряжения в цепи фотоэлемента при вращении лопастей турбинки между источником света и фотоэлементом.

Оптические тахометрические преобразователи, как и фотоэлектрические, основаны на периодическом прерывании светового луча лопастями турбинки, однако, в них свет распространяется по волоконно-оптическим линиям связи (см. рис. 2.5). Световой поток от источника инфракрасного излучения (светодиод АЛ107Б или АЛ119), расположенного в приемно-передающем блоке 4, распространяется по волоконно-оптической линии3и через гермоввод2попадает на лопасть турбинки1. Отразившийся свет также по волоконной линии подводится к светочувствительному элементу блока4.

Применение фотоэлектрических и оптических преобразователей для измерения расхода непрозрачных жидкостей весьма затруднительно, но возможно.