Анализ расходомеров

1.1 Классификация расходомеров

Расходомер - прибор для измерения расхода жидкости или газа. Анестезионное оборудование обязательно должно быть снабжено расходомерами, чтобы можно было контролировать расход газов во время проведения анестезии. Расходомерами также часто пользуются больные астмой для определения способности выдыхать воздух из организма.

Значение счетчиков и, особенно рас­ходомеров жидкости, газа и пара очень велико. Раньше основное применение имели счетчики воды и газа преимущественно в ком­мунальном хозяйстве городов. Но с развитием промышленности все большее значение приобрели расходомеры жидкости, газа и пара.

Расходомеры необходимы прежде всего для управления произ­водством. Без них нельзя обеспечить оптимальный режим техно­логических процессов в энергетике, металлургии, в химической, нефтяной, целлюлозно-бумажной и многих других отраслях про­мышленности. Эти приборы требуются также для автоматизации производства и достижения при этом максимальной его эффектив­ности.

Расходомеры нужны для управления самолетами и космиче­скими кораблями, для контроля работы оросительных систем в сель­ском хозяйстве и во многих других случаях. Кроме того, они требуются для проведения лабораторных и исследовательских работ.

Счетчики жидкости и газа необходимы для учета массы или объема нефти, газа и других веществ, транспортируемых по тру­бам и потребляемых различными объектами. Без этих измерений очень трудно контролировать утечки и исключать потери ценных продуктов. Снижение погрешности измерений хотя бы на 1 % может обеспечить многомиллионный экономический эффект. Роль и значение расходомеров и счетчиков жидкости, газа и пара еще более возрастает в связи с необходимостью максимальной экономии энергетических и водных ресурсов страны

Существующие расходомеры и счетчики количества можно разделить на приведенные ниже группы.

1. Приборы, основанные на гидродинамических методах:

1. переменного перепада давления,

2. переменного уровня,

3. обтекания,

4. вихревые,

5. парциальные.

2. Приборы, основанные на различных физических явлениях:

6. тепловые,

7. электромагнитные,

8. акустические,

9. опти­ческие,

10. ядерно-магнитные,

11. ионизационные.

3. Приборы, основанные на особых методах:

12. меточные,

13. корреляционные,

14. концентрационные.

Из числа приборов I группы следует отметить широко распространенные расходомеры переменного перепада давления с сужающими устройствами и сравнительно новые, но весьма пер­спективные вихревые расходомеры.

Во II группу входят многочисленные турбинные, шари­ковые и камерные (роторные, с овальными шестернями и другие) счетчики количества и частично расходомеры. Приборы силовые и с автоколеблющимся телом пока еще имеют ограниченное при­менение.

Меточные и концентрационные расходомеры, относящиеся к IV группе, служат для разовых измерений, например при проверке промышленных расходомеров на месте их установки. Корреляционные приборы перспективны для измерения расхода двухфазных веществ.

Приборы, основанные на гидродинамических методах

1.1.1 Расходомеры переменного перепада давления

Расходомеры переменного перепада давления осно­ваны на зависимости от расхода перепада давления, создаваемого устройством, которое установлено в трубопроводе, или же самим элементом последнего.

В состав расходомера входят преобразователь расхода, соз­дающий перепад давления; дифференциальный манометр, изме­ряющий этот перепад и соединительные трубки между преобразо­вателем и дифманометром. При необходимости передать показа­ния расходомера на значительное расстояние к указанным трем элементам добавляются еще вторичный преобразователь, преоб­разующий перемещение подвижного элемента дифманометра в электрический и пневматический сигнал, который по линии связи (проводам или трубкам) передается к вторичному измеритель­ному прибору. Если первичный дифманометр (или вторичный изме­рительный прибор) имеет интегратор, то такой прибор измеряет не только расход, но и количество прошедшего вещества.

В зависимости от принципа действия преобразователя расхода данные расходомеры подразделяются на шесть самостоятельных групп, внутри которых имеются конструктивные разновидности преобразователей.

1. Расходомеры с сужающими устройствами — важнейшие сре­ди расходомеров переменного перепада давления. Они уже давно нашли применение в качестве основных промышленных прибо­ров для измерения расхода жидкости, газа и пара. Они основаны на зависимости от расхода перепада давления, создаваемого сужающим устройством, в результате которого происходит пре­образование части потенциальной энергии потока в кинетическую. Имеется много разновидностей сужающих устройств. Так, на рис. 1, а и б показаны стандартные диафрагмы, на рис. 1, в — стан­дартное сопло, на рис. 1, г, д, е — диафрагмы для измерения за­грязненных веществ — сегментная, эксцентричная и кольцевая. На следующих семи позициях рис. 1 показаны сужающие устрой­ства, применяемые при малых числах Рейнольдса (для веществ с большой вязкостью); так, на рис. 1, ж, з, и изображены диа­фрагмы — двойная, с входным конусом, с двойным конусом, а на рис. 1, к, л, м, н — сопла — полукруга, четверть круга, комби­нированное и цилиндрическое. На рис. 1, о изображена диафрагмаg переменной площадью отверстия, автоматически компенсирующая влияние изменения давления и температуры вещества. На рис. 1, п, р, с, т приведены расходомерные трубы — труба Вен­тури, сопло Вентури, труба Далла и сопло Вентури с двойным су­жением. Для них характерна очень малая потеря давления.

2. Расходомеры о гидравлическим сопротивлением основаны на зависимости от расхода перепада давления, создаваемого гидравлическим сопротивлением. Режим потока в таком сопро­тивлении стремятся создать ламинарным, с тем чтобы перепад давления был бы пропорционален расходу. Применяются подоб­ные расходомеры преимущественно для измерения малых расхо­дов, когда сопротивлением является одна или несколько капилляр­ных трубок (рис. 1, у). Для больших расходов применяют иногда сопротивления о шариковой (рис. 1, ф) или другой набивкой.

3. Центробежные расходомеры созданы на основе зависимости от расхода перепада давления, образующегося в закруглении трубопровода в результате действия центробежной силы в потоке. В качестве преобразователей применяется колено (рис. 1, х) или (значительно реже) кольцевой участок трубы (рис. 1, ц). Чаще всего они служат для измерения расхода воды и реже — газа.

4. Расходомеры с напорным устройством, в котором создается перепад давления в зависимости от расхода в результате местного перехода кинетической энергии струи в потенциальную. На рис. 1, ч показан преобразователь, состоящий из трубки Пито и трубки для отбора статического давления, а на рис. 1, ш — преобразователь с дифференциальной трубкой Пито, в которой имеются отверстия для отбора полного и статического давлений. Кроме этих преобра­зователей, служащих для измерения местной скорости, встреча­ются преобразователи с осредняющими (или интегрирующими) напорными трубками. Обычно усреднение полного давления ве­дется по диаметру (рис. 1, щ) или по радиусу, а при сильно де­формированных потоках — по двум перпендикулярным диаметрам. В соответствующих трубках имеется ряд отверстий для приема полного давления. Использование осредняющих напорных трубок особенно целесообразно для измерения расхода воды и газа в тру­бопроводах большого диаметра. Кроме того, предложены кольце­вая вставка (рис. 1, э) для усреднения давления по кольцевой площади и напорное поворотное крыло с двумя отверстиями (рис. 1, ю), ориентированными различным образом к потоку.

5. Расходомеры с напорным усилителем имеют преобразова­тель расхода, в котором сочетаются напорное и сужающее устрой­ство. Перепад давления в них создается как в результате местного перехода кинетической энергии струи в потенциальную, так и частичного перехода потенциальной энергии в кинетическую. Соответствующие преобразователи показаны: на рис. 1, я (соче­тание диафрагмы и трубки Пито), на рис. 1, а (комбинация тру­бок Пито и Вентури) и на рис. 1, Р (сдвоенная трубка Вен-тур и). Напорные усилители применяются в основном при небольших скоростях газовых потоков, когда перепад давления, создаваемый напорными трубками, не достаточен.

6. Расходомеры ударно-струйные основаны на зависимости от расхода перепада давления, возникающего при ударе струи. Струя, вытекающая из суженного отверстия входной трубки, соз­дает давление р₁ во внутренней полости сильфона, снаружи ко­торого действует меньшее давление р₂, равное давлению уходящей жидкости в выходной трубке. Ударно-струйные расходомеры при­меняются лишь для измерения малых расходов жидкости и газа.

1 - Сопло, 2 - перегородка, 3 – заполняющий сильфон, 4 - пружина, 5 - плунжер, 6 - катушка.

1.1.2 Расходомерами переменного уровня

Расходомерами переменного уровня называются при­боры, основанные на зависимости между расходом и высотой уровня в сосуде, в который жидкость непрерывно поступает и из которого она вытекает через отверстие в дне или в боковой стенке. Преобразователь расхода в этих расходомерах — сосуд с отвер­стием истечения Уровень в нем измеряется непосредственно или косвенным путем. Они применяются не только для измерения расхода жидкостей, вытекающих из трубопровода в открытые емкости, но и в емкости, находящиеся под давлением. В первом случае преобразователь расхода — открытый, во втором — за­крытый.

Расходомеры могут быть с полностью или с частично затоплен­ным отверстием истечения. У первых это отверстие делается круглым и располагается в дне или иногда внизу боковой стенки сосуда. Эта разновидность может рассматриваться как частный случай расходомеров переменного перепада давления. У вто­рых же, работающих по принципу водослива, отверстие истече­ния расположено в боковой стенке и имеет щелевую форму. Их обычно называют щелевыми расходомерами. У большинства расходомеров переменного уровня сосуд с отверстием истечения неподвижный, но он может быть и подвижным. В последнем случае измеряется вес сосуда, поскольку последний связан с вы­сотой уровня, а значит, и с расходом жидкости.

Рассматриваемые расходомеры применяются преимущественно там, где применение расходомеров с сужающими устройствами затруднено по тем или другим причинам. Они служат для изме­рения расхода: агрессивных жидкостей, серы, сточных вод и загрязненных жидкостей, различных пульп, суспензий и газожидкостных, в частности нефтегазовых смесей. Ряд работ посвящен исследованию их коэффициентов расхода, глав­ным образом, для щелевых расходомеров, а также методике их расчета. Имеются две монографии по этим приборам.

1 - уровнемерная трубка со шкалой, 2 - трубе, 3 – перегородки, 4 - установленной в дне сосуда, 5 - диафрагмой.

1.1.3Расходомерами обтекания

Расходомерами обтекания называются приборы, чув­ствительный элемент которых воспринимает динамическое давле­ние потока и перемещается под его воздействием, причем величина перемещения зависит от расхода. У большинства расходомеров обтекаемое тело (поплавок, диск, поршень) перемещается прямо­линейно, обычно вдоль своей вертикальной оси. Но имеется группа приборов, у которых обтекаемое тело (лопасть, диск) поворачи­вается вокруг оси подвеса. Расходомеры обтекания состоят из следующих трех групп.

1. Расходомеры постоянного перепада давления, у которых обтекаемое тело перемещается вертикально, а противодейству­ющая сила создается весом тела.

2. Расходомеры с изменяющимся перепадом давления, в ко­торых в большинстве случаев имеется противодействующая пру­жина и помимо вертикальной может быть и другая траектория перемещения обтекаемого тела.

3. Расходомеры с поворотной лопастью. Противодействующая сила в них создается не только весом тела, но во многих случаях еще и пружиной. Кроме того, имеются компенсационные расходо­меры с поворотной лопастью, в которых противодействующая сила создается посторонним источником энергии.

Во всех перечисленных расходомерах между стенками трубы и подвижным телом остается небольшое проходное сечение. В связи с этим условия его обтекания будут существенно отлич­ными от условии обтекания такого же тела в свободном потоке. На создание значительной скорости в проходном сечении затра­чивается определенная энергия, и на тело помимо динамического давления действует также и разность статических давлений.

1. Расходомеры постоянного перепада давления под­разделяются на: ротаметры, поплавковые и поршневые (или точнее золотниковые). Эти приборы (особенно ротаметры) наиболее широко применяются по сравнению с другими расходомерами обтекания.

Ротаметры

Ротаметр состоит из конической (обычно стеклянной) трубки, расходящейся вверх, внутри которой перемещается поплавок.

Шкала наносится непосредственно на стеклянную трубку. Длина последней обычно находится в пределах от 70 до 600 мм, а диаметр от 1,5 до 100 мм.

Характеристика ротаметров и уравнение равновесия поплавка. Пределы применения обычных ротаметров со стеклянной трубкой по давлению 0,5—0,6 МПа, по температуре 100—150 °С.

Достоинства ротаметров: простота устройства и эксплуатации; наглядность показаний; надежность в работе; удобство приме­нения для измерения малых расходов различных жидкостей и газов (в частности, агрессивных), а также не ньютоновых сред; значительный диапазон измерения и достаточно равномер­ная шкала.

Недостатки хрупкость и непригодность для измерения расхода веществ, имеющих значительные давления; связанность прибора с местом измерения; только указывающий характер прибора (отсутствие записи и дистанционной передачи показаний); непри­годность для измерения больших расходов.

Большинство из перечисленных недостатков могут быть устра­нены в случае изготовления конусной трубки из металла и при­менения дистанционной передачи. Но при этом теряются простота устройства и наглядность показаний, а также резко сокращается ход поплавка. Конструкция в этом случае значительно меняется, и такой прибор следует называть поплавко­вым расходомером, а не ротаметром.

Поплавковые расходомеры

Эти расходомеры относятся к группе расходомеров постоян­ного перепада давления. Принцип действия их такой же, как и ротаметров. В связи с этим рассмотренная выше теория последних (в том числе и методы пересчета) справедлива также и для поплав­ковых расходомеров. От ротаметров они отличаются лишь кон­структивно. У них нет стеклянной конической трубки, ход по­плавка небольшой и внешняя форма иная.

Поршневые расходомеры

Поршневые или золотниковые расходомеры — третья разно­видность расходомеров постоянного перепада давления. В этих приборах роль поплавка выполняет поршень или другой эле­мент, перемещающийся во втулке с окнами особой формы. Изме­ряемое вещество поступает под поршень и, приподнимая его, выходит через окно или прорезь во втулке. Давление над поршнем то же, что и в выходном штуцере. Чем больше расход, тем выше поднимается поршень, открывая все большую часть отверстия во втулке. Перепад давления на поршне при этом сохраняется постоянным. Выбирая надлежащий профиль прорези, можно получить желаемую (например, линейную) зависимость между расходом и перемещением поршня.

Существует много разновидностей поршневых расходомеров, но применяются они значительно реже ротаметров и поплавковых расходомеров. В большинстве случаев они имеют одно выходное окно и, следовательно, односторонний выход жидкости. При этом равнодействующая сил давления приложена не в центре площади поршня и возникает момент, прижимающий поршень к той по­верхности втулки, в которой расположено выходное окно. Для устранения этого недостатка предложены расходомеры с вы­ходом жидкости через два прямоугольных окна, расположенных на противоположных поверхностях втулки.

К достоинствам поршневых расходомеров относятся: легкость перехода на другой предел измерения посредством изменения массы груза, действующего на поршень, а также возможность измерения веществ с механическими примесями.

На рис. 1.6 показан поршневой расходомер, разработанный для измерения массового расхода нефтепродуктов. Для до­стижения практической независимости показаний от измерений плотности р измеряемого вещества плотность поршня р_п в два раза больше, чем р. Конструкция расходомера очень проста. На входном патрубке 1 укреплен цилиндр с втулкой 3, внутри которой перемещается поршень 2, связанный с магнитным стерж­нем 4; последний воздействует на заслонку у сопла, давление воздуха в котором служит выходным сигналом прибора. Во втул­ке 3 прорезано окно, через которое измеряемое вещество уходит в выходной патрубок 5. Максималь­ные расходы 13; 60 и 120 т/ч. Погреш­ность ±1,25 % в пределах пяти­кратного диапазона измерения при вязкости вещества до 5-10 м²/о. Прибор надежен в работе и нечувстви­телен к твердым частицам в потоке. В нашей стране изготовлялись поршневые расходомеры типа ППЭ для труб диаметром 50 мм. Их пор­шень связан с ферромагнитным сер­дечником, перемещающимся в диа­магнитной трубке, снаружи которой помещена индуктивная катушка. Ход поршня 30,5 мм. Предельные расходы в приборе могли быть из­менены от 250 до 8000 кг/ч путем из­менения массы груза (от 0,7 до 2,3 кг), действующего на поршень, и шири­ны прямоугольного отверстия во втулке (от 1,27 до 25,4 мм).

2. Расходомеры обтекания с изменяющимся перепадом давления как и в расходомерах постоянного перепада, здесь также имеется тело (поплавок), на которое воздействует поток измеряемого вещества, и величина перемеще­ния тела служит мерой расхода. Эти расходомеры можно под­разделить на: поплавково-пружинные, поплавково-архимедовые, расходомеры с электромагнитным уравновешиванием и шарико­вые с движением в криволинейной трубке. Основные среди них поплавково-пружинные расходомеры.

Поплавково-пружинные расходомеры

Если поплавок или поршень в поплавковом или поршневом расходомере соединить с пружиной, то получим поплавково-пружинный расходомер, в котором давление потока должно пре­одолевать не только вес подвижного элемента, но и упругость пружины.

Достоинства поплавково-пружинных расходомеров: возмож­ность существенного повышения максимального предела измере­ния и удобство перехода на другой диапазон измерения путем смены пружины.

Расходомеры обтекания с электромагнитным уравновешиванием

Имеются схемы расходомеров обтекания, у которых уравнове­шивание силы динамического давления на поплавок осуще­ствляется электромагнитным способом. У них поплавок связан с железным сердечником, находящимся в поле наружного солепоида. Кроме того, имеется устройство (например фотосопротив­ление и осветитель), реагирующее на перемещение поплавка и изменяющее силу тока i в солепоиде так, чтобы обеспечить воз­врат поплавка в исходное положение. Подобные расходомеры работают по компенсационной схеме и предназначены для измерения сравнительно небольших расходов. Их называют также расходомерами с магнитной подвеской. Сила тока i пропорцио­нальна объемному расходу, если вес поплавка скомпенсирован о помощью дополнительного солепоида.

Существуют и другие разновидности подобных расходомеров, в которых фиксация местоположения поплавка осуществляется электромагнитным способом при этом не требуется фото­элемента и осветителя.

Шариковые расходомеры обтекания

Более точно рассматриваемые приборы следовало бы назвать расходомерами обтекания с шариком, движущимся по дуге ок­ружности. С ними не надо смешивать приборы, в которых шарик перемещается вертикально в цилиндрической трубке и при своем подъеме открывает в последней отверстие для выхода измеряе­мого вещества.

Схема устройства расходомера, в котором шарик движется по дуге окружности. При отсутствии дви­жения жидкости шарик занимает крайнее нижнее положение. По мере увеличения расхода шарик поднимается в стеклянной трубке, имеющей форму неполного кольца. Диаметр шарика d_ш меньше внутреннего диаметра d_Т трубки, поэтому между трубкой и шариком остается постоянная площадь серпообразной формы для прохода жидкости.

3. Расходомеры с поворотной лопастью

В трубопроводе подвешивается лопасть, на которую воздействует гидродинамическое давление потока жидкости или газа. Расход определяется по углу поворота лопасти или по величине противодействующей силы, уравновешивающей давле­ние потока в компенсационных приборах. В последнем случае угол поворота лопасти может быть ничтожно мал.

По виду противодействующей силы расходомеры с поворотной лопастью подразделяются на расходомеры с грузовым и с пружин­ным уравновешиванием, а также на компенсационные g пневма­тическим или электрическим уравновешиванием.

Достоинства их большой диапазон измерения, доходящий до 15—20 и возможность двустороннего действия. Кроме того, они позволяют сравнительно просто осуществить измерение больших расходов жидкости и газов, а также веществ, имеющих высокую температуру или обладающих агрессивными свойствами. Их дина­мические характеристики достаточно хорошие. Время переходного процесса (колебательного, быстро затухающего) 1,5—2 с.

Основной элемент расходомера — поворотная лопасть — даже при постоянном расходе непрерывно вибрирует вследствие срыва вихрей с ее тыльной стороны. Небольшая вибрация не мешает работе. Она в ряде случаев даже может быть полезна, так как пре­пятствует оседанию грязи и других механических примесей на лопасти. Но при углах поворота больших, чем 60—65° и при измерении расхода газа амплитуда вибраций может резко воз­расти. У жидкостей (благодаря их большей вязкости) этого не наблюдается даже при углах поворота 80—85°. В связи с этим для газов угол поворота не должен превосходить 60°, а для жидко­стей — 80° (тем более, что затем наступает резкое падение чув­ствительности расходомера). В работе [13] указывается, что начало колебаний тела обтекания возникает при числах Re = = 800 ч-1500 и достигает частоты 50 Гц при Q_max и силе гидроди­намического давления 5—15 Н. Там же рекомендуется для умень­шения вязкого трения заострять все кромки поворотного диска или другого вида лопасти до 0,2—0,5 мм. При измерении расхода нефти, содержащей смолистые вещества, грязь и парафин, небольшие вибрации лопасти необходимы для ее самоочистки. В этом случае нижний предел измерения надо согласовать с на­чалом возникновения вибраций.

Для борьбы с вибрациями большой амплитуды, затрудняю­щими измерение расхода, надо в лопасти сделать ряд отверстий для выравнивания давления на ее тыльной стороне. Если лопасть имеет прямоугольную форму, то в ней делают несколько узких параллельных щелей или небольших отверстий. В лопасти, изго­товленной в виде диска, рекомендуется делать ряд трапе­цеидальных отверстий, расположенных концентрически, а на­ружный диаметр диска принимать равным 075D, гдеD—диаметр трубопровода. Это благоприятно еще и потому, что при этом по­стоянство коэффициента сопротивления обтекаемого тела насту­пает при значительно меньших числах Re.

Расходомеры о поворотной лопастью, имеющей грузовое уравновешивание

Эти расходомеры устанавливают только в горизонтальном трубопроводе. На рис. 138 схематически показана лопасть пло­щадью f_л, повернувшаяся вокруг оси вращения на угол а под действием гидродинамического давления потока R

Расходомеры о поворотной лопастью, имеющей пружинное уравновешивание

Эти расходомеры могут устанавливаться как на горизонталь­ных, так и на вертикальных трубопроводах. У них поворотная лопасть либо укреплена на конце торсионной трубки, создающей при своей закрутке противодействующий момент М_вр, либо свя­зана с винтовой, спиральной или другого рода противодействую­щей пружиной.

Компенсационные расходомеры с поворотной лопастью

Расходомеры с пово­ротной лопастью и пневма­тической компенсацией с успехом применяются для измерения расхода жид­костей, особые свойства которых затрудняют при­менение других приборов. Они применяются для измерения расхода отработанной серной кислоты; суспензий, имеющих высокую концентрацию твердой фазы; водного раствора карбамида, который может кристаллизоваться, и во многих других случаях. Подобные приборы нередко соз­даются эксплуатационниками на базе имеющихся пневмопре-образователей (например, дифманометра ДМПК-100 или другого типа). Поворотная лопасть выполняется обычно в виде диска, связанного с силовым рычагом пневмопреобразователя.

Известны расходомеры с поворотной лопастью и электро­магнитной силовой компенсацией. Поворот диска, воспринимаю­щего динамическое давление потока, преобразуется дифферен­циально-трансформаторной системой в сигнал, который управ­ляет силой тока в обмотке электромагнита. Последний располо­жен снаружи трубы и создает силовую компенсацию на конце двуплечевого рычага, с другим концом которого связан диск. Сила тока в электромагните, возвращающая диск в исходное положе­ние, пропорциональна расходу жидкости. В другом более ком­пактном варианте электромагнитное компенсирующее устройство расположено внутри трубы сзади диска.

Приборы, основанные на различных физических явлениях:

1.2.1 Тепловые расходомеры

Тепловыми называются расходомеры, основанные на измерении зависящего от расхода эффекта теплового воздействия на поток или тело, контактирующее с потоком. Они служат для измерения расхода газа и реже для измерения расхода жидкости.

Существует много разновидностей тепловых расходомеров, раз­личающихся способом нагрева, расположением нагревателя (сна­ружи или внутри трубопровода) и характером функциональной зависимости между расходом и измеряемым сигналом. Основной способ нагрева — электрический омический. Индуктивный нагрев почти не применяется на практике. Кроме того, в некоторых слу­чаях находит применение нагрев с помощью электромагнитного поля и с помощью жидкостного теплоносителя. По характеру теплового взаимодействия с потоком тепловые расходомеры под­разделяются на калориметрические, термоконвективные и термо-анемометрические. При электрическом омическом нагреве у кало­риметрических нагреватель расположен внутри, а у термоконвек­тивных — снаружи трубы. Но в литературе нередко называют калориметрическими также и некоторые расходомеры с наружным нагревом.

Калориметрические расходомеры

Калориметрические расходомеры основаны на зави­симости от мощности нагрева среднемассовой разности температур потока Калориметрический расходомер состоит из нагревателя 3, расположенного внутри трубопровода, и двух термо­преобразователей 1 и 2 для измерения температур до Т₁ и после Т₂ нагревателя. Термопреобразователи располагаются обычно на равных расстояниях (L₁ = L₂) от нагревателя. Распределение тем­ператур по обе стороны от источника нагрева будет зависеть от расхода вещества. При отсутствии расхода Q_M = 0 температур­ное поле симметрично.

Термоконвективные расходомеры

Термоконвективными назы­ваются тепловые расходомеры, у которых ни нагреватель, ни термопреобразователь не вводятся внутрь трубопровода, а рас­полагаются снаружи. Это существенно повышает эксплуатацион­ную надежность расходомеров и делает их удобными для приме­нения. Передача тепла от нагревателя к измеряемому веществу осуществляется через стенку трубы за счет конвекции. Имеется несколько разновидностей термоконвективных расходомеров, ко­торые можно объединить в следующие группы:

1) квазикалориметрические расходомеры —

а) с симметричным расположением термопреобразователей;

б) с нагревателем, совмещенным с термопреобразователем;

в) с нагревом непосредственно стенки трубы;

г) с асимметричным расположением термопреобразователей;

2) расходомеры, измеряющие разность температуры погранич­ного слоя;

3) расходомеры особых разновидностей для труб большого диаметра.

У приборов 1-й группы градуировочные характеристики, как и у калориметрических расходомеров, имеют две ветви: восходящую и нисходящую, а у приборов 2-й группы — только одну, так как у них преобразователь начальной темпера­туры Т изолирован от нагревательного участка трубы. Кроме того, квазикалориметрические расходомеры применяются преиму­щественно для труб малого диаметра, начиная от 0,5—1,0 мм и выше.

Чем больше диаметр трубы, тем в меньшей степени прогре­вается центральная часть потока, и прибор все в большей мере измеряет лишь разность температур пограничного слоя, которая зависит от его коэффициента теплоотдачи, а значит, и от ско­рости потока. При малых диа­метрах прогревается весь поток и здесь так же как и в кало­риметрических расходомерах измеряется разность темпера­тур потока с той и другой стороны нагревателя. Но ура­внение, в котором попра­вочный коэффициент k близок к единице, здесь не применимо, так как значительная часть теп­ла, выделяемого нагревателем, распространяется вдоль стенки трубы, а не передается потоку.

Основы теории термоконвективных квазикалориметрических расходомеров. При конструировании теплового расходомера с на­ружным расположением нагревателя важно правильно выбрать длину нагревателя и расположение термопреобразователей отно­сительно него. Это можно сделать исходя из анализа процесса теплообмена между нагреваемой трубкой и газом или жидкостью, движущимися внутри нее. Примем допущение, что темпера­тура нагревателя постоянна по его длине и не зависит от расхода газа. Тогда температурное поле преобразователя при расходе Q_M > 0 и его отсутствии Q_M = 0 будет иметь вид, показанный на рис. Симметричность поля нарушается при появлении расхода. Согласно теории регулярного режима процесс нагрева газа от начальной температуры Т_о до температуры Т_г, являю­щейся средней температурой газа в рассматриваемом сечении.

Термоанемометры

Термоанемометры основаны на зависимости между потерей тепла непрерывно нагреваемого тела и скоростью газа или жидкости, в которых это тело нахо­дится. Основное назначение термоанемометров — измерение мест­ной скорости и ее вектора. Они могут служить и для измерения расхода, когда известно соотношение между местной и средней скоростью потока, или когда последняя непосредственно изме­ряется с помощью термоанемометра. Кроме того, существуют конструкции термоанемометров, специально предназначенных для измерения расхода.

Большинство термоанемометров относится к термокондуктивному типу со стабильной силой тока нагрева или же с постоян­ным сопротивлением нагреваемого тела. У первых измеряется электрическое сопротивление тела, являющееся функцией ско­рости потока, а у вторых — сила греющего тока, которая должна возрастать с ростом скорости потока. Кроме того, в одной группе термокондуктивных преобразователей ток нагрева одновременно служит и для измерения, а в другой — нагревающий и измери­тельные токи разделены. Через один резистор течет ток нагрева, а через другой, получающий тепло от первого — ток, который необходим для измерения.

К достоинствам термоанемометров относятся большой диапазон измеряемых скоростей, начиная от весьма малых, и высокое бы­стродействие, позволяющее измерять скорости, изменяющиеся с частотой в несколько тысяч герц. Недостаток термоанемометров g проволочными чувствительными элементами — хрупкость по­следних и изменение градуировки по причине старения и пере­кристаллизации материала проволоки вследствие динамических нагрузок и высокой температуры нагрева.

Преобразователи термоанемометров.

Первичные преобразова­тели термоанемометров разделяются на: проволочные, пленочные и терморезисторные.

Чувствительный элемент проволочного преобразователя — тон­кая и обычно короткая проволочка из платины, вольфрама, никеля. Концы проволочки (термонити) приваривают к концам двух манганиновых стерженьков, укрепленных на жестком осно­вании. Наибольшую температуру нагрева Т_П проволочки (до 1000 °С) допускает платина. Торированный вольфрам может работать до Т_п = 600 °С. Но, во избежание быстрого старения материала, обычно проволочку нагревают только до 400—500 °С. При измерении же вещества, имеющего высокую температуру Т_в, термонить укрепляют на основании, охлаждаемом проточной водой. Для предохранения термонити от поломки при боль­шой скорости газового потока предложено защищать ее стеклянной оболочкой. Тепловая мощность W, теряемая прово­лочкой диаметром d и длиною l при обтекании ее перпендикуляр­ным потоком воздуха, имеющего скорость v.

Тепловые расходомеры с излучателями

Существенный недостаток рассмотренных калори­метрических и термоконвективных расходомеров их большая инерционность. В связи с этим были предложены и разработаны тепловые расходомеры, у которых нагрев потока произво­дится с помощью энергии электромагнитного поля высокой ча­стоты ВЧ (порядка 100 МГц), сверхвысокой частоты СВЧ (порядка 10 кГц) и инфракрасного диапазона ИК.

В первом случае для нагрева протекающей жидкости снаружи трубопровода устанавливают два электрода, к которым подается напряжение Е высокой частоты / от источника, каким может служить мощный ламповый генератор. Электроды вместе с жидкостью между ними образуют конденсатор. Мощность W, выде­ляемая в виде теплоты в объеме жидкости V, находящемся в элек­трическом поле Е, пропорциональна его частоте и зависит от ди­электрических свойств жидкости.

Тепловые расходомеры с жидкостным или газовым теплоносителем

Для измерения расхода пульп, высокотемператур­ных сред и различных веществ в потенциально опасных техно­логических процессах были предложены и нашли применение тепловые расходомеры с жидкостным теплоносителем, обычно водой. При этом в большинстве случаев вода охлаждает, а не нагревает измеряемое вещество.

Схема такого расходомера приведена на рис. Вода, расход которой Q_M поддерживается постоянным (например, с помощью напорного бака с переливом), проходит через тепло­обменник 4, охлаждая измеряемое вещество, протекающее через трубу 5. Теплоизоляционный кожух 6 защищает от внешнего теплообмена измерительный участок трубы 5 и теплообменник. На входе и выходе из последнего установлены термопреобразова­тели 3 и 2, контролирующие разность температур воды Т_В, а в начале и в конце измерительного участка — термопреобразова­тели 1 и 7, контролирующие разность температур Т измеряе­мого вещества. Из уравнения баланса тепла Q_c T = Q_mbc_b T_b находим массовый расход измеряемого вещества.

ЭДС дифференциальной термопары, контролирующей АТ₀, сравнивается с помощью автоматического компенсатора 8 с напря­жением на части r реохорда R_р, включенного в цепь дифферен­циальной термопары, контролирующей T Реверсивный двига­тель 10 перемещает движок реохорда R_р, пока сигнал на входе в усилитель 9 не станет равным нулю. Тогда получим r/R_р = = T_В/T следовательно,

Q_M = kr/R_р, где k — Q_Mb.

Большую чувствительность можно получить, если при­менять в качестве термопреобразователей полупроводниковые терморезисторы, включенные в две мостовые схемы, разность напряжений на выходе которых с помощью автоматического

1.2.2 Электромагнитные расходомеры

В основе электромагнитных расходомеров лежит взаимодействие движущейся электропроводной жидкости с ма­гнитным полем, подчиняющееся закону электромагнитной ин­дукции.

Основное применение получили такие электромагнитные рас­ходомеры, у которых измеряется ЭДС, индуктируемая в жидкости, при пересечении ею магнитного поля. Для этого в уча­сток 2 трубопровода, изготовленный из немагнитного материала, покрытого внутри неэлектропроводной изоляцией и помещенного между полюсами 1 та. 4 магнита или электромагнита, вводятся два электрода 3 и 5 в направлении, перпендикулярном как к напра­влению движения жидкости, так и к направлению силовых линий магнитного поля. Разность потенциалов Е на электродах 3 я 5.

1.2.3 Акустические расходомеры

Акустическими называются расходомеры, основан­ные на измерении зависящего от расхода того или другого эф­фекта, возникающего при проходе акустических колебаний через поток жидкости или газа. Почти все применяемые на практике акустические расходомеры работают в ультразвуковом диапазоне частот и поэтому называются ультразвуковыми.

Они разделяются на расходомеры, основанные на перемеще­нии акустических колебаний движущейся средой, и расходомеры, основанные на эффекте Допплера, появившиеся позже. Главное распространение получили приборы, основанные на измерении разности времен прохождения акустических колебаний по потоку и против него. Значительно реже встречаются приборы, в которых акустические колебания направляются перпендикулярно к по­току и измеряется степень отклонения этих колебаний от перво­начального направления. Приборы, основанные на явлении Доп­плера, предназначены в основном для измерения местной скорости, но они находят также применение и для измерения расхода. Измерительные схемы у них более простые.

Наряду с тремя указанными разновидностями ультразвуковых расходомеров имеются акустические расходомеры, получившие название длинноволновых, работающие в звуковом диапазоне частот акустических колебаний.

Ультразвуковые расходомеры обычно служат для измерения объемного расхода, потому что эффекты, возникающие при про­хождении акустических колебаний через поток жидкости или газа, связаны со скоростью последнего. Но путем добавления акусти­ческого преобразователя, реагирующего на плотность измеряе­мого вещества, можно осуществить и измерение массового рас­хода. Приведенная погрешность ультразвуковых расходомеров лежит в широких пределах от 0,1 до 2,5 %, но в среднем может быть оценена цифрами 0,5—1 %. Значительно чаще рассматривае­мые расходомеры применяют для измерения расхода жидкости, а не газа, вследствие малого акустического сопротивления по­следнего и трудности получения в нем интенсивных звуковых ко­лебаний. Ультразвуковые расходомеры пригодны для труб лю­бого диаметра, начиная от 10 мм и более.

1.2.4. Оптические расходомеры

Оптическими называются расходомеры, основанные на зависимости от расхода вещества того или другого оптического эффекта в потоке. Имеется несколько разновидностей этих при­боров:

1) допплеровские расходомеры, основанные на измерении разности частот, возникающей при отражении светового луча дви­жущимися частицами потока;

2) расходомеры, основанные на эффекте Физо—Френеля, в которых измеряется какой-либо параметр (сдвиг интерференцион­ных полос или сдвиг частоты световых колебаний), связанный с зависимостью скорости света в движущемся прозрачном веще­стве от скорости последнего;

3) расходомеры, основанные на особых оптических эффектах, например, зависимости оптических свойств фибрового световода от скорости обтекающего его потока;

4) расходомеры, основанные на измерении времени перемеще­ния на определенном участке пути оптической метки, введенной в поток;

5) корреляционные оптические расходомеры.

Иногда оптическими расходомерами называют приборы, опре­деляющие расход жидкости, вытекающей из емкости путем из­мерения оптическими методами высоты уровня в нем или же пу­тем измерения интенсивности выхода из емкости флуоресцирую­щих частиц, предварительно введенных в жидкость и распреде­ленных в ней равномерно.

Развитие основных разновидностей оптических расходомеров стало возможно после создания мощных и надежных оптических квантовых генераторов ОКГ, часто называемых лазерами, в связи с чем оптические расходомеры нередко называют лазер­ными.

Оптические расходомеры имеют много достоинств: высокие точность и быстродействие, отсутствие контакта с измеряемым веществом и ряд других. Они применяются для оптически про­зрачных жидкостей, к которым относятся вода, керосин, бензин, спирт, четыреххлористый углерод, растворы серной и азотной кислот, а также для газов.

Основные среди рассматриваемых оптических приборов — допплеровские. Они применяются главным образом для измерения местных скоростей жидкости и газа в различных исследователь­ских работах по изучению турбулентности, снятию поля скоростей и т. д. Для измерения расхода они применяются реже. Приборы же, основанные на эффекте Физо—Френеля, предназначены именно для измерения расхода. Оптические расходомеры и скоростемеры обычно применяются в трубах небольшого диаметра.

Допплеровские расходомеры и скоростемеры

Принцип действия допплеровских оптических и акустических (ультразвуковых) расходомеров и скоростемеров один и тот же. Эти приборы основаны на измере­нии разности частот ∆f, возникающей при отражении светового или звукового луча движущимися частицами потока. Поэтому и для оптических расходомеров справедливо с учетом того, что скорость света в измеряемом веществе равна с/п, где п — показатель преломления данного вещества, а от­ношение f/c = 1/λ, где λ — длина волны излучения в пустоте.

Расходомеры, основанные на эффекте Физо—Френеля

Скорость света в неподвижном прозрачном веществе равна с/п, где с — скорость света в пустоте, an — коэффициент преломления вещества. Скорость же света с_п в веществе, движу­щемся со скоростью v, зависит от величины и направления послед­ней. Скорость с_п больше с/п, если она совпадает сии меньше при противоположном направлении.

Особые оптические расходомеры

К особым оптическим расходомерам относятся при­боры, основанные на зависимости от расхода оптических свойств волоконного световода, находящегося в потоке измеряемого ве­щества. В одном из таких расходомеров неоново-гелиевый лазер 1 соединен с волоконным световодом 2, проложенным вдоль оси медной трубки 3 (диаметром 30 мм и длиной 500 мм), по которой движется измеряемая жидкость. Противоположный конец световода 3 со­единен с фотопреобразователем 4. Течение жидкости вызывает вибрацию волокон­ного световода, хотя и небольшую, но до­статочную для возникновения фазовых из­менений светового луча. Сигнал, выраба­тываемый фотопреобразователем 4, после усиления, фильтрации и интегрирования поступает к измерительному прибору. Расходомер прост по устройству, но его точность невысока.

Лучшую точность можно ожидать от преобразователя, состоящего из тон­кого стекловолокнистого световода 6, натянутого грузом 9 и распо­ложенного поперек трубопровода 7. Нить проходит через уплотнения 8 и укре­плена вверху в клеммодержателе 5. Ис­точник света — неоново-гелиевый лазер. При движении измеряемого вещества с обеих сторон нити будут поочередно срываться вихри с частотой, пропорциональной объем­ному расходу. Поэтому данный преобразователь можно рассмат­ривать, как один из возможных вариантов преобразователей вих­ревых расходомеров. Срывы вихрей вызывают вибрацию свето­вода и, как следствие, фазовую модуляцию проходящего через него светового луча, воспринимаемую фотодетектором. Опыты проводили на трубе диаметром 25 мм. Применялись световоды из стекловолокна, а также волокна из другого светопроводящего материала, имевшие диаметры внутренний 0,3 и 0,2 мм и наруж­ный с оболочкой 0,56 и 0,25 соответственно. При изменении ско­рости воды от 0,3 до 3,0 м/с наблюдалось пропорциональное изме­нение частоты выходного сигнала от 200 до 2200 Гц.