1 Приборы для измерения расхода жидкости

Контроль за расходом реагентов в химиче­ских производствах позволяет правильно вести технологический процесс, учитывать материальные потоки готовой продукции и полуфабрикатов. Автоматическое регу­лирование расхода необходимо для стабилизации непрерывного технологического процесса и поддержания в заданных пределах различных величин, определяющих протекание процесса (концен­трации реагентов, рН и др.).

Все приборы для измерения расхода могут быть разделены на две группы: расходомеры с воспринимающим элементом в потоке (контактные) и без воспринимающего элемента в потоке (бескон­тактные). Такое деление имеет первостепенное значение при выборе типа расходомера, предназначенного для работы в условиях агрессивной, токсичной, радиоактивной, вязкой или другой специфической среде.

1.1 Классификация датчиков расхода жидкости

На рисунке 1.1 представлена классификация датчиков расхода жидкости:

Рисунок 1.1 – Классификация датчиков расхода жидкости

К первой группе относятся расходомеры переменного и посто­янного перепада, щелевые, скоростные, объемные.

Ко второй группе относятся тепловые, ультразвуковые и радио­активные расходомеры. К ним же условно можно отнести и элект­ромагнитные расходомеры, электроды которых в двух точках контактируют со средой.

1.1.1 Контактные расходомеры. Расходомеры переменного перепада или расходомеры с сужающими (дроссельными) устройствами. Соплом расходомера называется сужающее устройство с круглым отверстием, имеющим плавно сужающуюся часть на входе и цилиндрическую часть на выходе. Отбор давления производится в угловой части.

Рисунок 1.2 – Схемы стандартных сопел

Рассматриваемый метод основан на использовании энергетических закономер­ностей, определяющих зависимость кинетической энергии потока и его скоро­сти от физического состояния среды. Согласно уравнению Бернулли в стацио­нарных свободных потоках сумма кинетической и потенциальной энергий положения и давления вдоль потока постоянна.

Отбор давлений в диафрагме произ­водится через отверстия или через кольцевые камеры. Дроссельное устрой­ство может иметь несколько видов отбора, но при этом отверстия должны быть расположены в разных осевых плоскостях, чтобы исключить взаимное влияние давлений. Диаметр отверстий для отбора должен быть минимальным. От­верстия до и после диафрагмы должны иметь одина­ковые диаметры и острые кромки, определяющие форму потока в диа­фрагме. Струя сужается за кромкой, причем ко­эффициент сужения оказы­вает большое влияние на коэффициент расхода.

Рисунок 1.3 - Конструкции стандартной диафрагмы:

1–диафрагма с фланцевым отбором давления; 2–диафрагма с угловым

от­бором давления; 3–диафрагма с отбором типа Vena–Contracta;

L–варьируемое расстояние; e – длина цилиндриче­ской проточки.

Нормальное сопло Вентури состоит из входной части, являющейся измери­телем рас­хода, и соединенного с ней диффузора, в котором восстанавлива­ется исход­ное давление. Обе части соединены между собой цилиндрической вставкой, исключающей обратное воздействие диффузора на вход­ную часть. Диффузор – расходящаяся коническая труба, располагаю­щаяся после самого узкого сечения сужающего устройства. Классическая труба Вентури состоит из соединенных между собой конусных и цилинд­рических отрезков труб, что исключает трудно изготовляемую скруглен­ную по форме сопла входную часть.

Рисунок 1.4 - Стандартное сопло Вентури и труба Вентури

Существует также метод динамического напора, в котором для измерения расхода в контролируемый по­ток помещают не­большое напорное устройство. Расход определяется измерением распределения скоростей потока в контроли­руемом сечении и последующим интегрированием по площади сечения.

Примером устройства, осуществляющего данный метод, является напорная трубка Прандтля.

Рисунок 1.5 - Напорная трубка Прандтля

Она представляет собой тело вращения, ук­репленное на рукоятке, через которую проходят импульс­ные ка­налы. Напорные трубки обла­дают универ­сальностью и простотой конструкции.

Щелевые расходомеры. Применяются для измерения расхода жидкос-

тей, в том числе и агрессивных, протекающих при атмо­сферном давления, применяются щелевые расходомеры.

Рисунок 1.6 – Схема датчика щелевого расходомера:

1- датчик; 2 – измерительная щель; 3 – напорная трубка; 4 – трубка к

манометру; 5 – ротаметр; 6 – дроссель.

Работа расходомера основана на измерении гидростатического напора столба жидкости, свободно вытекающей из открытого сосуда через отверстие (щель) специальной формы. Для получе­ния линейной шкалы в единицах расхода ширина щели b должна изменяться в зависимости от уровня Н по закону гиперболиче­ского характера:

(1.1)

При изменении расхода высота слоя жидкости (рисунок 1.6) над основанием щели 2 изменяется. Так же изменяется гидроста­тический напор, измеряемый при помощи напорной трубки 3, через которую непрерывно продувается воздух. Давление в трубке 3 пропорционально напору Hqg (H — высота столба жидкости перед щелью, q — плотность жидкости, g — ускорение силы тяжести), а следовательно, и мгновенному массовому расходу жидкости. Величина гидростатического напора в трубке 3 изме­ряется манометром, давление к которому подается по трубке 4.

Для правильной работы прибора необходимо исключить вли­яние скоростного напора жидкости и воздуха в напорной трубке 3. Для этого напорная трубка устанавливается в широкой трубе, где поток успокаивается. Влияние скоростного напора воздуха исключается пропуском через дроссель 6 минимального количе­ства воздуха, которое контролируется ротаметром 5.

Для изготовления деталей щелевого расходомера материалы выбираются II зависимости от свойств жидкости. Так, для расхо­домеров серной кислоты применяется свинец листовой, литой свинец, фаолит и нержавеющая сталь.

Расходомеры постоянного перепада. В рассмотренных ранее расходомерах переменного перепада отверстие в сужающем устройстве остается постоянным, а изме­няется с изменением расхода перепад давлений до и после сужа­ющего устройства. В расходомерах постоянного перепада, наобо­рот, перепад давлений при любом расходе остается постоянным, а отверстие сужающего устройства изменяется в зависимости от расхода. Достигается это тем, что поплавок пли ротор 2 (рисунок 7), помещенный в коническую трубу 1, под действием потока поднимается и устанавливается в том месте, где сила разности трубу 1, под действием потока

поднимается и устанавливается в том месте, где сила разности (перепада) давлений, действующая на поплавок, уравновесится постоянным весом поплавка в измеряемой жидкости. Таким об­разом, перепад давлений остается постоянным. Кольцевое сечение между ободком поплавка и стойкой конической трубы увеличи­вается по мере подъема поплавка. Каждому значению расхода со­ответствует строго определенное положение поплавка. На ободке поплавка имеются наклонные канавки, напоминающие лопатки гидравлических турбин. Сила реакции потока по выходе из канавок заставляет вращаться поплавок-ротор, который центрируется в трубе. Это исклю­чает трение его о стенки трубы.

Рисунок 1.7 – Схема расходомера постоянного перепада (ротаметра):

1 – коническая труба(стеклянная или металлическая); 2 –поплавок(ротор).

Расходомеры постоянного перепада изготовля­ются различных конструкций, например, в виде ротаметров, которые бывают показывающими и с дат­чиком передачи показаний па расстояние.

Применяются ротаметры для измерения расхода жидкостей и газов.

Приборы выпускаются с калибром присоеди­няемых патрубков 6, 16 и 44 мм. Верхний про­дел для газов 0,06—25 м/ч, а для жидкостей 2,5—3000 л/ч. Класс точности приборов 2,5.

На рисунке 1.8 показано устройство ротаметра типа РЭД с электрическим индуктивным датчиком. Датчик представляет собой катушку 3 с сердечником 4, же- стко связанным с поплавком 2. Ротаметр присоединяется к вторичному прибору четырехжильным кабелем с помощью четырехштырькового разъ­ема 6. Электрическая часть прибора защищена от попадания в нее измеряемой среды разделительной трубкой 5, выполненной из немагнитного материала и прива­ренной к корпусу прибора.

Скоростные расходомеры. Принцип действия скоростных или турбинных расходомеров заключается в следующем. В измеряемый поток помещается хорошо сбалансированная легкая крыльчатка или турбинка, которая вращается в подшип­никах, обладающих малым трением. Кинетическая энергия потока заставляет вращаться крыльчатку со скоростью, пропорциональ­ной скорости потока. Конструктивно крыльчатка выполняется аксиальной или тангенциальной.

Рисунок 1.8 – Ротаметр с электрическим датчиком типа РЭД:

1 – коническая трубка; 2 – поплавок (ротор); 3 – катушка индуктивного

датчика; 4 – сердечник; 5 - разделительная трубка; 6 – четырехштырьковый

разъем.

Измерение скорости вращения крыльчатки производится, раз­личными способами: механическим, электромагнитным, фото­электрическим или радиоактивным.

При помощи турбинных расходомеров измеряется объемный расход жидкости. Для измерения массового расхода турбинные расходомеры должны снабжаться датчиками плотности и соответ­ствующими корректирующими устройствами.

Объемные расходомеры. Принцип действия объ­емных расходомеров заключается в том, что под давлением измеряемого потока рабочий (измерительный) орган движется циклически, от­меряя за каждый цикл определенный объем. Чис­ло циклов (объемов) отме­чается счетным устрой­ством, которое покапывает, сколько вещества прошло за данный отрезок време­ни. Для определения мгновенного расхода рабочий орган соединяется со спе­циальным устройством, которое измеряет скорость передвижении рабочего органа.

Объемные расходомеры в зависимости от типа ра­бочего органа разделяются на поршневые, дисковые, ротационные, шестерен­чатые и т. п.

Под давлением потока (рисунок 1.9, а) поршень 7 расходомера поднимается вверх, вытесняя жидкость из верхней полости при­бора. В крайнем верхнем положении поршень пере­ключает кран 2, вследствие чего поток направляется и верхнюю полость, до­ступ его в нижнюю по­лость прекращается и жид­кость из нее вытесняется. В крайних положениях поршня происходит пере­ключение крапа и сраба­тывание счетного устрой­ства.

Рисунок 1.9 – Объемные расходомеры:

а–поршневой; б–ротационный; в–шестеренчатый.

1 – поршень; 2 – кран; 6 – лопасть; 7 – пружины; 8 – ротор; 9 – овальные

шестерни.

Кроме клапанных объемных счетчиков для измерения расхода жидкости применяются также ротационные счетчики типа PC и барабанные типа ГСБ. Ротационные счетчики (рисунок 1.9, б) обладают большой пропускной способностью (100—600 м³/ч), а барабанные - малой (0,16—0,4 м³/ч). Давление потока па лопасти заставляет вращаться ротор 8, который расположен эксцентрично по отношению к статору прибора. Лопасти, следуя своим внешним краем по стенке статора, одновременно перемещаются но радиальным пазам ротора. Прижатие лопастей к стопкам статора обеспечи­вается пружинами 7. При вращении ротора отмериваются объемы, заключенные между двумя соседними лопастями. Скорость вра­щения ротора зависит от скорости потока, т. е. от расхода жидко­сти.

В расходомере с овальными шестернями (рисунок 1.9, в) поток измеряемой жидкости поступает в прибор через входной патрубок. В зависимости от положения шестерен каждая из них поочередно является то ведущей, то ведомой. В положении, изображенном на рисунке, ведущей является правая шестерня, которая отсекает объем, показанный двойной штриховкой. Всего за один цикл отсекается четыре таких объема. Вращение одной из шестерен передается счетному механизму.

Шестеренчатые расходомеры могут применяться для различ­ных жидкостей, в том, числе вязких.

При соответствующем выборе материала объемные расходомеры применяются для агрессивных жидкостей.

1.1.2 Бесконтактные расходомеры. Специфические свойства веществ, участвующих в процессах,. химической технологии (взрываемость, токсичность, подверженность коррозии и т. п.), вызывают необходимость применения защитных средств при использовании расходомеров. Это услож­няет приборы и понижает точность измерения. Приходится созда­вать новые приборы, в которых отсутствовал бы контакт воспри­нимающего элемента с измеряемой средой.

Электромагнитные (или индукционные) расходомеры. Они применяются для измерения рас­хода электропроводных агрессивных жидкостей. Действие элек­тромагнитного расходомера основано на том, что при движении в магнитном поло сплошной электропроводной жидкости в ней согласно закону электромагнитной индукции будет наводиться э. д. с.

Рисунок 1.10 – Схема электромагнитного расходомера:

1 – постоянный магнит; 2 – труба; 3 – электрод; 4 – электроизмерительный

прибор.

Электромагнитный расходомер (рисунок 1.10) состоит из трубы 2, по которой протекает жидкость, помещенная в магнитное поле магнита 1. Труба изготовляется из немагнитного материала. По диаметру трубы встроены электроды 3, изолированные от тру­бопровода.

Возбуждающее магнитное поле может быть как постоянным, так и переменным. При постоянном магнитном поло со променом наступает поляризация электродов, что нарушает градуировку прибора. В случае переменных магнитных полей основные затруд­нения заключаются в устранении наведенных магнитным полем в жидкости паразитных э. д. с. Тогда применяют две пары элек­тродов, включаемых по дифференциальной схеме; полезные сиг­налы складываются, а паразитные вычитаются.

Тепловые расходомеры. Тепловой метод измере­ния расхода заключается в том, что количество тепла, поглоща­емого движущейся средой от какого-либо внешнего источника, связано функциональной зависимостью со скоростью движения среды.

На участке трубы (рисунок 1.11) длиной около 300 мм распола­гают снаружи нагревательную обмотку 2, а по обе стороны от нее — обмотки термометров сопротивления 2. Все это устройство заключают в чехол 4. Жидкость, проходя через нагретый участок, отводит часть тепла. Поэтому температура после нагре­вателя будет выше, чем до нагревателя. Разность температур является функцией расхода и практически не зависит от темпе­ратуры жидкости и окружающей среды. Термометры сопроти­вления 2 включаются в мостовую схему и являются двумя ее плечами. Другими двумя плечами служат постоянные сопроти­вления R₁ и R_n. Измерительным прибором 3, включенным в диаго­наль моста, служит милливольтметр или электронный потенцио­метр.

Расходомеры применяют на трубо­проводах от 1 до 200 мм для наме­рения расходом жидкостей при высо­ких давлениях, вязких, агрессивных и ядовитых жидкостей, а также жид­костей, содержащих твердые частицы или пузырьки газа. В промышленности находят приме­нение схемы с измерением мощности нагрева при постоянной разности тем­ператур или переменного расстояния между термоприемниками. В последнее время в этих расходомерах исполь­зуют полупроводники, имеющие боль­шой температурный коэффициент. По­грешность измерения колеблется от ± 1 до ±4%.

Рисунок 1.11 – Схема теплового расходомера:

1 – нагревательная обмотка; 2 – термометры сопротивлений;

3 – электроизмерительный прибор; 4 – чехол.

Ультразвуковые расходомеры. В основу устройства ультразвуковых расходомеров положена способность ультразвуковых колебаний менять скорость распространения в движущейся жидкой среде. Разность фаз между исходным коле­банием и колебанием, прошедшим через движущуюся среду, является мерой скорости потока.

Рисунок 1.12 – Принципиальная схема ультразвукового расходомера:

1, 2 – пьезоэлементы; 3 – переключатель; 4 – электронный усилитель;

5 - высокочастотный генератор; 6 – фазочувствительный блок;

7 – показывающий прибор.

Принципиальная схема расходомера приведена на рисунке 1.12. На гуммированной металлической трубе укреплены пьезоэлементы, один из которых в каждый данный момент является излучате­лем, а другой приемником. Электрические колебания частотой 300 кгц от генератора поступают к излучающему пьезоэлементу, который преобразует их в ультразвуковые колебания, напра­вляемые к потоку через стенку трубопровода. Переключатель 3 обеспечивает передачу звука то по потоку, то против потока. После прохождения среды колебания усиливаются и поступают попеременно с частотой переключения 10 Гц па вход фазочувствительного блока. На выходе этого блока получаются напряжения, пропорциональные смещениям по фазе между исходными коле­баниями и колебаниями, прошедшими через движущуюся среду.

Верхний предел измерения таким расходомером — 7000 л/ч. Погрешность измерения не более ±2%.

Широкого распространения эти приборы пока не получили, серьезным недостатком их является сравнительная сложность аппаратуры.

Таблица 1.1 – Технические характеристики ультразвуковых расходомеров

Тип	Диаметр трубопровода, мм	Верхний предел измерений, м³/с
УЗР-В-0,4	400	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,8	1
УЗР-В-0,6	600	0,25	0,5	0,75	1	1,25	1,5	2	2,5
УЗР-В-0,8	800	0,5	1	1,5	2	2,5	3	4	5
УЗР-В-1,0	1000	1	2	3	4	5	6	8	10

Радиоактивные расходомеры. Приборы этого типа применяются только для измерения расхода газа. Метод, положенный в основу устройства радиоактивных расходомеров, называется методом меченых молекул.

В различных приборах измерение расхода производится по амплитуде и частоте сигнала или времени прохождения метки с потоком. Такой способ используется в описыва­емом приборе (рисунок 1.13).

Здесь следящая си­стема поддерживает время прохождения метки посто­янным за счет передвиже­ния контейнера-модуля­тора радиоактивного ве­щества. С контейнером связана стрелка прибора. Контейнер-модулятор 1 располагается вблизи тру­бопровода. Поток излуче­ний прерывается (модулируется) таким образом, что он периодически пронизывает тру­бопровод только на короткие промежутки времени. Вследствие этого внутри трубопровода создаются ионизированные участки среды, так называемые метки или пакеты, которые переносятся вместе с потоком газа.

Рисунок 1.13 – Принципиальная схема радиоактивного расходомера:

1–контейнер-модулятор; 2–электроды приемника; 3–электронный

усилитель; 4–измеритель времени; 5-реверсивный двигатель.

Электроды приемника 2, установленные по потоку, фиксируют момент прохождения ионизированного пакета, а измеритель 4 отсчитывает время между моментом создания, пакета и прохождения его мимо приемника. Если скорость потока изменится, то измерителя времени 4 на управляющую обмотку реверсивного двигателя 5 подается напряжение. Реверсивный двигатель пере­двигает в соответствующую сторону контейнер-модулятор 1 и свя­занную с ним стрелку прибора до тех пор, пока время прохожде­ния метки не будет равным интервалу, заданному измерителем времени. Погрешность измерения радиоактивными расходомерами нахо­дится в пределах от ±2 до ±3%.