1 Расходомеры

Системы нагрева воды оснащаются устройствами регулирования расхода веществ, поступающих извне. Так, например, подача охлаждающего воздуха ведется по системе подачи воздуха, и является необходимым условием поддержания определенного температурного уровня. Поток воздуха ограничен, т. к. подача его в систему ведется под давлением. Поэтому необходимо учитывать регулировку его расхода.

Так как измеряемые вещества различны по своей структуре, свойствам и качествам, они требуют различных методов измерения. Так, например, для измерения газообразных веществ используются исключительно объемные методы, учитывающие нормальные условия эксплуатации: температура 20⁰ C (293,15 К), давление 760 мм рт. ст. (101325 H/м²), влажность 0. Поэтому необходимо подобрать расходомер оптимально подходящий под параметры системы.

Расходомеры могут использоваться, как измерители, так и в качестве первичного датчика в регуляторах расхода. Для выявления наилучшего датчика, который сможет подойти к системе рассмотрим классификацию расходомеров и приведенных на рисунке 1.

1. Пневматические расходомеры

Пневматические регуляторы имеют относительную простоту элементов, датчиков, усилителей и преобразователей; высокую надежность и компактность конструкции; возможность использо­вания в пожаро- и взрывоопасных производствах.

Приборостроительными заводами выпускается большое число разновидностей пневматических регуляторов, предназначенных для регулирования температуры, давления, расхода, уровня и других параметров различных веществ. Регуляторы выпускаются или с обычными для измерительных приборов устройствами для отсчета показаний и записи или выполняющими только функции автоматического регулирования. В последнее время широкое развитие получили пневматические регуляторы, представляющие собой системы взаимосвязанных унифицированных устройств.

Управляющим устройством серийно-выпускаемых регуляторов служат элементы, состоящие из дросселей постоянного и переменного проходного сечения; последние обычно выполняются в виде сопла и заслонки, предназначенных для преобразования измеряемой величины в давление воздуха, поступающего к исполнительному механизму или другому звену регулятора.

1. Приборы постоянного перепада давления

Расходомеры обтекания, относящиеся к расходомерам пос­тоянного перепада давления, нашли широкое применение в измере­нии расходов газов и жидкостей.

Рисунок 1.1 – Ротаметр.

Название приборов (расходомеры обтекания) связано с тем, что рабочая среда (газ или жидкость) обтекает чувствительный элемент прибора — поплавок.

Расходомеры обтекания имеют: высокую чувствительность; малую стоимость, незначительные потери давления; простоту конструкции и эксплуатации; возможность использования при из­мерении агрессивных жидкостей и газов, а также в тех случаях, когда невозможно использовать другие приборы измерения расхо­да.

Наиболее распространенным типом такого расходомера являет­ся ротаметр изображенный на рисуноке 1.1, который имеет расширяющуюся кониче­скую трубку 2 и поплавок 1. Шкала стеклянных рота­метров имеет 100 делений, а ротаметры с электриче­ским и пневматическим выходным сигналом имеют до­полнительно вторичные приборы для определения расхода.

В зависимости от пределов измерений поплавок изготовляют из эбонита, дюралюминия или нержавею­щей стали. По типу поплавок выполняется цельным или облегченным. Поплавок имеет нижнюю кониче­скую часть, среднюю — цилиндрическую и верхнюю со скошенным бортиком и направляющими канавками, которые служат для придания вращательного движе­ния поплавку, центрирующего его в измеряемом по­токе

Принцип действия ротаметров состоит в том, что гидродинамическое давление измеряемого потока среды воздействует снизу на поплавок и вызывает его вертикаль­ное перемещение Под действием перемещения поплавка из-за конусности трубки изменяется площадь проходного сечения между поплавком и трубкой, а перепад давления по обе стороны поплав­ка остается постоянным. Поэтому такие приборы называют рас­ходомерами постоянного перепада давлений.

Ротаметры выпускаются для местного измерения расхода без дистанционной передачи показаний, с электрической дистанционной передачей показаний без местной шкалы, с пневматической дистанционной передачей и местной шкалой показаний.

Ротаметры для местного измерения расхода представляет собой коническую трубку из стекла 6 закрепленную в металлических головках 1 и 5. Головки стянуты шпильками 2, образующими защитную решетку вокруг стекла. В трубке 3 свободно перемещается поплавок 4. Значение расхода отсчитывается по положению верхней кромки поплавка относительно шкалы. Ротаметр может работать только в вертикальном потоке.

Ротаметры выполняются со стеклянной или металлической трубкой.

Ротаметры со стеклянной трубкой изготовляются на давлении жидкости или газа, не превышающие 0.58 MH/m². При более высоких давлениях жидкости или газа, а также для измерения расхода пара применяются ротаметры с металлической трубкой.

Рисунок 1.2 – Ротаметр местного измерения расхода

Рассмотренные ротаметры имеют недостатки: невозможно регистрировать их показания и передавать на расстояние; шкалы приборов недостаточно четки. Ротаметры с металлической трубкой с электрической и пневматической передачей на расстояние не отличается от описанных измерительных устройств показывающих ротаметров .

Рота­метры типа РС-3а и РМ могут работать при температуре измеряемой среды 5—50 ⁰С и температуре окружающего воздуха 5—50 ⁰С, ротаметры типа РСС — при температуре соответственно (—40)—(т-100)° С и (—40)—(+40)° С. Ниж­ний предел измерения составляет 20% от верхнего, основ­ная погрешность -2,5%.

У ротаметров типа РМ в зависимости от предела измерения поплавок изготовляется из стали Х18Н9Т, анодированного дюралюминия, эбонита или титана. У ротаметров типа РСС, предназначенных для измере­ния расхода агрессивных сред, материал деталей, сопри­касающихся с измеряемой средой, — фторопласт 4 и химико-лабораторное стекло.

К основным преимуществам ротаметров можно отнести простоту конструкции, возможность измерения малых расходов, значительный диапазон измерения, возможность измерения расхода агрессивных сред. Величина потери напора от установки ротаметра не превышает 0.1 кгс/см² для жидкостей и 0.05 кгс/см² для газов. Недостатками ротаметров являются большая чувствительность к температурному изменению вязкости, необходимость градуировки на измеряемой среде или коррекции показаний, невозможность измерения расхода загрязненных жидкостей и жидкостей, из которых выпадают осадки. Ротаметры применяются для измерения небольших расходов жидкости и газа, имеющих незначительное давление.

1.1.2 Дифференциальные расходомеры.

Наиболее распространенными типами расходомеров переменного перепада давлений являются дифференциальные манометры следующих типов: поплавковые, сильфонные, мембранные, колокольные.

Сильфонные и мембранные дифманометры, имеющие небольшую инерционность и практически неограниченный верхний предел измерения, относятся к пружинным дифманометрам.

Мембранные измерительные устройства служат для восприятия импульса давления или перепада давления с верхними пределами измерения давления от 10 до 400 мм вод. ст. и от 40 до 1000 мм рт. ст.

Мембранные измерительные устройства выпускаются одномембранные (четырех модификаций УИМН-1, УИМС-1, УИМС-3 и УИМВ-2) и двухмембранные (одной модификации УИРУ-1). Схемы мембранных измерительных устройств приведены на рисунке 1.4.

Подвод импульса

а — УИМН-1; УИМС-1 и УИМС-3; б — УИМВ-2; в — УИРУ-1.

Рисунок 1.4 - Схемы мембранных измерительных устройств.

Мембранные измерительные устройства УИМН и УИМС применяются в различных регуляторах и предназначены для измерения давления, расхода и перепада давления неагрессивных газов и воздуха при температуре 5—60° С в пределах от 0,4 до 400 мм. вод. ст. при статическом давлении да 1000 мм вод. ст.

Измерительные устройства не рекомендуется использовать на давление, меньшее 20% верхнего предела измерения.

Мембранные измерительные устройства типов УИМН и УИМС отличаются друг от друга величиной эффективной площади мембраны и габаритными размерами.

Мембранные измерительные устройства УИМН-1, УИМС-1 и УИМС-3 могут быть снабжены пружинными задатчиками, которые служат для настройки регулятора на заданное значение регулируемого параметра и по­лучения надежного соприкосновения между мембранным измерительным устройством и управляющим устройством регулятора при пульсирующем импульсе.

Чувствительным элементом измерительных устройств типов УИМН и УИМС является плоская мембрана 1, выполненная из мембранного полотна (прорезиненной материи) толщиной 0,3—0,4 мм.

Мембрана расположена между фланцами крышек 2 и 3. Центральная часть резиновой мембраны зажата между двумя алюминиевыми дисками 4, которые образуют жесткий центр мембраны; в центре мембраны укреплена игла 5. Усилие, развиваемое мембраной, передается через иглу 7 на управ­ляющее устройство регулятора. Полный ход мембраны 0,7 мм.

При работе измерительного устройства некоторое количество газа из левой полости мембраны просачивается в окружающую среду; для сведения к мини­муму выпуска газа конструкция измерительного устройства может быть выполнена таким образом, что игла 5 будет проходить через две втулки, между которыми располагается отвод для выпуска газа в атмосферу .

Для удаления масла и влаги из внутренней полости мембраны, которые просачиваются от управляющего устройства через втулку 6, внизу крышки 2 имеется спускное отверстие, закрытое пробкой.

Для мембранного измерительного устройства среднего давления допу­стимое усилие, передаваемое на управляющее устройство, не превышает 2,5 кГ.

Измерительные устройства выполнены с горизонтально-поступательным движением выходного звена и устанавливаются на боковой стенке корпуса управляющего устройства регулятора.

Рисунок 1.5 Измерительное устройство низкого давления УИМН-1

3. Приборы переменного перепада давления

Для автоматического измерения расходов пара, газов и жидкостей используют различные типы расходомеров переменного перепада. Принцип действия таких приборов, объединенных общим методом измерений, основан на измерении перепада давления, образующегося в результате изменения скорости измеряемого потока на специальном сужающем устройстве, называемом диафрагмой.

При протекании жидкости или газа через сужающее устройство часть потенциальной энергии давления переходит в кинетическую энергию, при этом средняя скорость потока в суженном сечении повышается, а давление уменьшается. Таким образом, при протекании газа или жидкости образуется разность давлении до и после сужающего устройства. Разность этих давлений (перепад давлений) зависит от скорости (расхода) протекающего вещества. Величина перепада давлений измеряется специальными устройствами, называемыми дифференциальными манометрами. При прохождении реальных измеряемых сред через сужающее устройство возникают дополнительно такие физические явления, как потери давления на вязкое трение, изменение плотности и другие, которые соответствующим образом учитывают при расчетах сужающих устройств.

К стандартным сужающим устройствам относятся диафрагмы, сопла и трубки Вентури. Наиболее распространенным типом сужающих устройств являются диафрагмы дисковые нормальные типа ДДН и диафрагмы камерные нормального типа ДКН.

Нормальная диафрагма представляет собой круглый металлический диск с центральным концентрическим отверстием, диаметр которого строго соответствует выполненному расчету стандартного сужающего устройства