6.Контроль расхода

6.1Физический смысл понятий «расход» и «количество»

Расходом вещества называется количество вещества, прохо­дящее через данное сечение канала в единицу времени.

Количество вещества выражают в единицах объема или массы [1]. Основной единицей объема жидкости (газа) принимается кубический метр (м³). Основной единицей массы жидкости (газа) принимается килограмм (кг). Количество жидкости (газа) с равной степенью точности может быть измерено и объемным и массовым методом, т.к. плотность жидкости (газа) при определенной температуре является величиной постоянной, характерной для каждой данной жидкости (газа).

Для твердых сыпучих тел пользуются понятием насыпной или объемной массы. Насыпная масса твердого сыпучего материала не имеет для данного вещества постоянного значения, она зависит от размера и количественного содержания частиц различной величины в об­щей массе сыпучего материала. Поэтому для получения более точных результатов при измерении количество сыпучего мате­риала определяется взвешиванием.

Приборы, измеряющие расход, называются расходомерами. Эти приборы могут быть снабжены счетчиками (интеграторами), тогда они называются расходомерами-счетчиками. Такие приборы позволяют измерять расход и количество вещества.

Выпускаются следующие типы расходомеров и счетчиков количества:

• Расходомеры переменного перепада давления.

• Турбинные расходомеры жидкости:

- турбинные расходомеры с механическим счётным механизмом;

- турбинные расходомеры с индукционным узлом съёма сигнала.

• Ультразвуковые расходомеры жидкости.

• Электромагнитные расходомеры жидкости.

• Вихревые расходомеры жидкости:

- с индуктивным преобразователем сигнала;

- с электромагнитным преобразователем сигнала;

- с ультразвуковым преобразователем сигнала.

• Расходомеры постоянного перепада давления (ротаметры).

• Кориолисовы расходомеры.

6.2 Основные принципы измерения расхода

Принципы измерения расхода основаны:

 На возникновении перепада давлений на установленном внутри трубо­провода сужающем устройстве. Разность статических давле­ний до и после сужающего устройства (перепад давлений), измеряемая диффе­ренциальным манометром, зависит от расхода протекающего вещества и служит мерой расхода. Этот принцип применяется в расходомерах переменного перепада давления.

 На перемещении чувствительного элемента (поплавка), уста­новленного в вертикальной конической расширяющейся трубке (через нее снизу вверх подается вещество, расход которого измеряется). При измене­нии расхода жидкости, газа или пара поплавок перемещается вверх, изме­няя проходное сечение между поплавком и внутренними стенками трубки. Высота подъема поплавка функционально связана с величиной расхода веще­ства. Перепад давления на поплавке при перемещении его вдоль оси трубки остается практически постоянным. Этот принцип применяется в расходомерах постоянного перепада давления (ротаметрах).

 На зависимости между расходом протекающего по трубопроводу вещества и изме­ренным напорной трубкой динамическим (скоростным) напором. Если напорная трубка располагается по оси трубопровода, то расход Q (в м³/ч) определяется из уравнения. Этот принцип применяется в расходомерах скоростного напора.

 На изменении высоты уровня жидкости в сосуде при непрерывном поступлении и свободном истечении ее из сосуда через отверстие в случае изменения рас­хода жидкости. Расходомеры переменного уровня состоят из приемника – цилиндрического или прямоугольного сосуда с круглым отверстием (диафрагмой) в дне для истече­ния, либо с щелевым отверстием для истечения в боко­вой поверхности сосуда – и любого стандартного измерителя уровня. Этот принцип применяется в расходомерах переменного уровня.

 На изменении пропорциональной объемному расходу ЭДС, индуктиро­ванной в потоке электропроводной жидкости под действием внешнего магнит­ного поля. Этот принцип применяется в индукционных (электромагнитных) расходомерах [6].

6.3 Метод переменного перепада давления.

Является самым распространенным и изученным методом измерения расхода жидкости, пара и газа.

При проходе потока через сужающее устройство (рис) часть потенциальной энергии потока переходит в кинетическую, поэтому статическое давление после сужающего устройства становится меньше давления перед сужающим устройством. Разность давлений до и после сужающего устройства тем больше, чем больше расход протекающего вещества. Следовательно, перепад давления может служить мерой расхода.

Из графика видно, что после сужающего устройства давление резко падает, а затем постепенно возрастает до нового установившегося значения. Однако оно не достигает исходного значения из-за потери части энергии на трение и завихрения потока в зонах, прилегающих к поверхности сужающего устройства. Величина безвозвратных потерь давления равна р_n. Перед сужающим устройством давление несколько возрастает за счёт сжатия потока.

Минимальное давление р₂ наблюдается на некотором расстоянии от сужающего устройства.

Для реализации этого метода разработаны стандартные сужающие устройства - диафрагмы, сопла и трубы Вентури (рис. ), характеристики которых можно определить расчётным путём.

Конструкция последних двух наиболее приближена к форме струи потока, их профиль повторяет профиль изменения давления вдоль трубы, поэтому безвозвратные потери давления у них наименьшие.

Диафрагма имеет в сечении вид шайбы с заостренной кромкой. Простота конструкции и монтажа диафрагмы обусловили их наибольшее распространение.

При измерении расхода по методу переменного перепада давлений протекающее вещество должно целиком заполнять все сечение трубопровода и сужающего устройства, поток в трубопроводе должен быть практически установившимся, фазовое состояние веществ не должно изменяться при прохождении через сужающее устройство (жидкость не должна испаряться, пар должен оставаться перегретым и т. п.). Для установления зависимости расхода вещества от перепада давлений, возникающего на сужающем устройстве, используют практические зависимости [3]:

объемный расход,

массовый расход,

В качестве дифманометров обычно используются преобразователи разности давлений типа "Сапфир".

6.4 Тахометрические (турбинные)расходомеры

На слайде представлена упрощённая схема турбинного расходомера. Турбинка вращается под действием набегающего потока. Частота вращения пропорциональна скорости потока. Расходомер работает только на чистом газе или жидкости. Поток должен быть ламинарный (для этого перед замерным узлом ставят спрямляющий участок, длина которого L≥10d, d – диаметр трубопровода).

Рекомендуется также использовать струевыпрямитель, который ставят перед расходомером (слайд) Струевыпрямитель изготавливается из трубок, расположенных параллельно оси трубопровода и заполняющих всё его сечение.

Турбинные расходомеры жидкости с индукционным узлом съёма сигнала. Частота вращения турбинки преобразуется вэлектрический сигнал в индукционном преобразователе, в котором возникает ЭДС индукции при пересечении лопаткой турбинки магнитного поля преобразователя. Далее электрическийсигнал передаётся в электронный блок, где преобразуется в значения расхода и количества прошедшей через расходомер жидкости.

В ряде расходомеров в электронном блоке осуществляется кусочно-линейная интерполяция характеристики расходомера, чем достигается уменьшение основной погрешности за счёт линеаризации градуировочной характеристики. На вид характеристики турбинного расходомера сильно влияет изменение кинематической вязкости измеряемой жидкости, поэтому результаты градуировки на воде не вполне достоверны, если измеряемая жидкость имеет большую кинематическую вязкость.