ВИТРАТОМІР

- прилад, яким вимірюють витрату речовини. В. для рідин, пари або газів бувають змінного перепаду тиску (найпоширеніші), обтікання (ротаметри, поршневі та ін.), тахометричні (турбінні, кулькові), силові (гіроскопічні - див. Гіроскоп, коріолісові - див. Коріоліса сила), теплові, електромагнітні, акустичні, оптичні та ін. Дія В. змінного перепаду тиску грунтується на залежності між витратою речовини і перепадом тиску, що виникає у звужуючому пристрої (напр., діафрагмі, соплі), встановленому в контрольованому потоці. Витрату сипких речовин вимірюють конвейєрни-ми вагами. В. застосовують для контролю й обліку речовин при їх вироблянні і споживанні, в наук. дослідженнях тощо.

________________________________________________________________________________

Витратомір (рос. расходомер; англ. flowmeter; нім. Verbrauchsmesser m, Durchflussmesser m) — пристрій або устаткування для вимірювання витрат в однофазних потоках рідини (нафти, води тощо) чи газу або сипкої речовини.

Переважна більшість витратомірів використовуються для визначення витрат рідин, значно менше існує конструкцій для вимірювання потоків газу. Оскільки система вимірювання витрати зазвичай показує миттєве значення витрати, то для визначення кількості рідини, що пройшла трубопроводом за певний відтинок часу, необхідно, витратомір об'єднати з лічильником. Таким чином, загальний об'єм речовини, що пройшов через витратомір, визначається інтегруванням по часу миттєвих значень витрати у послідовні моменти.

______________________________________________________________________________

(Витратоміри змінного перепаду тиску

Витратоміри змінного перепаду тиску залишаються найбільш розповсюдженим типом витратомірів до сьогоднішнього часу. Домінування витратомірів цього типу на українських газовимірювальних станціях часто призводить до небажаних наслідків. Вимірювальні пристрої, які засновані на методі змінного перепаду тиску, мають недостатньо високу точність (похибка вимірювання складає близько ±1,0 %). На газовимірювальних станціях додаткова похибка вимірювання внаслідок забруднення трубопроводу виявляється одночасно в основній і дублюючій системах, представлених витратомірами змінного перепаду тиску, тому що вони зазвичай працюють на одному звужувальному пристрої. Виявити додаткову похибку в таких умовах вдається тільки за допомогою контрольної системи, що працює на безконтактних витратомірах. Таким чином, гостро постає питання про розроблення і впровадження витратовимірювальних засобів, заснованих на альтернативних методах вимірювання витрати, зокрема методах, що реалізують безконтактні схеми вимірювання.

Витратомір постійного перепаду тиску

Витратоміри постійного перепаду тиску або ротаметри застосовуються для вимірювання витрат однорідних потоків чистих і слабозабруднених рідин і газів, що протікають. по трубопроводах і не схильних до значних коливань.

Ротаметр являє собою довгу трубку конічну, встановлену вертикально, уздовж якої під дією рухомого знизу вгору потоку переміщається поплавець. Поплавець переміщається до тих пір, поки площа кільцевого отвори між поплавцем і внутрішньою поверхнею конусної трубки не досягне такого розміру, при якому перепад тиску по обидві сторони поплавця не стане рівним розрахунковому. При цьому діючі на поплавок сили врівноважуються, а поплавець встановлюється на висоті, що відповідає певному значенню або шкалі витрати.)

ВИТРАТОМІР ЗА ПОСТІЙНИМ ПЕРЕПАДОМ ТИСКУ, (рос. расходомер постоянного перепада давления; англ. constant differential pressure meter; нім. Durchflüssmesser m des konstanten Druckunterschiedes m) – витратомір рідини або газу з перетворювальним елементом у вигляді поплавка; площа прохідного отвору трубки в ході його переміщення по вертикалі, яке викликане зміною витрати, змінюється таким чином, що перепад тиску залишається постійним.

ВИТРАТОМІР ЗА ЗМІННИМ ПЕРЕПАДОМ ТИСКУ, (рос. расходомер переменного перепада давления; англ. alternate differential pressure meter; нім. Durchflussmesser m des variablen Druckgefälles n, Durchflussmesser m des variablen Druckunterschiedes m) – об'ємний витратомір рідини або газу, в якому витрата визначається за перепадом тиску, що утворюється нерухомим пристроєм, який встанов-люється у трубопроводі, або є елементом трубопроводу.

ВИТРАТОМІР ВЕНТУРІ, (рос. расходомер Вентури; англ. Venturi meter; нім. Venturimesser m) – витратомір трубчастого типу, витрата рідини яким вимірюється за зміною тиску в трубках з різним прохідним поперечним перерізом.

Застосування

У нафтовидобуванні частіше за все застосовують об’ємні і тахометричні витратоміри, а для вимірювання витрат газу — витратоміри перепаду тиску. Дія об’ємних В. основана на вимірюванні часу заповнення об’єму мірної ємності або на обрахунку порцій вимірюваної речовини камерою певного об’єму. В іншому випадку витрата визначається як сума об’ємів порцій, що віднесені до контрольного проміжку часу відліку. В тахометричному витратомірі вимірюється частота обертання чутливого елемента (найчастіше турбінки, іноді диска або кульки тощо), що встановлений у каліброваному каналі, напр., у трубі. Для вимірювання витрати та об’єму товарної нафти, а також води використовується прилад, що кріпиться на горизонтальній ділянці трубопроводу, а чутливим елементом його є турбінка, вісь якої обертається в підшипниках. Характеристикою витратоміра є допустима мінімальна та максимальна витрати рідини, при якій досягається необхідна точність. Витратомір змінного перепаду тиску складається із звужувального пристрою (найчастіше діафрагма), який створює у струмені рідини або газу перепад тиску, величина якого залежить від величини витрати, і диференційного манометра, який вимірює цей перепад і проградуйований в одиницях витрати.

Витратомірне сопло (рос. расходомерное сопло; англ. flow nozzle; нім. Durchflüssmesserdüse f) – частина витратоміра, яка являє собою звужувальний пристрій з круглим отвором, що має плавно звужену частину на вході.

______________________________-________________________________________________-___

Диференціальний манометр, дифманометр - прилад для вимірювання перепаду тисків. Застосовується для вимірювання рівня рідин в резервуарах під тиском або витрати рідини, газу і пари за допомогою діафрагм методом вимірювання перепаду тиску на сужающем пристрої. Називається також датчиком різниці тисків.

По пристрою розрізняються:

рідинні дифманометри (трубні, поплавкові, кільцеві і дзвіниці), в яких вимірювання здійснюється по висоті стовпа рідини

механічні дифманометри (мембрані і сильфонні), в яких вимірювання здійснюється за пружною деформації чутливого елемента.

Сильфони. Сільфон - тонкостінна циліндрична оболонка з поперечними гофрами, здатна отримувати значні переміщення під дією тиску або сили. У межах лінійності статичної характеристики сильфона ставлення діючої на нього сили до викликаної нею деформації залишається постійним і називається жорсткістю сильфона. Для збільшення жорсткості всередині сильфона часто поміщають пружину. Сильфони виготовляють з бронзи різних марок, полутомпакі, вуглецевої сталі, нержавіючої сталі, алюмінієвих сплавів і ін Серійно виробляють безшовні та зварні сильфони діаметром від 8-10 до 80-100 мм і товщиною стінки 0,1-0,3 мм.

Мембрани. Розрізняють пружні та еластичні (мляві) мембрани. Пружна мембрана - гнучка кругла плоска (плоска мембрана) або гофрована (гофрована мембрана) пластина, здатна отримати прогин під дією тиску (рис. 4.3, е, ж). Статична характеристика плоских мембран змінюється нелінійно зі збільшенням тиску, тому тут в якості робочої ділянки використовують невелику частину можливого ходу. Гофровані мембрани можуть застосовуватися при великих прогинах, ніж плоскі, так як мають значно меншу нелінійність характеристики. Мембрани виготовляють з різних марок сталі, бронзи, томпаку, латуні і т. д.

_________________________________________________________________________________

Електромагнітний витратомір

Електромагнітний витратомір — витратомір, принцип дії якого побудований на явищі електромагнітної індукції, у відповідності з яким при протіканні електропровідного середовища (наприклад, вода — середовище з іонною провідністю, провідник другого роду) у магнітному полі, у ньому індукується електрорушійна сила (ЕРС) Е, що пропорційна до середньої швидкості середовища V та індукції B магнітного поля:

де k — безрозмірний коефіцієнт, що визначається геометричними і конструктивними параметрами первинного перетворювача (а);

l — відстань між електродами, зазвичай при діаметрально протилежному розміщенні відповідає внутрішньому діаметру труби (l = Dу).

Принцип роботи

Принципова схема електромагнітного витратоміра

Принципова схема витратоміра електромагнітного типу показана на рисунку. У стінки патрубка діаметрально протилежно в одному поперечному перерізі введені електроди 1. До електродів підключено високочутливий електровимірювальний прилад, шкала якого проградуйована в одиницях швидкості або одиницях витрати. Патрубок, що вмонтований у трубопровід, по якому рухається електромагнітна рідина розміщений у магнітному полі, що створюється котушками індуктивності (індукторами) 2.

Принципова схема електромагнітного витратоміра

Патрубок витратоміра виготовляють з електроізоляційного матеріалу: фторопласту, поліетилену, ебоніту, гуми та інших матеріалів в залежності від властивостей вимірюваної рідини.

Витратомір із сталим магнітним полем

Відомо, що у рухомому провіднику, що перетинає силові лінії постійного магнітного поля, індукується електрорушійна сила, величина якої описується наведеною вище формулою.

Врахувавши, що l = Dу і виразивши швидкість через об'ємну витрату для трубопроводу круглого перерізу:

.З цієї формули випливає, що при однорідному магнітному полі ЕРС прямо пропорційна об'ємній витраті.

Отже, електромагнітний витратомір є по суті генератором, у якому провідником, що рухається в магнітному полі, служить електропровідна рідина. Провідність рідини повинна бути не нижчою за 10-5...10-6 См/м і не вищою за 10 См/м.

Основні і суттєві недоліки електромагнітних витратомірів із сталим магнітним полем: це виникнення на електродах гальванічної ЕРС та ЕРС поляризації, що вносять значні похибки у значення ЕРС на електродах. У зв'язку з цим витратоміри із сталим магнітним полем використовують при вимірюваннях витрат рідких металів та пульсуючих потоків, коли поляризація не встигає зробити суттєвого впливу.

Витратомір із змінним магнітним полем

У випадку змінного магнітного поля, якщо воно змінюється з частотою f, то ЕРС для трубопроводів круглого перерізу описується рівнянням

.

де: — амплітудне значення магнітної індукції;

— циклічна частота.

При змінному магнітному полі електрохімічні процеси роблять менший вплив, ніж при постійному. Для боротьби із завадами від зовнішніх електричних ланцюгів застосовують екранування, а для виключення індукційної похибки використовують дві пари індукторів магнітні поля яких протилежно спрямовані, що приводить до компенсації додаткової ЕРС взаємоіндукції.

Переваги

Електромагнітні витратоміри мають низку переваг:

майже повна безінерційність приладу, що дуже важливо для вимірювання витрат, що швидко змінюються при використанні їх у складі систем автоматичного регулювання;

на результат вимірювань не впливає наявність завислих часток у рідині і бульбашок газу;

покази витратоміра не залежать від властивостей контрольованої рідини (в’язкості, густини) і характеру потоку (ламінарний, турбулентний);

при відповідному підборі матеріалу із застосуванням антикорозійного та інших покриттів електромагнітні витратоміри можна застосовувати для вимірювання витрати агресивних рідин, а також рідин і паст з абразивними властивостями;

на основі лінійної залежності наведеної ЕРС від витрати шкала приладу є лінійною;

цим витратомірам властивий достатньо широкий діапазон вимірювання витрат;

перетворювачі електромагнітних витратомірів не мають рухомих елементів та звужень.

Недоліки

До недоліків електромагнітних витратомірів слід віднести необхідність компенсації завад, що виникають при змінному полі у колі електродів, а також неможливість вимірювання витрат газів і рідин з малою електропровідністю (спирти, мастила, бензин та інші легкі нафтопродукти). Неприпустимо застосовувати електромагнітні витратоміри поблизу електросилових пристроїв, які утворюють сильні електромагнітні поля, а також для потоків рідини із завислими феромагнітним частками.

Через складність підсилення сталих напруг витратоміри з постійним магнітним полем використовують дуже рідко.

­Датчики вимірювання перепадів тиску

Вентурі-метри

Принцип дії витратомірів цього типу заснований на ефекті Вентурі. Вентурі-витратомір звужує потік рідини в деякому пристрої, і датчики тиску вимірюють різницю тисків перед вказаним пристроєм і безпосередньо в місці звуження. Цей метод вимірювання витрати широко використовується при транспортуванні газів по трубопроводах, і використовувався ще за часів Римської імперії.

дискова діафрагма

Iso 5167 Дискова діафрагма

Діафрагма представляє собою диск з наскрізним отвором, вставлений в потік. Дискова діафрагма звужує потік, і різниця тисків, яка вимірюється перед і після діафрагми, дозволяє визначити витрату в потоці. Цей тип витратоміра можна грубо вважати однією з форм Вентурі-метрів, проте має більш високі втрати енергії. Існує три типи дискових діафрагм: концентричні, ексцентрикові і сегментальний.

трубка Піто

Витратоміри на основі трубки Піто вимірюють динамічний тиск в застійної зоні потоку (англ.).

За допомогою рівняння Бернуллі, і знаючи динамічний тиск, можна визначити швидкість потоку, а значить, і об'ємний витрата (Q = SV, де S - площа поперечного перерізу потоку, V - середня швидкість потоку).

З декількома отворами і датчиком тиску

З декількома отворами і датчики тиску (також називається вплив зондів) розширити теорію трубки Піто в більш ніж одному вимірі. Типовий датчик впливу складається з трьох або більше отворів (залежно від типу датчика) вимірювальний наконечник розташовують за певною схемою. Детальніше отвори дозволяють прилад для вимірювання напрямку швидкості потоку на додаток до своєї величиною (після відповідної калібрування). Три отвори розташовані в лінію дозволяють датчики тиску для вимірювання вектора швидкості в двох вимірах. Введення більш отворів, наприклад, п'ять отворів розташованих в "плюс" освіта, що дозволяють вимірювати тривимірного вектора швидкості.

Витратомір змінного перепаду тиску

Витратоміри змінного перепаду тиску (поплавцево-пружинні, з поворотною лопаттю) - об'ємні витратоміри рідини або газу, в якому витрата визначається за перепадом тиску, що утворюється нерухомим пристроєм, який встановлюється у трубопроводі, або є елементом трубопроводу. Їх робота базується на вимірюванні змін статичного перепаду тиску контрольованого середовища, що проходить крізь штучно звужений сегмент требопроводу. Витратомір змінного перепаду тиску складається із звужувального пристрою (найчастіше діафрагма), який створює у струмені рідини або газу перепад тиску, величина якого залежить від величини витрати, і диференційного манометра, який вимірює цей перепад і відградуйований в одиницях витрати.

Витратоміри змінного перепаду тиску отримали широке розповсюдження як в промислових, так і в експериментальних вимірах завдяки властивим даному способу вимірювання переваг, до яких слід віднести:

порівняно високу точність вимірювання;

зручність і універсальність методу;

можливість, вимірювання будь-яких витрат (при деяких обмеженнях) рідини, пари та газу, що знаходяться при різних температурах і тиску;

легкість серійного виготовлення приладів.

До недоліків даного методу вимірювання слід віднести:

деяку втрату енергії потоку;

відносну складність промислового застосування при малих витратах речовини, в пульсуючих потоках і потоках речовини, що містить сторонні домішки, а також потоках речовини, що знаходиться при параметрах, близьких до рівноважних.

Метод змінного перепаду тиску

Метод змінного перепаду тисків використовується для вимірювання витрат газових середовищ. Він застосовується за наявності відомих значеннь абсолютного тиску і температури. За цими вимірюваннями розраховується густина газового середовища в робочих умовах. Проста реалізація первинного перетворювача, швидке вимірювання абсолютного тиску і його перепадів - основна перевага данного методу. Завдяки високим метрологічним характеристикам стало доступним вимірювання, проте, у вузьких діапазонах.

Принцип роботи

Принцип дії витратомірів заснований на тому, що якщо в трубопроводі, по якому протікає речовина, встановлюють пристрій, що створює місцеве звуження потоку, то внаслідок переходу частини потенційної енергії тиск у кінетичну середню швидкість потоку у звуженому перетині підвищується, в результаті чого статичний тиск в цьому перерізі стає менше статичного тиску перед звуження потоку. Різниця тисків (перепад тиску) тим більше чим більше витрата речовини. Отже, перепад тиску може служити мірою витрати речовини.

Робочою формулою вимірювання витратомірів данного типу в загальнову вигляді є: