Завдання №22

1 Вимірювачі витрат для швидкісного напору.

1. Витратоміри змінного перепаду тиску. Будова, принцип роботи.

2. Витратоміри постійного перепаду тиску. Будова, принцип роботи.

3. Тахометричні витратоміри. Будова, принцип роботи.

4. Електричні витратоміри. Будова, принцип роботи.

5. Вихрові витратоміри. Будова, принцип роботи.

6. Коріолісові витратоміри. Будова, принцип роботи.

7. Кореляційні витратоміри. Будова, принцип роботи.

Витратою називають кількість речовини, яка проходить через поперечний переріз потоку (трубопроводу) за одиницю часу. Залежно від одиниці виміру кількості рідини витрати можуть бути об'ємними (м³/с) та масовими (кг/с).

Об'ємні витрати можна визначати через середню швидкість потоку V_сер та площу поперечного перерізу потоку . Технічні прилади, призначені для вимірювання масових чи об'ємних витрат, називають витратомірами.

За принципом вимірювання витратоміри поділяють на такі основні групи:

1. Витратоміри змінного перепаду тиску (витратоміри зі звужувальними пристроями), які перетворюють швидкісний напір потоку контрольованої речовини у перепад тиску.

2. Витратоміри постійного перепаду тиску (або витратоміри обтікання - це зокрема ротаметри, поплавкові, поршневі, гідродинамічні витратоміри), які перетворюють швидкісний напір потоку контрольованої речовини у зміщення обтічного тіла.

3. Тахометричні витратоміри (турбінні й об'ємні лічильники, кулькові витратоміри), які перетворюють швидкість потоку контрольованої речовини в кутову швидкість обертання обтічного елемента.

4. Ультразвукові витратоміри, які побудовані на ефекті захоплення звукових коливань рухомим середовищем.

5. Електромагнітні (індукційні) витратоміри, що перетворюють швидкість електропровідної рідини, яка рухається в магнітному полі, в електричний сигнал.

6. Теплові витратоміри (калориметричні, термоанемометричні), які побудовані на ефекті перенесення тепла рухомим середовищем від нагрітого тіла.

7. Витратоміри змінного рівня (щілинні витратоміри), що ґрунтуються на вимірюванні витрати за гідростатичним тиском стовпа рідини над нижньою кромкою зливного отвору, який має форму щілини певного профілю.

Вихрові витратоміри, що використовують залежність частоти пульсацій тиску у вихрових доріжках, які утворюються за гострими гранями розміщеної у потоці контрольованої речовини призми, від швидкості потоку контрольованого середовища.

9. Інерціальпі витратоміри (турбосилові, коріолісові, гігроскопічні), які ґрунтуються на інерційному впливі маси рідини, що рухається з лінійним чи кутовим прискоренням (вимірюють масову витрату).

10. Оптичні витратоміри, що побудовані на захопленні світла рухомим середовищем (ефект Фізо - Фрінелі) чи на розсіюванні світла рухомими частинками (ефект Доплера).

11. Міткові витратоміри (із тепловими, іонізаційними, магнітними, концентраційними, турбулентними та іншими мітками), які ґрунтуються на зміні швидкості чи стану мітки під час її проходження через два фіксо­вані перерізи потоку контрольованої речовини.

12. Іонізаційні витратоміри, які ґрунтуються на вимірюванні того чи іншого залежного від витрати ефекту, що виникає в результаті неперервної чи періодичної іонізації потоку газу або (рідше) рідини.

13. Ядерно-магнітні витратоміри, що побудовані на залежності яде­рно-магнітного резонансу від витрати потоку речовини.

14. Концентраційні витратоміри, які ґрунтуються на залежності кратності розбавлення речовини індикатора, що вводиться в потік, від витрати (суттєва перевага цього методу вимірювання витрати - для його застосування непотрібно знати розміри поперечного перерізу трубопроводу).

15. Кореляційні витратоміри, які ґрунтуються на залежності швидкості зміщення максимумів взаємної кореляційної функції двох параметрів потоку одного й того ж роду (густини, електропровідності, температури тощо), змінюваність яких має випадковий характер, у двох перерізах трубопроводу, розташованих на невеликій відстані.

В окрему групу можна виокремити різні витратоміри, використовувані для вимірювання кількості сипких і кускових матеріалів.

Розглянемо особливості конструкції та використання витратомірів, які набули найбільшого поширення у практиці технологічних вимірювань.

1. Для вимірювання витрат у процесах хімічної промисловості такі витратоміри використовують найчастіше. Це зумовлено властивими їм перевагами: простотою і надійністю; відсутністю рухомих елементів; легкістю серійного виготовлення; низькою вартістю, а також можливостями: використання майже за будь-яких температур і тисків, вимірювання практично будь-яких витрат, застосування для вимірювання витрат різних середовищ (рідин, парів, газів), отримання градуювальної характеристики витратомірів розрахунковим способом (для діаметрів трубопроводів 50 мм і більше) без використання дорогих витратовимірювальних метрологічних установок.

На рис. 1 показано ідеалізовану картину протікання речовини крізь діафрагму (а) і епюри тиску (б) та швидкості (в).

Рисунок 1 - Змінювання тиску р та швидкості потоку V під час проходження через діафрагму: 1 - трубопровід; 2 - діафрагма

Тиск струменя вздовж осі трубопроводу і тиск біля стінки змінюються майже однаково, за винятком ділянки перед діафрагмою і безпосередньо в ній (пунктирною лінією показано зміну по осі потоку). Тиск біля стінки труби безпосередньо перед діафрагмою дещо зростає (за рахунок зменшення швидкості в цьому місці).

Якщо швидкість в ідеальному випадку зберігається сталою то тиск за діафрагмою не досягає колишнього значення на величину тиску, яку називають безповоротною втратою тиску. Ця втрата тиску пов'язана з витратою частки енергії потоку на вихроутворення в «мертвих» зонах (здебільшого за діафрагмою) та на тертя.

Звужувальні пристрої поділяють на стандартні та нестандартні. До стандартних звужувальних пристроїв належать (рис. 2, а, б, в) стандартні діафрагми - дискові та камерні, стандартні сопла та труби Вентурі. Нестандартні звужувальні пристрої, до яких зокрема належать подвійні діафрагми, діафрагми з подвійним конусом, сегментні діафрагми, сопла у чверть круга, циліндричні сопла тощо, використовують в особливих умовах: у разі малих чисел Рейнольдса, малих діаметрів трубопроводів (менше 50 мм - за таких діаметрів трубопроводів різко зростає вплив шорсткості внутрішньої поверхні трубопроводу на коефіцієнт витрати), сильного забруднення контрольованих рідин тощо.

Рисунок 2 - Звужувальні пристрої: стандартна діафрагма (а); сопло ВА 1932 (б); труба Вентурі (в); труба Далла (г) та залежність коефіцієнта витрати а для діафрагм від числа Rе і модуля т (д); а, б, в,г:й- діаметр трубопроводу; сі - діаметр отвору звужувального пристрою.

Характерна особливість останніх двох різновидів стандартних звужувальних пристроїв, зображених на рис. 2, б, в, - менші ніж для діафрагми безповоротні втрати тиску за одного й того ж значення модуля ш звужувального пристрою: якщо на діафрагмі вони досягають 50...70 % від утворюваного на звужувальному пристрої перепаду тиску , то на соплах - 40...60 %, а на трубах Вентурі - 10... 15 %. Подібна тенденція спостерігається й щодо точності вимірювання: якщо похибка вимірювання діафрагм зазвичай перевищує 1,5 %, то для двох останніх звужувальних пристроїв вона становить близько 0,5 %.

Вибираючи найбільш доцільний тип звужувального пристрою, слід враховувати особливості застосування окремих типів цих пристроїв.

Стандартні діафрагми. Завдяки простоті та дешевизні виготовлення стандартні діафрагми залишаються основним типом звужувальних пристроїв для середніх і великих діаметрів (аж до 1000 мм). А для чисел Rе > 10 вони зі стандартних звужувальних пристроїв єдино припустимі, так само, як і для вимірювання витрати вологої насиченої пари. Але їх не слід застосовувати в разі малих діаметрів позаяк < 125 мм у результаті вимірювання з'являється похибка від затуплення вхідної кромки діафрагм. Взагалі діафрагми варто застосовувати тоді, коли похибкою від затуплення можна знехтувати впродовж усього міжвивірювального періоду.

Крім того, діафрагми, особливо із фланцевим відбором тисків, зі зростанням відносного діаметра звужувального пристрою сильно обмежують можливість вимірювання витрати в потоках з малими числами Rе.

Сопла 18А 1932. В інтервалі значень діамеирів від 50 до 300.. .400 мм ці сопла можуть забезпечити більшу точність вимірювання, ніж діафрагми, через меншу похибку від шорсткості трубопроводу та відсутність похибки від затуплення вхідної кромки, а для газу та пари - ще й завдяки меншій похибці коефіцієнта розширення. У паропроводах високого тиску, у які звужувальні пристрої вварюються, якщо діаметр < 500 мм, завжди застосовують сопла.

Труби Вентурі З усіх звужувальних пристроїв труби Вентурі єдино застосовні до діаметрів 1200 мм . У межах чисел Rе від 2∙10⁵ до 2∙10⁶ труби Вентурі варто рекомендувати для широкого застосування, особливо для вимірювання витрат рідини. Втрата тиску із застосуванням труб Вентурі істотно менша порівняно з іншими звужувальними пристроями, особливо для малих діаметрів за яких втрата тиску в стандартних діафрагмах і соплах, а також у соплах Вентурі різко зростає. Крім малої втрати тиску, вони потребують у багато разів менших, ніж інші пристрої, довжин прямих ділянок трубопроводу перед та після звужувального пристрою, і мають малу похибку коефіцієнта витікання С (С = 0,7 %). Але для вимірювання витрати газу та пари застосування труб Вентурі доцільне лише в разі обмежених швидкостей (менших за 10...20 м/с).

Виготовлюють також сопла Вентурі, однак їх застосування дуже обмежене. У разі потреби мати малу втрату тиску краще застосовувати труби Вентурі (менші прямі ділянки, краща точність, простіші у виготовленні), а у всіх інших випадках сопла Вентурі поступаються соплам І8А 1932.

Різновидом труби Вентурі є труба Далла (рис. 2, г), яка забезпечує більш високий перепад тиску (більше ніж у два рази) та менші втрати тиску. Вона коротша за трубу Вентурі, тому застосовується там, де для встановлення труби Вентурі бракує місця.

2. Найпоширеніші серед витратомірів постійного перепаду - ротаметри (рис. 3), яким властиві конструктивна простота (зокрема, з дистанційним передаванням сигналу), висока чутливість і, як наслідок, можливість вимірювання малих витрат та застосування для вимірювання витрат агресивних середовищ, сталість відносної похибки, незначні втрати тиску.

У разі зміщення поплавка через конусність трубки змінюється площа прохідного перерізу (кільцевого зазору) між поплавком ротаметра та внутрішньою стінкою конічної трубки. Це змінює перепад тиску по обидва боки поплавка, а отже, й піднімальну силу, що діє на поплавок.

а б в

Рисунок 3 - Схеми перетворювальних елементів витратомірів обтікання: ротаметрів з конічною трубкою (а) та конічною вставкою (б), поплавкових (в)витратомірів

Для запобігання можливому тертю поплавка зі стінкою трубки в його верхньому ободі зроблено під кутом прорізи, які змушують поплавок обертатись і самоцентруватись у потоці контрольованої речовини.

Розглянемо сили, що діють на поплавок (рис. 3 а). Зверху вниз на поплавок діє сила тяжіння поплавка в контрольованій речовині. Знизу вверх на поплавок діють три сили: 1) різниця статичних тисків перед поплавком р₂ і після нього р₁, яка формує піднімальну силу; 2) динамічний тиск потоку; 3) сила тертя .

У стані рівноваги означених сил поплавок «зависає» у потоці на певній висоті, якій відповідає певна площа поперечного перерізу кільцевого каналу (остання визначає опір, який чинить поплавок потокові, а отже, й відповідну витрату енергії на подолання цього опору, тобто перепад тиску). Зі зміною витрати контрольованої речовини відповідно змінюється піднімальна сила поплавка і рівновага сил порушується. Залежно від співвідношення сил поплавок зміщуватиметься вверх або вниз.

У ротаметрах зі скляними трубками (застосовують для тиску до 0,6 МПа), які використовуються для вимірювання витрат прозорих рідин або газів, поділки шкали наносять безпосередньо на трубку.

Для вимірювання витрат у технологічних потоках у системах автоматичного керування застосовують поплавкові витратоміри, споряджені перетворювальними пристроями з електричним чи пневматичним вихідними сигналами (рис. 4).

а б

Рисунок 4 - Схема витратомірів обтікання з електричним (а) та пневматичним (б) перетворювачами сигналів: а: 1 - плунжер; 2 - котушка; З - трубка із немагнітного матеріалу; 4 - поплавок; 6:1- внутрішній магніт; 2 - зовнішній магніт; 3 - сопло; 4 - сильфон зворотного зв'язку; 5 – поплавок.

У першому з них (рис 4, а) разом з обтічним тілом (поплавок 4) переміщується плунжер 1 диференціально-трансформаторного перетворювача, котушку 2 якого надіто на трубку 3 з немагнітного матеріалу.

Переміщення поплавка пневматичного перетворювача (рис. 4, б) спричиняє переміщення внутрішнього магніту 1, що, у свою чергу, переміщує зовнішній магніт 2, який є заслінкою, відносно сопла 3.

Вади, що обмежують використання цих витратомірів: вони потребу­ють переградуйовування для кожної нової вимірюваної речовини, непри­датні для вимірювання великих витрат, не існує наукових принципів їх взаємозамінності та розрахункового градуювання.

3. Це найбільш точні засоби для вимірювання витрати (серійно випускаються витратоміри з класами точності 0,25-0,5, однак відомі турбовитратоміри класу 0,1-0,2). За принципом дії тахометричні витратоміри поділяють на швидкісні (турбінні), кулькові, роторно-кульові та камерні (об'ємні) лічильники.

Камерні лічильники. Камерні лічильники відраховують кількість речовини, що проходить крізь них, окремими, однаковими за об'ємом дозами, які потім підсумовуються. Дія цих лічильників ґрунтується на витискуванні певних об'ємів контрольованої речовини з вимірювальної камери лічильника обертовими тілами спеціальних профілів, поверхні яких взаємно обкочують одна одну. Для вимірювання кількості рідини використовують лічильники з овальними шестернями (рис. 5, а), а для вимірювання кількості газів - із роторами лемніскатної форми (рис. 5, б).

а б

Рисунок 5 - Схеми об'ємних лічильників для рідин (а) та газів (б).

Для зменшення тертя між торцевими поверхнями шестерен і стінками вимірювальної камери шестерні встановлюють на горизонтальних осях.

Овальні шестерні обертаються не зовсім рівномірно, тому залежність об'єму витісненої речовини від кута повороту шестерень нелінійна. Для усування нелінійності застосовують компенсувальний привід.

Серійно випускаються лічильники таких калібрів (діаметр умовного проходу вхідного патрубка - в міліметрах): 15, 20, 25, 30, 32,40, 50, 60, 80, 100, 125, 150, 200, 250 мм із границями вимірювання 0,01...250 м³/год. Для правильного вибору об'ємного рідинного лічильника необхідно знати також характеристики вимірюваної рідини (в'язкість, схильність до кристалоутворення, тиск, температуру).

До об'ємних лічильників належать також лопатеві.

Серед особливостей використання об'ємних лічильників слід назвати потребу в якісній фільтрації вимірюваного середовища від домішок, а також високий рівень акустичного шуму, який спричиняють обертові елементи.

Турбінні (швидкісні) лічильники. Швидкісні витратоміри мають обертові ЧЕ у вигляді аксіальних або тангенціальних турбінок (останні іноді називають крильчатками), які приводяться в обертання потоком речовини, що протікає через них. Лопаті аксіальних турбінок розміщені на гвинтовій лінії, а вісь обертання збігається з віссю потоку (рис. 6., а); вісь обертання тангенціальних турбінок перпендикулярна до напряму потоку, а прямі лопаті розташовані радіально відносно осі (рис. 6, б).

а б

Рисунок 6 - Швидкісні лічильники з аксіальною (а) і тангенціальною (б) турбінками:

1 - струмененапрямляч; 2 - турбінка; 3 - механічний лічильний пристрій; 4 - передавальний механізм; 5 – опори.

Принцип дії швидкісних лічильників: кількість обертів турбінки п за одиницю часу пропорційна середній швидкості потоку, який проходить через турбінку.

Застосовують також фотоелектричні тахометричні перетворювачі, побудовані на появі пульсаційної електричної напруги в колі фотоелемента в результаті переривання обертовою турбінкою променя світла, що падає на фотоелемент. Частота пульсацій напруги в колі фотоелемента пропорційна частоті обертання турбінки. Зазвичай випромінювач, який працює у видимій (електролампочка) ділянці (для непрозорих рідин використовують інфрачервоний випромінювач або виносять обтюраторний диск для переривання променя світла назовні), і фотоелемент розміщують по різні боки турбінки та відокремлюють від вимірюваної речовини прозорим склом. Для отримання високої частоти фотоструму використовують різні засоби, зокрема кінематично зв'язані з обертовою турбінкою обтюраторний диск, зубчасте колесо або лопаті самої турбінки.

Лічильники з аксіальною турбінкою виробляють для труб з діаметрами 4...750 мм і діапазоном вимірювання витрат 0,03... 1600 м³/год; класи точності - 0,5; 1; 1,5; 2. Лічильники з тангенціальними турбінками використовують за невеликих (зазвичай до 50 мм) діаметрів труб для вимірювання малих витрат (верхня границя вимірювання - 3.. .30 м /год).

Вади тахометричних витратомірів: зношуваність опор і лопатей (тому вони непридатні для вимірювання речовин, які містять механічні домішки), залежність показань від в'язкості, а отже, й температури контрольованої речовини (до того ж зі збільшенням в'язкості речовини діапазон лінійності характеристики зменшується). Утім, не менш суттєвими є й переваги: швидкодія, висока точність і великий діапазон вимірювання.