Глава 4. Приборы для измерения расхода и количества веществ

Измерение расхода и количества веществ в пищевой промышленности осуществляется как на стадии приёмки сырья, так и для межцехового учета, а также при приготовлении различных смесей.

Приборы, измеряющие массу или объем вещества, протекающего через него в единицу времени, называются расходомерами. Массовый расход измеряется в кг/с, кг/ч, а объемный – в м³/с, м³/ч.

Приборы, измеряющие массу или объем вещества, протекающего через них в течение какого-либо промежутка времени, носят название счетчиков. Измерение осуществляется в кг или м³ /л.

Счетчики по принципу действия подразделяются на объемные и скоростные.

Расходомеры можно классифицировать следующим образом:

-расходомеры гидравлического сопротивления, измеряющие расход по перепаду давления, создаваемого сужающими устройствами, и работающие в комплекте с дифманометрами-расходомерами;

-постоянного перепада;

-индукционные расходомеры;

-расходомеры, основанные на других физических принципах.

Расходомеры могут быть снабжены интегратором (счетной приставкой) для определения массы или объема вещества, прошедшего через прибор за определенный промежуток времени. Таким образом, они могут быть использованы в качестве счетчиков.

4.1. Расходомеры переменного перепада давления.

Наиболее распространенным методом измерения расхода жидкостей, пара, газов является метод переменного перепада давления (гидравлического сопротивления). Он основан на измерении потенциальной энергии вещества, протекающего через местное сужение в трубопроводе. В качестве сужающих устройств используют диафрагмы и сопла (рис. 4.1.1).

Рис. 4.1.1

Диафрагма представляет собой тонкий диск с отверстием , центр которого находится в центре трубопровода. При установке диафрагмы перед ней происходит сужение потока жидкости. Пройдя диафрагму, поток продолжает сужаться (по инерции) до минимального сечения , после чего, постоянно расширяясь, заполняет все пространство трубопровода. Перед диафрагмой и после нее образуются зоны завихрения.

Перед сужением давление потока возрастает, затем падает, снижаясь до минимальной величины на меньшем сечении струи. В дальнейшем давление достигает почти первоначального значения, отличаясь от него на величину , вызванной трением и завихрениями потока.

Таким образом, при прохождении потока через диафрагму происходит переход части энергии из потенциальной в кинетическую. При этом скорость потока возрастает, а давление падает. Разность давлений и является мерой расхода протекающей через диафрагму среды.

В соплах, конфигурация которых повторяет характер сжатия струи (особенно сопло Вентури), потери на завихрение существенно ниже, а, следовательно, меньше и остаточная потеря давления .

На рис. 4.1.1 выделены два сечения: I – до сужения и II – в месте максимального сужения струи. Из общего уравнения сохранения энергии

можно представить:

(уравнение Бернулли).

Принимая во внимание уравнение неразрывности струи

и учитывая, что плотность вещества до и после сужающего устройства остается постоянной ( ), получим:

; ;

.

Скорость в месте максимального сужения:

.

Объемный расход:

.

Представим:

,

где –коэффициент степени сжатия струи;

m–модуль сужающего устройства, .

Тогда:

,

где – разность давлений, измеренных непосредственно у торцов сужающего устройства.

Обозначив , получим:

.

Массовый расход:

.

Коэффициент расхода зависит, как это экспериментально установлено, от , и числа Рейнольдса, т.е.:

Для газов и паров необходимо учитывать изменение плотности при изменении давления.

При этом принимают, что процесс сжатия и расширения протекает адиабатически (без выделения тепла).

,

где –показатель адиабаты.

Для определения объема и массового расхода вещества в формулах вводится коэффициент .

; (4.1.1)

. (4.1.2)

На основе полученных уравнений определяют диаметр условного прохода сужающего устройства и параметры дифманометров.

Из рассмотренных выражений для и можно сделать вывод, что между расходом и перепадом существует квадратичная зависимость, графически изображаемая параболой.

Это приводит к тому_, что при малых расходах от предельных значений существенно возрастает погрешность измерений.

Шкала прибора получается неравномерной. Для ее линеаризации в звене передаточного механизма дифманометров применяют профильное лекало, что позволяет получить равномерную шкалу во всем диапазоне измерений.

Выражения (4.1.1) и (4..1.2) можно представить в следующем виде, принимая расход в часах:

;

,

где –диаметр сужающего устройства.

Это выражение справедливо при измерении расходов газов.

Если измеряемая среда – жидкость или газ, который может конденсироваться, то .

Как уже отмечалось, на выбор параметров сужающего устройства влияет число , которое можно выразить в виде:

,

где – динамическая вязкость, – кинематическая.

При меньших значениях увеличиваются силы трения. При малых значениях не происходит сужение струи, которое начинается лишь при . С возрастанием сужение увеличивается до .

Зависимость исходного коэффициента расхода (значение, принятое в первом приближении) от модуля диафрагмы и числа представлена на графике рис. 4.1.2.

При значениях измерений производить нельзя. В диапазоне необходимо вводить поправку на вязкость.

Рис. 4.12

Оптимальным является условие во всем диапазоне измерений.

В качестве сужающих устройств используются нормальные и специальные диафрагмы и сопла.

Нормальные диафрагмы изготовляются в соответствии с установленными требованиями и не требуют индивидуальной градуировки.

Кромка диафрагмы должна быть острой и расточена под углом 30– 45°.

Отбор давлений осуществляется либо с помощью кольцевых камер, либо через отдельные отверстия.

Модуль диафрагмы (при ): , толщина ее не должна превышать . Материал диафрагмы: для воды – латунь, бронза; для водяного пара – сталь X17 и X18Н9Т.

При камерном отборе давлений обеспечивается выравнивание, что позволяет получить более высокую точность измерений. Сужающие устройства устанавливают в трубопроводах таким образом, чтобы обеспечивался линейный участок до места их установки и после до .

Помимо стандартных диафрагм в качестве сужающих устройств применяются стандартные сопла для измерения расхода перегретого пара, а также агрессивных жидкостей. Их применение целесообразно при . По сравнению с диафрагмами они менее чувствительны к коррозии, загрязнению и обеспечивают более высокую точность измерений.

При условии, что и мм, они могут применяться без индивидуальной градуировки. Профильная часть сопла должна выполняться с плавным сопряжением дуг.

Конструкция сопла Вентури аналогична обычному соплу. Отличие составляет непосредственный переход цилиндрической части в коническую. При этом имеется две его модификации: длинная и короткая. В первой коническая часть заканчивается диаметром трубопровода, во второй .

Отбор давления осуществляется кольцевой камерой с группой радиальных отверстий.

Применяют сопла Вентури в случаях, когда потери давления на трение и завихрение играют существенную роль.

В практике иногда необходимо измерять расход при малых значениях . Как уже отмечалось, применение дисковых диафрагм, а также и сопел не позволяет осуществить такие измерения.

Решить этот вопрос возможно с применением так называемых сдвоенных диафрагм, сопла с профилем «четверть круга» и диафрагмы с двойным скосом.

Установка двух диафрагм способствует возникновению в сужающем устройстве турбулентного режима. Это позволяет осуществлять измерения при значительно меньших, чем у дисковых диафрагм. Здесь также меньше потери давления на трение. Расчет ведется по наименьшему диаметру.

Сопло «четверть круга» обеспечивает постоянство числа Re в достаточно широком диапазоне. Применяются также диафрагмы с двойным скосом.

Для определенных жидкостей и влажных газов применяются так называемые сегментные диафрагмы, представляющие собой кольцо с вырезанными в нижней части сегментам. Такая конструкция позволяет исключить образование осадка и конденсата перед сужающим устройством.

Дифманометры, работающие в комплекте с диафрагмами и соплами, выбираются на предельный перепад из следующего ряда: 1,0; 1,6; 2,5; 4,0; 6,310ⁿ. Максимальный расход жидкости должен отвечать следующему ряду чисел: 1,0; 1,25; 1,6; 2,0; 2,5; 3,2; 4,0; 5,0; 6,3; 8,0 и т.д.