Лекция по теме «Измерение расхода и массы веществ»

4.1  Классификация расходомеров

         Расход вещества  — это масса или объем вещества, проходящего через средство измерения в единицу времени. Различают объёмный расход, который  выражается в «м³/с» и   массовый – «кг/с». Расход, выраженный в этих единицах, называется мгновенным расходом, а приборы для измерения такого расхода —  расходомерами. Приборы, предназначенные для измерения массы или объема вещества, проходящего в течение любого промежутка времени (сутки, месяц, год) называются счетчиками, а измеряемый ими расход суммарным.

По принципу действия расходомеры можно разделить на следующие основные группы:

• тахометрические, измеряющие расход по частоте вращения чувствительных элементов, помещенных в поток измеряемой среды;
• напорные, измеряющие расход по скорости потока в одной или нескольких точках поперечного сечения канала или трубопровода;
• обтекания (постоянного перепада давления), измеряющие расход путём дросселирования потока подвижным сужающим устройством, которое обтекается измеряемой средой;
• переменного перепада давления, измеряющие расход путём дросселирования потока сужающим устройством постоянного поперечного сечения, которое устанавливают в трубопроводе;
• электромагнитные или индукционные, измеряющие расход по ЭДС, индуцируемой электропроводной жидкостью, пересекающей магнитное поле расходомера;
• ультразвуковые, измеряющие расход по изменению параметров звуковых колебаний в движущейся среде;
• калориметрические, измеряющие расход по разности температур, создаваемой в потоке посторонним источником теплоты;
• вихревые – измеряющие расход по частоте колебаний давления среды, возникающих в потоке в процессе вихреобразования;
• кориолисовые, измеряющие расход по значению добавочной силы инерции, называемой Кориолисовой силой.
• расходомеры сыпучих материалов, измеряющие усилие, которое возникает при действии на сыпучий материал гравитационного поля;

4.2 Тахометрические расходомеры

    Тахометрические расходомеры применяются для  измерения мгновенного и суммарного расхода жидкости или газа. Как правило имеют отсчетное устройство, расположенное на корпусе, а также выходной электрический сигнал. Наибольшее распространение получили   камерные и  турбинные  расходомеры и  счетчики.

Камерные расходомеры представляют один или несколько подвижных элементов, отсекающих при своем движении определенные объемы жидкости или газа.  Наиболее распространены счетчики жидкости с овальными шестернями и ротационные счетчики газов.

Счётчик жидкости с овальными шестернями  состоит из двух одинаковых овальных шестерен, вращающихся под действием перепада давления жидкости, протекающей через его корпус (рис. 4.1, а). За один полный оборот шестерен отсекаются четыре дозирующих объема. Учет жидкости основан на отсчете числа оборотов шестерен.  Счётчики предназначены для измерения количества чистых жидкостей без механических примесей (бензина, масла, конденсата и т.п.). Диапазон расходов от 0,8 до 36 м³/ч, класс точности 0,5 и 1,0.

Ротационные счётчики газов предназначены для измерения больших объёмов газа. Счётчик состоит из кожуха, внутри которого вращаются на параллельных горизонтальных валах роторы (рис. 4, б). Валы роторов связаны зубчатыми колёсами, находящимися вне кожуха. От одного из валов вращение передаётся счётному механизму. Шарико — или роликоподшипники валов, а также зубчатые колёса находятся в масляных ваннах и заключены в картеры.

За один оборот обоих роторов объём газа, прошедшего через счётчик, равен объёму измерительной камеры прибора. Ротационные счётчики применяют для измерения расхода газа от 40 до 10000 м ³/час. Погрешность измерения составляет ±2,5%. Счётчик допускает кратковременную перегрузку до 30 %.

Рисунок 4.1 Тахометрические  счетчики.

Основные достоинства  камерных расходомеров состоят в высокой точности и сходимости результатов, надежности, разнообразии конструктивных вариантов исполнения. К недостаткам следует отнести наличие подвижных деталей, необходимость технического обслуживания, применение приводит к уменьшению напора.

 В турбинных расходомерах чувствительным элементом является вращающаяся под действием потока жидкости или газа турбинки (рис. 4.1,в).

Объёмный расход жидкости связан со средней скоростью движущегося потока соотношением

где  v_ср. – средняя скорость движения вещества, м²/с; S – площадь поперечного сечения потока, м².

Количество жидкости, прошедшей через прибор, пропорционально частоте вращения турбинки, которая расположена на пути потока. Полагают, что частота вращения турбинки пропорциональна средней скорости потока, т.е. , а с учётом предыдущего уравнения

где  n —  частота вращения турбинки;  с – коэффициент пропорциональности, характеризующий механические и гидравлические свойства прибора.

По форме турбинки счётчики разделяются на две группы: с винтовой и лопастной турбинкой. Винтовые турбинки располагают параллельно измеряемому потоку, лопастные – перпендикулярно ему.      К достоинствам турбинных счетчиков следует отнести высокую точность и быстродействие,  простоту установки и конструкции, низкую стоимость. Недостатками являются   наличие подвижных частей, необходимость регулярной калибровки, наличие ограничения при перегрузках, использование для жидкостей не содержащих твердых частиц и имеющих малую вязкость.

4.3  Расходомеры обтекания

Наиболее распространёнными приборами группы расходомеров постоянного перепада давлений являются ротаметры. Шкалы ротаметров практически равномерны, ими можно измерять небольшие расходы, потери давления в них незначительные и не зависят от значения расхода. Схема ротаметра показана на рисунке 4.3. Проходящий через ротаметр снизу поток жидкости или газа поднимает поплавок до тех пор, пока расширяющаяся щель между телом поплавка и стенками конусной трубки не достигнет значения, при котором действующие на поплавок силы не уравновешиваются и он останавливается на определённой высоте в зависимости от значения расхода. Положение поплавка ротаметра соответствует определенному значению расхода, который  можно определить по шкале. В основном на поплавок действуют три силы: постоянная сила гравитации G, выталкивающая сила A, которая в соответствии с законом Архимеда является постоянной, если постоянна плотность жидкости и сила динамического напора потока S, который действует на поплавок. Поскольку силы G и А в данном случае постоянны сила S в положении равновесия также должна быть постоянна, а сумма сил G +А должна быть равна ей и противоположна по направлению, что достигается измерением площади кольцевого зазора до соответствующего положения поплавка в конусе ротаметра.

Следовательно, разность давлений на поплавке является постоянной, если допустить, что средняя скорость потока в кольцевом канале, охватывающим боковую поверхность поплавка, остаётся постоянной при изменении расхода (с изменением расхода изменяется площадь поперечного сечения кольцевого канала).

Разность статических давлений, действующая на поплавок, равна

где  — коэффициент гидравлического сопротивления поплавка, зависящий от его формы;— плотность вещества, протекающего через ротаметр;-средняя скорость потока в сечении 1-1;

-средняя скорость потока в кольцевом канале;

-площадь боковой поверхности поплавка;

-объём поплавка;

-плотность материала поплавка;  -площадь наибольшего поперечного сечения поплавка.

С увеличением расхода увеличивается скорость в кольцевом зазоре и, следовательно, растёт динамический напор. Если составить уравнения Бернулли для сечений 1-1  и  2-2 с учётом неразрывности струи, то из совместного решения этих уравнений можно получить уравнение расхода

Рисунок 4.3 Ротаметр   

Рисунок 4.4 Схема ротаметра с дистанционной передачей показаний

 

здесь  площадь поперечного сечения кольцевого зазора.

Так как величины, представленные под корнем квадратным, практически можно считать постоянными, то уравнение принимает вид

Эта зависимость является линейной, а шкала ротаметра – равномерной. Коэффициент расхода  зависит от большого количества величин, которые трудно вычислить аналитически. Поэтому каждый ротаметр градуируют индивидуально, а при эксплуатации следует строго соблюдать условия градуировки.

Ротаметры изготовляются со стеклянной трубкой для местного измерения и металлической для дистанционного измерения с электрической или пневматической передачей показаний (рис. 4.4). Шкала ротаметров со стеклянной трубкой вытравлена на самой трубке и отсчёт ведётся по верхней горизонтальной плоскости поплавка.

4.4  Расходомеры переменного перепада давлений

Измерение расхода этим методом основано на изменении потенциальной энергии (статического давления) жидкости или газа, протекающего через местное сужение в трубопроводе. В качестве измерительного преобразователя  служат нормальные диафрагмы и сопла.

Диафрагма представляет собой тонкий диск установленный в трубопроводе так, чтобы его отверстие диаметром   было концентрично внутренним стенкам трубопровода (рис. 4.5). Сужение потока начинается до диафрагмы, затем на некотором расстоянии за ней, благодаря действию сил инерции, поток сужается до минимального сечения, а потом постепенно расширяется до полного сечения трубопровода (внутренний диаметр ). Перед диафрагмой и за ней образуются зоны с вихревым движением, причём, зона вихрей за диафрагмой больше, чем перед ней.

Давление струи около стенки трубопровода несколько возрастает из-за подпора перед диафрагмой и понижается до минимума за диафрагмой в наиболее узком сечении струи.  Далее, по мере расширения струи, давление потока около стенки снова повышается, но не достигает прежнего значения. Остаточная потеря давления  Р_пот объясняется главным образом потерями энергии на трение и завихрения. Разность давлений   зависит от расхода среды, протекающей в трубопроводе.

Зависимость между расходом не­сжимаемой жидкости и перепадом давления может быть определе­на из уравнения Бернулли для этого потока, выражающего закон сохранения энергии, и уравнения неразрывности струи. При усло­вии, что трение отсутствует, для горизонтального трубопровода эти уравнения будут иметь следующий вид:

где p`<sub>1</sub>  и p`₂ —абсолютные статические давления, Па; u₁  и u₂  — средние скоро­сти, м/с; F₁ и F₂—площади поперечного сечения потока, м²; р₁ и р₂ — плотности жидкости, кг/м³.

Так как плотность жидкости, проходящей через сужающее уст­ройство, практически не изменяется,Объемный расход равен произведению скорости на площадь сечения потока, т. е.

                   а — коэффи­циента расхода.

Как показали исследования, коэффициент расхода зависит глав­ным образом от типа и размера сужающего устройства и от числа Рейнольдса, т. е. от физических свойств потока и определяется по соответствующим формулам и таблицам, приводимых в регламентирующих документах. Для измерения перепада давления используют дифференциальные манометры.

Рисунок 4.5 Схема распределения статического давления

Нормальное сопло представляет собой короткую воронкообразную насадку, вставленную концентрично в трубопровод.   Сопло Вентури состоит из профильной входной части, цилиндрической средней части и конической выходной части. Профильная часть сопла Вентури выполняется так же, как у нормального сопла (рис.4.6,а,б).

Характер потока и распределение давления одинаково во всех типах сужающих устройств. Вследствие того, что струя, протекающая через сопло, почти не отрывается от его профилированной части, потери на завихрения возникают в основном за соплом, поэтому остаточная потеря давления по сравнению с диафрагмой в нём меньше. Ещё меньше потери давления для сопла Вентури, профиль которого близок к сечению потока, проходящего через сужение. Из трёх типов сужающих устройств наиболее часто применяется диафрагма.

Рисунок 4.6 Общий вид стандартного сопла и   сопла Вентури

К достоинствам систем по переменному перепаду давления относятся простота конструкции, высокая механическая прочность, наличие подробных инструкций по установке и применению, что может обеспечить высокую точность измерения. К недостаткам следует отнести многокомпонентность системы, снижение точности из-за износа первичного преобразователя.