Измерение расхода. Из книги Вильяма Болтона Instrumentation And Control System

Жидкость, протекающая через трубу с поперечным сечением A1 со скоростью υ1 (рисунок А), за 1 с продвигается на расстояние υ1, и поэтому объем жидкости, проходящей через определенную точку в секунду, равен A1υ1. Если жидкость течет через сужение, где площадь поперечного сечения трубы A2, то выполняется равенство A2υ2=A1υ1, т.е. скорость потока жидкости увеличивается. Увеличение скорости происходит из-за ускорения, следовательно, требуется сила для перемещения жидкости через сужение. Эта сила обеспечивается перепадом давления в сужении.


Традиционные методы, используемые для измерения расхода жидкости, включают устройства, основанные на измерении разности давлений, возникающих при изменении проходного сечения, и использования его в качестве меры расхода. Связь между перепадом давления и объемом потока является нелинейной, то есть скорость потока не прямо пропорциональна разнице давлений, а квадратному корню от разности давлений. Распространенными примерами являются труба Вентури и диафрагма (сужающее устройство), описанные ниже.
Однако были разработаны другие методы, которые быстрее и эффективнее измеряют расход с меньшим вмешательством в поток.

Расходомеры постоянного и переменного перепада давления

Существует несколько видов расходомеров переменного перепада давления, основанных на приведенной выше формуле и имеющих сужение с постоянным размером сечения. Например труба Вентури, расходомерные сопла, трубка Далла и диафрагмы. Кроме того, существуют другие расходомеры, имеющие переменную площадь сечения (постоянный перепад давления), например ротаметр. Далее приведены характеристики вышеуказанных устройств.
Труба Вентури (рис. Б (1) представляет собой плавное сужение трубы от номинального диаметра до сжатого диаметра. Труба Вентури приводит к потере давления в системе приблизительно на 10-15%. Разность давлений до сужения и после может быть измерена простым U-образным манометром или дифференциальным манометром. Расходомеры с трубами Вентури могут использоваться с однофазными жидкостями, просты в эксплуатации, имеют погрешность до ±0,5%, долговечны и надежны, но сравнительно дороги и имеет нелинейную зависимость между давлением и скоростью потока.


Более дешевым вариантом трубы Вентури является сопло (рисунок Б). Используются два вида сопла: сопло Вентури и расходомерное сопло. Сопло Вентури (рис. Б (2)) представляет собой трубку Вентури с впускным отверстием, которое значительно укорочено. Расходомерное сопло (рис. Б (3)) еще короче. Сопла создают потерю давления порядка 40-60%. Сопла дешевле, чем трубки Вентури, дают аналогичный перепад давления и погрешность около ±0,5%. Также имеют нелинейную зависимость между давлением и скоростью потока.


Труба Далла (рис. В (1) представляет собой еще одну вариацию трубы Вентури. Она дает более высокий перепад давления и низкую потерю давления. Труба Далла имеет длину около двух диаметров трубы и часто используется там, где пространство не позволяет использовать трубу Вентури. Расходомерная диафрагма (рис. В (2) представляет собой просто диск с отверстием. Цель диафрагмы в том, чтобы сужение потока началось до диафрагмы и на некотором расстоянии после диафрагмы поток достиг минимального сечения. Самый узкий участок потока не через отверстие, а ниже по потоку называется vena contracta (то место в проточной части, где площадь сечения минимальна, а скорость потока максимальна). Отбор давления происходит в точке до диафрагмы на расстоянии один диаметр трубы и после сужающего устройства — на расстоянии 1/2 диаметра трубы. Диафрагма имеет нелинейную зависимость между разностью давлений и скоростью потока. Она проста и дешева, надежна, дает больший перепад давлений, чем труба Вентури, но менее точная — погрешность ±1,5%. Диафрагма также приводит к большой потере давления. Если в жидкости не однородна, возникают проблемы налета и засорения.
Ротаметр (рис. Г) является примером расходомера с переменной площадью проходного сечения; постоянный перепад давления поддерживается между основным потоком и потоком после сужения за счет изменения зазора через которым проходит жидкость. Ротаметр состоит из поплавка помещенного в коническую вертикальную трубку, поток жидкости толкает поплавок вверх. Жидкость перемещается через зазор между поплавком и стенкой трубки, в котором образуется перепад давления. Поскольку зазор между поплавком и стенкой трубки увеличивается по мере перемещения поплавка вверх, то перепад давления уменьшается. Поплавок перемещается вверх по трубке до тех пор, пока перепад давления в жидкости не уравновесит его вес. Чем больше расход, тем больше разность давлений для конкретного зазора, следовательно поплавок переместится выше по трубке. Таким образом, шкалу вдоль трубки можно откалибровать, чтобы непосредственно считывать расход, соответствующий определенной высоте поплавка. Ротаметр дешевый, надежный, имеет погрешность около ±1% и может использоваться для измерения расхода от 30×10-6 м³/с до 1 м³/с.


Трубка Пито может быть использована для непосредственного измерения скорости потока жидкости, а не объемного расхода и состоит в из маленькой трубки, установленной в жидкость, с отверстием, направленным навстречу потоку (рис. Д). Разность давлений измеряется между давлением жидкости в трубке и в трубопроводе. Разница между статическим и полным давлением обусловлена кинетической энергией потока жидкости, которая преобразуется в потенциальную энергию, что проявляется как увеличение давления. Поскольку кинетическая энергия равна ½mυ², то скорость пропорциональна квадратному корню из разности давлений.

Турбинные расходомеры

Турбинный расходомер (рис. Е) состоит из многолопастной крыльчатки, расположенной аксиально в трубе, вдоль которой протекает поток. Крыльчатка вращается от энергии измеряемого потока, причем угловая скорость приблизительно пропорциональна скорости потока. Скорость вращения ротора можно определить, присоединив небольшой постоянный магнит к одной из лопастей и используя измерительную катушку. Наведенные импульсы ЭДС создаются в катушке каждый раз когда магнит проходит ее. Импульсы подсчитываются и поэтому можно определить число оборотов ротора. Турбинный расходомер дорогостоящий, имеет погрешность около ±0,1%. Также в качестве преобразовательного элемента используют ротор винтовой формы, которые вращаются в потоке жидкости.

Ультразвуковые расходомеры

На рисунке Ж показано, как ультразвуковые волны могут быть использованы для определения скорости потока жидкости. Используются два метода ультразвуковых приемопередатчиков, либо два приемопередатчика, один из которых на одной стороне трубы, через которую протекает жидкость, а другой с противоположной, либо передатчик и приемник на одной стороне трубы, а отражатель на другом. В любом случае один луч ультразвуковых волн, движущихся в направлении потока и один луч против направления потока. Ультразвуковой расходомер может либо измерять среднюю скорость жидкости путем усреднения разницы при измерении времени прохождения сигнала между импульсами ультразвука, проходящими через трубу в направлении потока и против направления потока или путем измерения частоты отраженного сигнала с использованием эффекта Допплера в жидкостях содержащих частицы, которые отражают ультразвуковую волну, например суспензий и жидкостей с пузырьками газа. Ультразвуковой метод измерения может применяться для труб диаметром от 75мм до 1500мм со скоростью жидкости от 0,2м/с до 12м/с и погрешностью около ±1% или выше.


Ультразвуковой расходомер OMEGA Doppler FD-400, представленный на рисунке Ж(2), имеет следующие характеристики:
Неинтрузивный, накладной преобразователь для труб от 6мм до 3000мм
Диапазон скорости потока от 0,05 до 9 м/с
Точность ±2% FS по откалиброванному диапазону
Дисплей монитора: 2-строчный 8-символьный ЖК-дисплей

Вихревые расходомеры

Когда поток жидкости встречает неподвижное тело, слои жидкости, расположенные близко к поверхностям тела, замедляются. С обтекаемым телом эти пограничные слои следуют контурам тела до тех пор, пока они не встретятся в задней части объекта. Это приводит к очень небольшому возбуждению. С не обтекаемым телом, так называемым плохообтекаемым телом (Bluff body), пограничные слои отделяются от тела намного раньше и образуется большой след. Когда пограничный слой жидкости покидает поверхность тела, он сворачивается в вихри. Они образуются попеременно с верхней и нижней поверхностей тела (рис. З). Результатом является два параллельных ряда вихрей, движущихся по течению, причем расстояние между последовательными вихрями в каждом ряду одинаково, вихрь в одном ряду образуется на половине пути между вихрями в другом ряду. Для конкретного плохообтекаемого тела количество вихрей, создаваемых за секунду f, т.е. частота, пропорциональна скорости потока. Для измерения частоты используется несколько методов. Например, термистор может располагаться за плохообтекаемым телом (рис.З(2) (i)). Термистор нагревается в результате проходящего через него тока и способен улавливать вихри которые охлаждают его. Другой метод использует пьезоэлектрический кристалл, установленный в корпусе плохообтекаемого тела (рис.З(2) (ii)). Гибкие диафрагмы реагируют на возмущения, создаваемые вихрями и фиксируются пьезоэлементом.
Вихревые расходомеры используются как для жидкостей, так и для газов, результаты измерения не зависят от плотности, температуры или давления и имеют погрешность примерно ±1%. Они используются при давлениях до 10 МПа и температурах до 200 °С.
Другая форма расходомера использует измерительный блок MEMS. MEMS — это микроэлектромеханические системы и очень маленькие устройства. Они обычно состоят из центрального блока, который обрабатывает данные (микропроцессор) и нескольких компонентов, которые взаимодействуют с окружающей средой, таким как микродатчики. Расходомер OMRON D6F MEMS представляет собой 1,5 мм² чип толщиной 0,4 мм и имеет две термопары по обе стороны крошечного нагревательного элемента. Когда газ течет мимо датчика, между двумя термопарами появляется разность температур, в результате возникает разность потенциалов между ними, которая связана с расходом.

Кориолисовые расходомеры

Если фигурист вращается с вытянутыми руками, а затем притянет их к себе, он будет вращается быстрее. В результате мы можем думать о том, что на тело фигуриста действует крутящий момент, приводящий к увеличению угловой скорости. Этот крутящий момент возникает из тангенциальной силы, называемой силой Кориолиса. Когда мы перемещаем объект во вращающейся системе, его сносит вбок. Для тела массой M, движущегося с постоянной линейной радиальной скоростью v и подверженного угловой скорости ω, сила Кориолиса равна 2Mωv.

Кориолисовый расходомер состоит из С-образной трубки (рис. И) через которую протекает измеряемая среда. Трубе, через которую проходит поток, задается угловое ускорение путем вибрации, создаваемой электромагнитом, установленного на конце настраиваемой вилочной пружины. Вибрации пружины приводят C-образную трубку в колебание. Результатом является угловая скорость, которая чередуется в направлении. Одновременно сила Кориолиса, действующая на поток среды, в первой половине трубки направлена в одну сторону, а во второй половине — в противоположном направлении, так как скорость измеряемой среды направлена противоположно в верхней и нижней частях трубки. В результате сила Кориолиса действующая на поток в двух концах находится в противоположных направлениях и приводят к скручиванию С-образной трубки. Когда направление угловой скорости меняется на противоположное, то силы действуют в обратном в направлении и трубка скручивается в другую сторону. Эти скручивания пропорциональны массовому расходу вещества через трубку. Перемещения контролируются с помощью оптических датчиков, их выходной сигнал представляет собой импульс с шириной пропорциональной массовому расходу. Расходомер может использоваться для жидкостей или газов и имеет точность ±0,5%. На него не влияют изменения температуры или давления.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *