Измерение расхода и количества вещества

Под расходом понимается количество вещества, проходящего через сечение трубопровода в единицу времени.

где Q – расход; – плотность жидкости; V– скорость движения потока; d – внутренний диаметр трубопровода

Различают два вида расхода:

1.Объемный – Q_V (л/с или м3/ч);

2.Массовый – Q_m (кг/мин или т/ч).

Массовый расход можно измерить косвенно по объемному расходу

Q_m= .

Приборы, измеряющие расход вещества, называют расходомерами. Приборы, измеряющие количество вещества, протекающее через данное сечение трубопровода за некоторый промежуток времени, называют счетчиками.

Существуют следующие принципы измерения расхода:

1. манометрический – работающий на переменных и постоянных перепадах давления, созданных потоком измеряемой среды;

2. тахометрический (турбинный, крыльчатый, шариковый) – основан на измерении скорости;

3. электромагнитный (индукционный) – основан на эффекте электромагнитной индукции;

4. ультразвуковой – основан на измерении разницы времени прохождения звукового сигнала в движущейся среде или на измерении частоты отраженного ультразвукового сигнала;

5. вихревой – основан на оценке частоты колебаний, завихрений потока;

6. тепловой – основан на изменении температуры датчика, обтекаемого движущейся средой.

Объемные расходомеры и счетчики

Принцип действия объемных счетчиков (рис. 22) основан на измерении объема жидкости, вытесняемой из измерительной камеры 1 под действием разности давлений и суммировании результатов этих измерений. Количество жидкости, прошедшее через счетчик, определяется по числу оборотов овальных зубчатых колес 2 и 3. За один оборот колес, отсекается объем жидкости равный свободному объему измерительной камеры счетчика. Погрешность ±1%. Для измерения большого количества газа используется ротационный счетчик (рис. 23). Принцип действия аналогичен объемным счетчикам.

Рис. 22. Объемный счетчик

Рис. 23. Ротационный счетчик

Скоростные счетчики

Принцип действия скоростных расходомеров-счетчиков (рис. 24) основан на измерении скорости вращения потоком (газа или жидкости) измерительной турбинки. Число оборотов турбинки n пропорционально объему протекающей жидкости n=KV.

Рис. 24.Скоростной счетчик: 1 – винтовая турбинка; 2 – корпус; 3 – счетчик

Расходомеры переменного перепада давления

Принцип измерение расхода с помощью расходомеров переменного перепада давления основан на изменении потенциальной энергии вещества, протекающей через местное сужение в трубопроводе. Измерительный комплект состоит из сужающего устройства (диафрагма, сопло, сопло Вентури ) и измерительного преобразователя перепада давления ( дифманометра ). Сужение потока (рис. 25) начинается до диафрагмы и далее под действием силы инерции, поток сужается до сечения F2. Затем происходит постепенное расширение потока до полного сечения трубопровода. Потери части давления Рп определяются потерей энергии на трение и завихрение.

Рис. 25. Изменение потока (а), средней скорости (б) и давления (в)

при прохождении потока вещества через сужающее устройство

Уравнение расхода для несжимаемой жидкости:

Для массового расхода ; м3/с

Для объемного расхода ; кг/с

где α – коэффициент расхода; S₀ – площадь поперечного сечения отверстия диафрагмы; Ρ – плотность среды; р1, р2 – перепад давления.

Условия измерений расхода методом переменного перепада давлений:

1.Протекающее вещество должно полностью заполнять все сечение трубопровода и сужающего устройства.

2.Поток должен быть установившемся.

3.Фазовое состояние вещества не должно изменяться при прохождении через сужающее устройство.

Стандартная диафрагма представляет собой диск с круглым отверстием, имеющий острую прямоугольную входную кромку. На рис. 26 показаны схемы устройства диафрагмы и способы отбора давления.

Рис. 26. Схема устройства диафрагмы (а) и способы отбора давления (б-г)

Расходомеры постоянного перепада давления

Расходомеры постоянного перепада давления относятся к расходомерам обтекания. Предназначены для измерения плавно меняющегося объемного расхода однородных потоков чистых и слабозагрязненных жидкостей и газов.

Простейшим прибором постоянного перепада давления является ротаметр. Его принцип действияоснован на изменении проходного сечения потока и высоты положения чувствительного элемента (поплавка), в зависимости от расхода протекающей среды. Ротаметр состоит из вертикальной конусной трубки 2 (рис. 27), внутри которой находится чувствительный элемент 1 – поплавок. Под действием потока жидкости или газа поплавок вертикально перемещается и одновременно приходит во вращательное движение и центрируется в центре потока.

Рис.27. Схема расходомера постоянного перепада давления (ротаметра)

На поплавок сверху и снизу действует по две силы. Сверху сила тяжести и сила от давления потока на верхнюю поверхность поплавка. Снизу сила от давления потока на нижнюю поверхность поплавка и сила трения потока о поплавок.

Условие равновесия поплавка: ,

где V_П – объем поплавка;

– плотность материала поплавка;

g – ускорение свободного падения;

S – площадь наибольшего поперечного сечения поплавка;

Sбп – площадь боковой поверхности поплавка;

– средняя скорость потока в кольцевом канале;

n – показатель. Зависящий от скорости;

P – давление сверху и снизу поплавка.

Из полученного уравнения следует, что независимо от положения поплавка перепад давления на нем постоянен и не зависит от расхода измеряемой среды Это объясняется постоянством скорости потока измеряемой среды при изменении ее расхода, что обусловлено изменением площади кольцевого зазора, между поплавком и трубкой.

Ротаметры изготавливают как для местного контроля (РМ), так и для дистанционного отсчета показаний: РЭ – ротаметры с электрическим выходным сигналом (рис. 28); РП – ротаметры с пневматическим выходным сигналом.

Ротаметры градуируются по воде и по воздуху.

Достоинства: просты в изготовлении и эксплуатации; в них отсутствуют трущиеся детали; имеют широкий диапазон измерения (1: 10); работают с агрессивными средами.

Недостатки: требуют строго вертикальной установки; имеют большой размер местных шкал; зависимость статической характеристики от вязкости и плотности среды.

Рис. 28. Схема поплавкового расходомера

с дифференциально-трансформаторным датчиком

В данных ротаметрах объемный расход непульсирующих однородных жидкостей преобразуется в сигнал взаимоиндуктивности от 0 до 10 мГн. В металлическом корпусе 1 в нижней части закреплена диафрагма 2, в которой расположен поплавок 3. В верхней части поплавка закреплен шток 4 с сердечником 5 дифференциально-трансформаторного датчика. При изменении расхода начинает перемещаться поплавок и, соответственно, перемещается сердечник внутри разделительной трубки 6, на которой снаружи намотана катушка датчика.

Электромагнитный (индукционный) расходомер

Данные расходомеры применяются для электропроводных жидкостей. Их действие основано на эффекте электромагнитной индукции. При движении потока жидкости в магнитном поле, ионы, находящиеся в жидкости, перемещаются и отдают свои заряды измерительным электродам 3, создавая в них ЭДС, пропорциональную скорости потока жидкости (рис. 29).

Рис. 29. Электромагнитный (индукционный) расходомер: 1 — обмотка; 2 — магнитопровод; 3 — электроды; 4 — трубопровод; 5 — измеритель ЭДС

Величина ЭДС определяется как

ng w: val=" EN-US" /> < /w: rPr> < m: t> V< /m: t> < /m: r> < /m: e> < m: sub> < m: r> < w: rPr> < w: rFonts w: ascii=" Cambria Math" w: h-ansi=" Cambria Math" /> < wx: font wx: val=" Cambria Math" /> < w: i/> < w: sz-cs w: val=" 28" /> < w: lang w: val=" EN-US" /> < /w: rPr> < m: t> СЃСЂ< /m: t> < /m: r> < /m: sub> < /m: sSub> < /m: oMath> < /m: oMathPara> < /w: p> < w: sectPr wsp: rsidR=" 00000000" wsp: rsidRPr=" 00C94073" > < w: pgSz w: w=" 12240" w: h=" 15840" /> < w: pgMar w: top=" 1134" w: right=" 850" w: bottom=" 1134" w: left=" 1701" w: header=" 720" w: footer=" 720" w: gutter=" 0" /> < w: cols w: space=" 720" /> < /w: sectPr> < /wx: sect> < /w: body> < /w: wordDocument> "> ,

где В – магнитная индукция; d – внутренний диаметр трубопровода; Vср – средняя скорость потока.

;

Достоинства: просты в работе; не подвергаются коррозии; в них отсутствует движущиеся детали; нет влияния потока на прибор и наоборот; широкий диапазон измерения скорости и расхода; большой диапазон диаметра трубопровода; достаточно высокая точность. Недостатки: относительно высокая стоимость.

Ультразвуковые расходомеры

В ультразвуковых расходомерах используют два принципа: временной и частотный.

При первом принципе (рис. 30) измеряют интервал временной задержки распространения ультразвукового сигнала в движущейся среде по направлению течения вещества и против его течения. Датчик 1 и 2 выступает в роли излучателя и приемника сигнала.

Ультразвуковой сигнал (частота которого изменяется в диапазоне 0, 1-1 МГц) проходит по потоку, в прямом направлении за меньшее время, чем против потока. Измерив разницу интервалов времени задержки прохождения сигналов ( t) определяет скорость движения среды и далее величину расхода.

Рис. 30. Двухканальная схема ультразвукового преобразователя:

1 – излучающий пьезоэлемент; 2 – приемные пьезоэлементы

Временный способ используется для сред, содержащих незначительное количество твердых и газовых включений («чистых» жидкостей). На рис. 31 приведены временные характеристики.

Рис. 31. График временных характеристик

Для измерения расходов неоднородных жидкостей используют расходомеры, построенные по частотному принципу (Доплеровский расходомер). Эффект Доплера (рис. 30, б) заключается в изменении частоты сигнала, отраженного от движущегося объекта. Сигнал известной частоты распространяется в жидкой среде, отражаясь от движущихся в жидкости твердых включений, пузырьков воздуха, локальных различий в плотностях среды. Отраженный от движущихся частиц ультразвуковой сигнал преобразуется из временной области в частотную. Далее вычисляется разница частоты исходящего сигнала и усредненной частоты отраженных сигналов. После этого вычисляется скорость движения потока и далее расход.

⇐ Предыдущая 123 4 5 6 7 8 Следующая ⇒