Газов и жидкостей.

Средства измерения, определяющие количество вещества, протекающего через поперечное сечение трубопровода за определенный промежуток времени, называются расходомерами.

Существует следующая классификация методов измерения по тем физическим законам, которые лежат в основе принципа действия этих устройств.

- объемный метод

- метод переменного и постоянного перепада давления (дросселирующие устройства и расходомеры обтекания)

- метод скоростного напора (напорные трубки)

- метод переменного уровня (щелевые расходомеры)

- тепловой

- ультразвуковой

- электромагнитный

- тахометрический

- инерциальный

- оптический

- маркерный

 

 

При использовании объемного метода применяются обратимые насосы: шестеренчатые (рис.2.153, а), лопастные (рис.2.153, б) и др. При подаче на насос перепада давления ротор начинает вращаться, подавая порции жидкости при каждом обороте. Измерение расхода сводится к определению числа порций жидкости, проходящих в единицу времени, т.е. к измерению частоты вращения ротора насоса.

Вязкость жидкости при этом методе не оказывает влияния на показания прибора, что является преимуществом объемного метода измерения. Однако изменение температуры жидкости существенно влияет на точность измерения.

Другим представителем объемного счетчика количества жидкостей является однопоршневой насос, принцип действия которого представлен на рис.2.153,в. Жидкость по входному патрубку 3 через распределительный четырехходовой кран 4 направляется под поршень 8 в камеру А. Вещество, находящееся в камере Б, вытесняется поршнем 8 и через четырехходовой кран 4 уходит к потребителю через патрубок 5.

При подходе поршня 8 к верхнему положению четырехходовой кран 4, связанный специальным механизмом переключения 6 со штоком поршня 7, перемещается в положение, указанное пунктиром. Теперь жидкость поступает в камеру Б, а из камеры А вытесняется через кран. Циклы многократно повторяются.

Количество жидкости, прошедшее через счетчик, определяется счетным механизмом, приводимым в движение штоком поршня 7.

Метод переменного перепада давления основан на дросселировании, т.е. сужении потока вещества, движущегося по трубопроводу. Сужение потока приводит к возрастанию средней скорости потока, а следовательно, к увеличению его кинетической энергии и уменьшению потенциальной согласно закону сохранения энергии. Соответственно статическое давление в месте сужения уменьшается и возникает разность (перепад) давлений потока до сужения и в суженном сечении. Измерение расхода сводится к измерению перепада, связанного со скоростью потока жидкости или газа. Для образования переменного перепада давления, пропорционального скорости потока, применяют напорную трубку, трубку (сопло) Вентури, сопло и диафрагму.

Напорная трубка (рис.2.154, а) помещается в трубопровод навстречу потоку, в результате чего давление на выходе трубки складывается из статического давления и скоростного напора.

Для напорной трубки в случае несжимаемости жидкости можно получить зависимости:

объемного расхода

массового расхода

где p₁ – давление при отсутствии скорости; ρ – плотность жидкости.

Трубка Вентури (рис.2.154,б) состоит из двух конических трубок, соединенных узкими частями между собой. Диаметры широких частей равны диаметру трубопровода, по которому течет жидкость или перемещается газ.

Сопло (рис.2.154,в) в качестве дроссельного элемента применяется при измерении расхода воздуха и газов. Параметры сопел стандартизированы

Диафрагма (рис.2.154,г) представляет собой тонкий круглый диск с отверстием концентричным трубопроводу. Со стороны входа жидкости отверстие имеет острую кромку, а дальше – конус с углом 45°.

Зависимость объемного и массового расходов несжимаемой жидкости от разности давлений для дросселирующих устройств ( трубки Вентури, сопла, диафрагмы) определяются следующими выражениями:

где- коэффициент расхода, зависящий от вязкости жидкости, типа и размеров дросселя, характера течения и т.д.; g – ускорение силы тяжести.

Если жидкость или газ сжимаемы, что чаще всего и встречается, то коэффициент еще зависит от отношения давлений (р₁/р₂).

При реализации метода постоянного перепада давления скорость оцениваемого потока постоянна. Перепад давления возникает при прохождении среды через суженное сечение, причем площадь проходного сечения изменяется в зависимости от изменения расхода. Постоянный перепад давления, возникающий в месте сужения, создается подвижным чувствительным элементом, изменяющим свое положение в потоке, и определяется главным образом массой этого элемента. Пределы измерения расхода составляют от 0,00025 до 10 000 м³/ч.

На практике используются три вида расходомеров постоянного перепада давления: поплавковые, поршневые и ротаметры.

Простейшим из них является поплавковый расходомер (рис.2.155,а),

чувствительный элемент которого выполнен в виде поплавка 2, свободно перемещаемого потоком в вертикальном направлении относительно конического седла 2. Подъем поплавка 2 увеличивает площадь поперечного сечения F, следовательно, количество протекающего вещества. Высота подъема поплавка 2 определяется моментом равновесия противоположно действующих на него сил: силы тяжести поплавка и сил, определяемых самим движущимся потоком. Величина подъема фиксируется преобразователем 4 и передается на регистрирующий прибор 1.

 

В поршневом расходомере (рис.2.155,б) поток свободно входит под давлением р₁ под поршень 3, установленный в корпусе 2, поднимает его и уходит через прямоугольное отверстие F, перекрываемое поршнем 3. Условие равновесного положения поршня 3 в потоке аналогично условию равновесия поплавка. Поршень 3 жестко связан с системой преобразования и регистрации подъема.

Расходомеры этого типа позволяют измерять расходы вязких жидкостей при давлении не более 1,6 Мпа и температуре до +100°С. Пределы измерения – 0,5…4,0 м³/ч.

Ротаметр (рис.2.155,в) является самым распространенным прибором постоянного перепада давления. Он состоит из длинной вертикально расположенной и расширяющейся вверх конусной трубки 4, внутри которой свободно плавает поплавок 3, изготавливаемый в зависимости от пределов измерения из различных материалов (стали, фторопласта, дюралюминия и т.п.) Центрирование положения поплавка внутри потока достигается применением специальной винтовой насечки 2 на ободе поплавка.

Положение поплавка внутри трубки связано с расходом и может быть определено непосредственно по шкале 1, нанесенной на корпусе (стеклянный ротаметр), или передается с помощью преобразователя на регистрирующее устройство.

Пределы измерения для таких ротаметров по воздуху до 40 м³/ч, по воде – до 3 м³/ч при наибольшем избыточном давлении до 0,6 МПа.

Метод скоростного напора.Скоростные счетчики количества жидкости основаны на суммировании числа оборотов помещенного в поток вращающегося элемента за определенный промежуток времени. Вращающийся элемент приводится в движение за счет кинетической энергии самого потока. Скорость вращения пропорциональна средней скорости протекающей жидкости, а следовательно, и расходу.

По конструктивному исполнению чувствительного элемента эти счетчики делятся на аксиальные и тангенциальные. Первые чаще называют турбинными, а вторые – крыльчатыми счетчиками. Аксиальный рабочий орган размещается горизонтально, тангенциальный – вертикально. Такие приборы позволяют измерять количества жидкости от 3 до 13 000 м³/ч.

Скоростной (турбинный) расходомер (рис.156, а) состоит из собственно самой турбинки (вертушки) 1, представляющей собой многоходовой (4…6) заходный винт, червячной передачи 2 и валика 3, передающего скорость вращения турбинки в потоке на измерительный прибор или преобразователь.

В качестве примера конкретной конструкции скоростного расходомера жидкости рассмотрим конструкцию счетчика воды типа ВСТ.

Счетчик воды турбинного типа (рис. 2.156, б) компонуется из трех основных частей: корпуса, измерительного блока 21, счетного устройства 4. Измерительный блок 21 состоит из фланца кронштейна 19, на котором монтируются измерительная камера-кронштейн 10, регулятор, механизм передачи вращения 28. Измерительная камера-кронштейн 10 предназначена для преобразования скорости потока воды во вращение турбинки 14. Она устанавливается и закрепляется одновременно со счетным устройством и состоит из струевыпрямителя 15, измерительной камеры-кронштейна 10, турбинки 14 с осью 11. Струевыпрямитель 15 предназначен для выравнивания потока и направления его на лопасти турбинки.

Аксиальная турбинка 14 с винтовыми лопастями жестко связана с осью 11, вращающейся в подшипниках скольжения 32.

Механизм передачи вращения состоит из пластмассового червячного колеса 31, жестко посаженного на валу турбинки, вертикального вала червячного колеса 29, на верхнем конце которого жестко закреплена магнитная полумуфта 8.

Счетное устройство 4 состоит из кожуха 3, магнитного экрана 35, магнитной полумуфты 8, редуктора, шести цифровых роликов, двух-четырех стрелочных индикаторов, магнита 41 и узла датчика 1.

Угловая скорость вращения вертикального вала 29 через магнитные полумуфты и ведущее зубчатое колесо передается на редуктор, который приводит в движение цифровые ролики, стрелки циферблатов и магнит 41 магнитоуправляемого контакта, который формирует сигналы, передаваемые на исполнительные органы.

Счетчики рассмотренной конструкции применяются для измерения объема сетевой воды по СНиП 2.04.07-86 и питьевой воды по ГОСТ 2874 – 82, протекакющей в обратных или подающих трубопроводах закрытых и открытых систем теплоснабжения, системах холодного и горячего водоснабжения при давлении до 1.6 МПа, температуре 5…150°С, расходе воды 0.03…1200 м³/ч с порогом чувствительности 0.01…8 м³/ч (в зависимости от расхода).

 

 

На рис.2.157, а представлен одноструйный крыльчатый счетчик, измеряющий суммарное количество жидкости в горизонтальных трубопроводах при сравнительно небольших расходах (0.15…12.6 м³/ч), давлении до 1 МПа и температуре измеряемой жидкости до 90°С.

Он состоит из корпуса 6, кожуха 9 с откидной крышкой и гайкой; крыльчатки 4 звездообразной формы, вращающейся на вертикальной оси с агатовой точечной опорой; редуктора 7, соединяемого через магнитную муфту 3; счетного механизма 1, имеющего циферблат с роликовым и стрелочным указателями, перегородки 8. Счетчик снабжен регуляторами 10 и 11 для тарировки прибора.

Жидкость из трубопровода поступает через фильтр 5 на лопатки крыльчатки, приводит ее во вращение и посредством редуктора 7 и муфты 2 передает его счетному механизму, по показаниям которого определяется количество протекающей жидкости.

Конструкция крыльчатого счетчика воды типов ВСХ, ВСГ представлена на рис.2.157, б. Он компонуется из латунного корпуса 15, крыльчатки 1 и счетного устройства 5. Условия применения этих счетчиков и их эксплуатационные характеристики аналогичны условиям применения и характеристикам счетчиков турбинного типа.

Тепловой метод реализуется в основном в двух вариантах. Если чувствительный элемент расходомера выполнить в виде тонкой нити 1 (рис. 2.158, а) из материала с большим температурным коэффициентом сопротивления и нагреть нить током, то температура нити, а следовательно, и сопротивление будут зависеть от скорости потока. Мерой скорости (расхода) будет сила тока или падение напряжения на сопротивлении нити.

Если сопротивление нити 1 выполнить из материала с нулевым температурным коэффициентом и нагреть нить током, то температуру нити, зависящую от скорости потока, можно измерить с помощью термопары 2 (рис.2.158, б)

 

По первой схеме работают термоанемометры (рис.2.158,в), чувствительный элемент которых представляет собой нить 2 из вольфрама или платины диаметром 5 мкм и длиной от 1 до 10 мм, растянутую между серебряными токосъемниками 3, закрепляемыми в керамической трубке 1. Такие устройства работают в незапыленных потоках до скоростей 150 м/с. Для измерения расходов жидкостей, движущихся со скоростью 10 м/с, применяются пленочные чувствительные элементы. Они представляют собой узкий клин из термического стекла, на острие которого нанесена тонкая пленка платины (до 1 мкм), включаемая в виде сопротивления в мостовую схему измерения.

Измерение средней скорости горячих газовых потоков в каналах большого сечения (дымоходах, вентиляционных каналах и т.д.) производят термоанемометрами с газовым сопротивлением (рис.2.158,г), которые отличаются от других термоанемометров более высокой чувствительностью. Чувствительный элемент преобразователя представляет собой два сферических платиновых электрода 1, закрепленных в держателе 2.

Между электродами зажигается электрический коронный разряд или осуществляется ионизация газового промежутка с помощью искрового разрядника (рис.2.158,д). Преобразователь П состоит из возбудителя и приемника. Аза преобразователя (расстояние l) составляет около 200мм. Движение ионов частично зависит от скорости движущегося потока. Поэтому искровый промежуток, образованный двумя электродами 3, и приемник 1 располагаются в потоке вдоль движущейся среды. Приемник 1 – шарик диаметром 8 мм, окруженный цилиндрическим экраном 2, подключен к высокоомному входу усилителя звуковой частоты У, выход которого соединен с цепью запуска генератора одиночных импульсов ГИ, питающего искровой разрядник. К выходу усилителя подключен частотомер φ. Команда на запуск разрядника осуществляется от реле времени с частотой 1 Гц. Как только в системе возникают колебания, запуск отключается. Скорость потока связана с показателем частотомера зависимостью ν_ср= φ l, где

φ - показания прибора, Гц; l – база, м (расстояние, при котором в неподвижном потоке не проходит сигнал от возбудителя на приемник). Диапазон измеряемых скоростей 4…500 м/с.

При реализации ультразвукового методаизмерение расхода можно свести к определению разности времени излучения и приема сигналов, разносит фаз и разности частот при прохождении ультразвуковых волн (частотой выше 15 кГц) вдоль и против направления движущегося потока.

Ультразвуковые расходомеры обеспечивают погрешность измерения, не превышающую 0.5% от измеряемого значения при скорости движения до 10 м/с и диаметре трубопроводов до 2 м.

Электромагнитный методизмерения расхода применим для агрессивных, ядовитых, воспламеняющихся и других опасных жидкостей, обладающих удельным электрическим сопротивлением, не превышающим 10⁵ Ом• см^-3 при температуре -40…+180°С. Достоинством расходомеров, построенных на принципе электромагнитной индукции при движении электропроводной жидкости, пересекающей магнитное поле, является отсутствие в их конструкции каких-либо движущихся или неподвижных элементов, вносимых в движущийся поток и способных влиять на скорость, создавать потерю давления, независимость показаний от вязкости и плотности жидкости.

Функциональная схема индукционного расходомера (рис.2.159) включает в себя электромагнит 1, который наводит переменное магнитное поле в движущемся потоке; съемные электроды 3, установленные на трубопроводе 2, сигнал с которых подается на симметричный катодный повторитель КП, усилитель У и далее на отсчетное устройство ОУ.

 

 

В электромагнитных расходомерах возникают погрешности, вызванные переменным магнитным полем электромагнита. Устранение этих погрешностей достигается замыканием одного из электродов 3 на низкоомный делитель напряжения и выбором положения движка потенциометра так, чтобы при нулевой скорости жидкости сигнал с прибора отсутствовал.

Выпускаемые расходомеры данного типа обеспечивают измерение расходов в диапазоне 1…25000 м³/ч в трубопроводах с диаметром 2…1000 мм при средних скоростях движения жидкости, не превышающих 10 м/с.

Оптические расходомеры появились с разработкой оптических квантовых генераторов (лазеров), позволяющих на основе использования эффектов Доплера конструировать измерители потоков прозрачных газов и жидкостей. Достоинствами их являются высокая чувствительность, малая инертность, бесконтактный способ измерения, неограниченный диапазон измеряемых скоростей независимо от физических свойств протекающей среды )за исключением требования к ее прозрачности в диапазоне волн, излучаемых лазером), инвариантность по отношению к направлению потока.

Схема устройства, реализующая оптический метод измерения расхода, представлена на рис.2.160.

 

Лазер 10 генерирует две встречные волны, бегущие навстречу друг другу по замкнутому оптическому пути, образованному зеркалами 1, 5 и 11. Поток жидкости или газа, движущийся на некотором участке через трубопровод 3 с прозрачными окнами 2, 4, 12 и 13, создает вследствие эффекта увлечения (изменение скорости света в прозрачной движущейся среде) разные частоты колебания лучей, которые, суммируясь на зеркалах 6 и 9, создают интерференционную картину. Ее изображение направляется на фотоприемник 8, сигнал которого регистрируется измерительным прибором 7. Этот сигнал пропорционален скорости потока, интегрируемой по длине луча, и носит линейный характер. Погрешность лазерных расходомеров находится в пределах 0.5%.