(ротаметры)
Ротаметр (рис. 6.6) представляет собой вертикальную конусную
трубку 1, в которой находится поплавок 2. Измеряемый поток, про-
ходя через ротаметр снизу вверх, создает перепад давлений до и
после поплавка. Этот перепад давлений, в свою очередь, создает
подъемную силу, которая уравновешивается весом поплавка (в слу-
чае произвольного направления потока — силой противодействую-
щей пружины).
Если расход через ротаметр изменится, то изменится и перепад
давлений. Это приведет к изменению подъемной силы и, соответ-
ственно, к нарушению равновесия поплавка. Поплавок начнет пере-
мещаться; так как трубка ротаметра конусная, то при этом будет
изменяться площадь проходного сечения в зазоре между поплавком
и трубкой.
В результате произойдет изменение перепада давлений, а следо-
вательно, и подъемной силы. Когда перепад давлений и подъемная
сила снова вернутся к прежним значениям, поплавок уравновесится
и остановится. Таким образом, каждому значению расхода через
ротаметр соответствует определенное положение поплавка. Во из-
бежание трения и удара поплавка о стенку трубки в его верхнем обо-
де выполнены наклоненные к вертикали прорези 3. Вещество, про-
текая через прорези, придает поплавку вращение, и он центрируется
в середине потока.
Уравнение объемного расхода для ротаметра имеет вид
где α — коэффициент расхода; F K — площадь кольцевого отверстия
между верхней частью поплавка и конусной трубкой; g - ускорение
свободного падения; V— объем поплавка; ρп — плотность материала
поплавка; ρ — плотность вещества потока; ƒ — площадь наибольше-
го поперечного сечения поплавка.
Из этого выражения следует, что если коэффициент расхода а при-
нять постоянным, то расход вещества может быть определен по зна-
чению площади кольцевого отверстия F K . Учитывая, что F K — функция
положения поплавка, значение высоты его подъема служит мерой рас-
хода.
Ротаметры выпускаются со стеклянными и металлическими труб-
ками. У ротаметров со стеклянной трубкой шкала нанесена прямо на
поверхности трубки. Такие ротаметры предназначены для измерения
газов или прозрачных жидкостей. Указателем служит верхняя гори-
зонтальная плоскость вращающегося поплавка. В ротаметрах с ме-
таллической трубкой используется дистанционное измерение поло-
жения поплавка при помощи преобразователей линейного переме-
щения в унифицированный электрический или пневматический
сигнал.
Ротаметры имеют большой диапазон измерения (отношение верх-
него предела измерения к нижнему 10:1) и сохраняют точность из-
мерений даже при очень малых расходах; используются для измерения
объемного расхода плавно меняющихся однородных потоков чистых
и слабозагрязненных жидкостей и газов.
Электромагнитные (индукционные)
Расходомеры
Принцип действия электромагнитных расходомеров (ЭМР) осно-
ван на законе электромагнитной индукции, согласно которому в
проводнике, движущемся в магнитном поле, индуцируется ЭДС,
пропорциональная скорости движения проводника. Роль проводни-
ка в данном случае выполняет электропроводная жидкость, проте-
кающая по трубопроводу и пересекающая магнитное поле. При этом
на измерительных электродах наводится ЭДС, пропорциональная
скорости движения жидкости, следовательно, и ее расходу. Отрезок
металлической немагнитной трубы /, которая устанавливается меж-
ду фланцами трубопровода с измеряемым потоком жидкости, рас-
полагается между полюсами магнита 2, перпендикулярно направле-
нию магнитных силовых линий (рис. 6.7). Внутренняя поверхность
трубы покрыта электроизоляционным материалом (эмаль, стекло-
пластик, резина и др.). Выходной сигнал снимается с двух изолиро-
ванных электродов 3, установленных в стенке трубопровода и под-
ключенных к измерительному прибору 4 (милливольтметру или по-
тенциометру).
ЭДС Е, индуцируемая в проводнике, движущемся в постоянном
магнитном поле, равна
откуда следует, что при постоянной магнитной индукции измеряемая
ЭДС линейно зависит от объемного расхода жидкости.
При использовании постоянного магнитного поля за счет поля-
ризации измеряемой среды на электродах возникает паразитная ЭДС,
уменьшающая индуцируемую ЭДС и приводящая к значительным
погрешностям измерения. Для ее устранения используются электро-
магниты, питаемые переменным током и создающие переменное
магнитное поле.
ЭМР обладают рядом достоинств: 1) возможность измерения рас-
хода агрессивных, абразивных и вязких жидкостей (степень агрессив-
ности измеряемых сред определяется материалом изоляции трубы и
электродов); 2) на показания не влияют взвешенные в жидкости
частицы и пузырьки газа, а также такие параметры измеряемого по-
тока жидкости, как давление, температура, вязкость, плотность и т. п.;
3) ЭМР позволяют проводить измерения без потери давления; 4) ЭМР
практически безынерционны и поэтому могут быть использованы
при измерении быстро меняющихся потоков. Недостатком является
возможность измерения расхода только электропроводных жидкостей.
Верхний предел измерения ЭРМ — 2 500 м3/ч.
Тепловые расходомеры
Существует несколько разновидностей тепловых расходомеров.
Наиболее распространены тепловые калориметрические расходо-
меры, принцип действия которых основан на нагреве потока вещества
и измерении разности температур до и после нагревателя. На рис. 6.8
показаны схема такого расходомера и кривые распределения темпе-
ратуры среды до и после нагревателя при его постоянной выделяемой
тепловой мощности.
В трубопроводе 1 установлен нагреватель потока 2. На равных
расстояниях от центра нагревателя расположены термопреобразова-
тели 3, измеряющие температуру потока до и после нагрева. Для
неподвижной среды распределение температуры в ней (на графике —
сплошная линия) симметрично относительно оси нагревателя, и
поэтому разность температур ∆t = t 2 – t 1 = 0. При некоторой малой
скорости потока распределение температуры (на графике — штрихо-
вая линия) несимметрично и несколько смещается вправо. При малых
расходах температура падает вследствие поступления холодного
вещества, а температура t 2 возрастает, вследствие чего ∆t увеличива-
ется с ростом расхода. С дальнейшим увеличением расхода при по-
стоянной мощности нагревателя t 2 станет убывать, в то время как t,
практически постоянна, т.е. ∆t будет уменьшаться. Таким образом,
при малых расходах разность температур ∆t прямо пропорциональна
расходу, а при больших — обратно пропорциональна.
Зависимость между массовым расходом G и разностью темпера-
тур ∆t при больших расходах определяется уравнением теплового
баланса:
где N— мощность нагревателя; к — поправочный множитель на не-
равномерность распределения температур по сечению трубопровода;
с — теплоемкость вещества при температуре (t 1 + t 2)/2.
Отсюда следует, что измерение массового расхода может быть
осуществлено двумя способами: 1) по значению подаваемой к на-
гревателю мощности N, обеспечивающей постоянную заданную
разность температур ∆t; 2) по значению разности ∆t при постоян-
ной N.
В соответствии с первым способом расходомер работает как регу-
лятор температуры нагрева потока. При изменении ∆t мощность N
автоматически изменяется до тех пор, пока ∆t не достигнет заданно-
го значения. Массовый расход при этом определяется по шкале ватт-
метра в цепи нагревателя. Для уменьшения расходуемой мощности
обычно ограничивают заданное значение ∆t в пределах 1... 3 °С.
По второму способу, когда к нагревателю подводится постоянная
мощность, расход определяют по прибору, измеряющему разность
температур. Недостатком этого способа является гиперболический
характер шкалы, а значит, и падение чувствительности при увеличе-
нии расхода.
В качестве преобразователей температуры в калориметрических
расходомерах могут быть использованы термоэлектрические преоб-
разователи, термопреобразователи сопротивления и др.
Калориметрические расходомеры в основном применяют для из-
мерения малых расходов чистых газов. Основное преимущество этих
расходомеров — измерение массового расхода газа без измерения его
давления и плотности.
Существуют тепловые расходомеры, у которых нагреватель и тер-
мопреобразователи размещают на наружной стенке трубы и пере-
дача теплоты к потоку осуществляется через стенку трубы.
Ультразвуковые расходомеры
Принцип действия ультразвуковых расходомеров основывается на
изменении скорости распространения ультразвуковых колебаний
(УЗК) в неподвижной и подвижной среде. Существует три метода
измерения расхода вещества с помощью ультразвука: 1) по разности
времен распространения УЗК, направленных по потоку и против
него; 2) по степени отклонения УЗК, направленных перпендикуляр-
но к потоку, от первоначального направления; 3) метод, основанный
на эффекте Доплера (доплеровские расходомеры). В качестве
излучателей-приемников УЗК во всех методах используются пьезо-
электрические преобразователи.
В соответствии с п е р в ы м методом излучатели (они же являют-
ся и приемниками) УЗК располагаются диаметрально противопо-
ложно с внешней стороны трубопровода таким образом, чтобы их
плоскости были расположены под некоторым углом 9 к оси трубы
(рис. 6.9, а). УЗК под углом а = 90° - 9 к оси трубопровода проходят
в измеряемом веществе путь длиной L. Если W— скорость движения
вещества, с — скорость распространения УЗК в неподвижном из-
меряемом веществе, то значения времени прохождения УЗК указан-
ного пути по направлению движения потока t, и против него t 2 будут
равны соответственно
Таким образом, разность At зависит от скорости движения веще-
ства, следовательно, от объемного расхода. Она может быть измерена
одним из трех способов: 1) время-импульсным, основанным на из-
мерении собственно ∆t; 2) фазовым, при котором измеряется разность
фазовых сдвигов УЗК, направленных по потоку и против него; 3) ча-
стотным, при котором измеряется разность частот повторения корот-
ких импульсов или пакетов УЗК, направленных по потоку и против
него. Последний метод получил наибольшее распространение.
В соответствии со в т о р ы м методом измерения расхода вещества
с помощью ультразвука УЗК излучает лишь один пьезоэлемент, а вос-
принимаются они одним или двумя пьезоэлементами (рис. 6.9, б). Угол
отклонения УЗК от перпендикулярного направления р определяется
уравнением
где x: — линейное отклонение луча на приемном пьезоэлементе; D —
диаметр трубы.
Следовательно,
т.е. линейное отклонение пропорционально скорости, или объемно-
му расходу.
Величина линейного отклонения определяется по выходному сиг-
налу усилителя, на который поступает сигнал с приемного пьезоэле-
мента. При одном приемном пьезоэлементе количество акустической
энергии, поступающей на него, будет уменьшаться с ростом скорости,
и выходной сигнал усилителя будет падать. Поэтому используется
схема с двумя приемными пьезоэлементами, расположенными сим-
метрично относительно излучателя, так как в этом случае выходной
сигнал дифференциального усилителя возрастает с ростом скорости
потока.
Третий метод измерения расхода вещества с помощью ультра-
звука основывается на зависимости от расхода доплеровской разно-
сти частот, возникающей при отражении УЗК от неоднородностей
потока. В соответствии с этим методом излучатель и приемник УЗК
размещают на одной стороне трубопровода (рис. 6.9, в). Доплеровская
разность ∆ƒ исходной ƒ1 и отраженной ƒ2 частот УЗК определяется
выражением
т. е. доплеровская разность частот пропорциональна скорости, или
объемному расходу.
Сигнал с приемного пьезоэлемента поступает на фильтр-выпря-
митель, далее на усилитель и, наконец, на измеритель доплеровского
сдвига частот.
Достоинством ультразвуковых расходомеров является возможность
установки прибора на трубопроводах диаметром от 10 мм и более, а
также измерение расхода любых жидких сред, в том числе неэлектро-
проводных. Недостатки: необходимость индивидуальной градуиров-
ки; зависимость от профиля скоростей, который меняется с измене-
нием расхода; влияние на показания изменений физико-химических
свойств вещества и его температуры, от которых зависит скорость
ультразвука.
Расходомеры Кориолиса
Принцип действия кориолисовых расходомеров основан на обе-
спечении условий возникновения в трубопроводах с потоком жид-
кости силы Кориолиса, которая пропорциональна массовому рас-
ходу жидкости, с последующим преобразованием этой силы в дефор-
мацию, временной интервал или разность фаз двух сигналов.
Сила Кориолиса действует на тела, которые участвуют одновре-
менно в двух движениях: вращательное движение и прямолинейное
движение, в частности по радиусу вращательного движения. Направ-
ление силы Кориолиса зависит от направления прямолинейного
движения: если оно направлено по радиусу от центра вращательного
движения, сила Кориолиса направлена против направления враще-
ния, а если прямолинейное движение направлено к центру, эта сила
направлена по направлению вращательного движения. Сила Корио-
лиса лежит в плоскости вращательного движения и перпендикулярна
к скорости прямолинейного движения.
Как же создают условия возникновения силы Кориолиса при из-
мерении расхода? Прямолинейное движение — это движение жидкости
по трубопроводу. Вращать трубопровод с потоком жидкости нереально,
поэтому на практике реализуют так называемые «малые вращения» —
колебания (вибрации) определенной части трубопровода относительно
жестко закрепленной другой части. Таким образом, оба условия воз-
никновения силы Кориолиса оказываются выполненными. Вибрирую-
щую часть трубопровода обычно выполняют в виде U-образной трубки,
концы которой жестко закреплены (рис. 6.10, а). Поток жидкости вте-
кает в точке крепления во входную трубку, а после изгиба трубки вы-
текает по выходной трубке также в точке крепления.
Рассмотрим, как направлены силы Кориолиса, действующие на
входную и выходную трубки при «малых вращениях» (вибрациях) за-
кругленной части U-образной трубки относительно точек крепления.
Пусть закругленная часть U-образной трубки движется вверх
(рис. 6.10, б). Во входной трубке жидкость движется от центра «малых
вращений», следовательно, сила Кориолиса направлена против направ-
ления вращения, т. е. вниз. Поток жидкости через выходную трубку
направлен к центру «малых вращений», поэтому сила Кориолиса на-
правлена по направлению вращения, т.е. вверх. При движении закру-
гленной части вниз силы Кориолиса направлены в противоположные
стороны.
Таким образом, во входной половине трубки сила Кориолиса пре-
пятствует смещению трубки, а в выходной половине — способствует.
Это приводит к отставанию колебаний входной трубки от выходной
во времени (по фазе). Запаздывание во времени (по фазе) колебаний
входной и выходной трубок прямо пропоционально силе Кориолиса,
следовательно, массовому расходу. В существующих расходомерах,
как правило, измеряют не время запаздывания, а пропорциональную
ему разность колебаний входной и выходной трубок. Для этого при-
меняются два индуктивных датчика положения, преобразующие
механические колебания входной и выходной трубок в электрические
колебания с последующим определением их разности фаз.
Помимо расходомеров с изогнутыми трубками выпускаются рас-
ходомеры с прямыми трубками, которые работают по тому же прин-
ципу. В первой половине расходомера жидкость разгоняется под воз-
действием собственной инерции, а затем снижает скорость в его
второй половине. Инерция жидкости создает силу Кориолиса, которая
незначительно искривляет измерительную трубку. Степень искривле-
ния пропорциональна массовому расходу. Для определения степени
искривления также используются датчики положения. Кориолисовые
расходомеры используются для измерения расхода жидкостей и газов
на трубопроводах диаметром, как правило, до 60 мм. Они могут при-
меняться для измерения расхода жидкостей с изменяющейся плотно-
стью, как электропроводных, так и неэлектропроводных.
Вихревые расходомеры
Принцип действия вихревых расходомеров основан на зависимо-
сти от расхода частоты колебаний давления, возникающих в потоке
в процессе вихреобразования или колебания струи. Существует не-
сколько разновидностей вихревых расходомеров, наиболее распро-
страненными из которых являются расходомеры, имеющие в первич-
ном преобразователе неподвижное тело, при обтекании которого с
обеих его сторон попеременно возникают срывающиеся вихри, соз-
дающие пульсации давления (рис. 6.11, а).
В этом расходомере вихри образуются по причине того, что непо-
средственно за телом, находящимся в потоке, давление потока умень-
шается, и пограничный слой, обтекающий тело, отрываясь от него,
изменяет направление своего движения. Этот процесс происходит с
обеих сторон тела. Но так как развитие вихря с одной стороны пре-
пятствует такому же развитию с другой стороны, то образование
вихрей с двух сторон тела происходит поочередно. При этом за телом
образуется так называемая вихревая дорожка Кармана. Частота сры-
ва вихрей пропорциональна объемному расходу вещества.
Для тела цилиндрической формы, помещенного в потоке, связь
частоты срыва вихрей ƒ и объемного расхода Q устанавливается вы-
ражением
где S — площадь наименьшего поперечного сечения потока вокруг ци-
линдра; d — диаметр цилиндра; Sh — число Струхаля, характеризующее
периодические процессы, связанные с движением жидкости или газа.
Число Струхаля постоянно в определенном диапазоне измерений
расхода.
Однако преимущественное применение в вихревых расходомерах
нашли тела необтекаемой формы, в основном призмы с прямо-
угольным, треугольным или трапецеидальным основанием, причем
основания треугольников и призм обращены навстречу потоку
(рис. 6.11, б). Такие тела образуют сильные и регулярные вихревые
колебания, хотя и создают большую потерю давления. При необхо-
димости усиления выходного сигнала иногда применяют два тела
обтекания, расположенные на некотором расстоянии друг от друга.
Преобразование вихревых колебаний, представляющих собой
пульсации давления и скорости потока, в выходной сигнал осуществ-
ляется с помощью преобразователей давления (например, пьезо-
элементов или тензорезисторов), ультразвуковых преобразователей
скорости и т.п., которые размещаются в обводной трубке, находя-
щейся снаружи трубопровода, или в сквозном отверстии тела обте-
кания, просверленного перпендикулярно потоку (рис. 6.11, в).
Работу вихревого расходомера могут нарушать акустические и
вибрационные помехи, создаваемые насосами, компрессорами, ви-
брирующими трубами и т.п. Влияние частоты вредных вибраций
устраняется с помощью электрических фильтров. К достоинствам
вихревых расходомеров относятся отсутствие подвижных частей, не-
зависимость показаний от давления и температуры и высокая точ-
ность, а к недостаткам — значительная потеря давления, непригод-
ность применения при малых скоростях потока и возможность при-
менения на трубопроводах диаметром от 25 до 300 мм.
Контрольные вопросы
1. Какие существуют виды расхода?
2. В чем отличие объемных счетчиков от скоростных?
3. Охарактеризуйте достоинства и недостатки расходомеров переменного
перепада давления.
4. Какие типы сужающих устройств вы знаете?
5. Какие силы обеспечивают уравновешивание в потоке поплавка рота-
метров?
6. Расход каких сред могут измерять электромагнитные расходомеры?
7. В чем заключается принцип действия калориметрических расходомеров?
8. Какие существуют методы измерения расхода вещества с помощью уль-
тразвука?
9. За счет чего в кориолисовых расходомерах создается сила Кориолиса и
как она действует на чувствительный элемент расходомеров?
10. Чем обусловлено образование вихрей в вихревых расходомерах?
Гл а в а 7
Дата: 2019-04-23, просмотров: 251.
