Измерение расхода

Расходом называется количество вещества, проходящее через сечение какого–либо устройства, в единицу времени.

Единицы измерения в СИ – м³/c и кг/c. Внесистемные: л/час, т/час.

Приборы для измерения – расходомеры.

Применяются:

– постоянного перепада давления

– переменного перепада давления

– динамического давления

– переменного уровня

– бесконтактные: электромагнитные

тепловые

ультразвуковые.

Расходомеры постоянного перепада давления.

Данные устройства носят название ротаметров.

Представляет конусообразную трубку, где свободно перемещается поплавок, под действием, проходящего нее потока жидкости или газа. Поток поднимает поплавок до тех пор, пока расширяющаяся кольцевая щель между телом поплавка и стенками трубки не достигнет величины, при которой действующие на поплавок силы уравновешиваются. При этом последний устанавливается на той или иной высоте в зависимости от величины расхода. (рис.2.11).

Коническая стеклянная трубка I закреплена в двух металлических головках 3 и 4, снабженных сальниками в фланцами для включения в вертикальный трубопровод. Головки стянуты одна к другой несколькими шпильками 5, образующими защитную решетку вокруг трубки. В нижней головке 3 расположено седло 6, на которое опускается поплавок 2 при прекращении потока. Поплавок имеет ферму волчка и изготавливается из эбонита (стали, алюминия). Верхняя головка 4 снабжена ограничителем хода поплавка. Проходящий через ротаметр снизу поток жидкости или газа поднимает поплавок вверх до тех пор, пока расширяющаяся кольцевая щель между телом поплавка и стенками конусной трубки не достигнет такой величины, при которой действующие на поплавок силы уравновешиваются. При прохождении среды на поплавок в вертикальном направлении действуют следующие силы: вниз:

сила тяжести:

сила давления потока на верхнюю поверхность поплавка

вверх:

сила давления потока на нижнюю поверхность поплавка

сила трения потока о поплавок

где V– объем поплавка;

ρ _м – плотность материала поплавка; g–ускорение свободного падения;

и – среднее давление потока на единицу соответственно верхней и нижней плоскости поплавка;

S – площадь наибольшего поперечного сечения поплавка;

К – коэффициент сопротивления, зависящий от числа Рейнольдса и степени шероховатости поверхности;

V_к – средняя скорость потока в кольцевом канале, охватывающем боковую поверхность поплавка;

S_б – площадь боковой поверхности поплавка;

n – показатель, зависящий от величины скорости.

При равновесии сил поплавок устанавливается на той или иной высоте в зависимости от величины расхода:

или

Так как скорость потока в кольцевом канале V_К=const при всех расходах (с увеличением расхода увеличивается площадь кольцевого канала), то все величины, входящие в правую часть уравнения, для данного прибора тоже постоянны..

Следовательно, разность давлении на поплавке в любом сечении ротаметра

т.е. ротаметр есть прибор постоянного перепада давления.

На стеклянные ротаметры накладывается ограничение по применению – максимальное давление среды 0, 6 МПа.

Расходомеры переменного перепада давления.

Принцип действия основан на изменении потенциальной энергии (статического давления) протекающего через местное сужение (рис.2.12).

В качестве сужающих устройств применяются диафрагмы, сопла, трубки Вентури.

Рассмотрим принцип измерения на примере применения диафрагмы.

Поток жидкости с давлением Р₀ начинает сужаться перед диафрагмой и вследствие силы инерции достигает наибольшего сужения уже после диафрагмы. После чего вновь расширяется до полного сечения трубопровода. Перед диафрагмой и после нее образуются зоны завихрения потока. Давление перед диафрагмой Р₁ возрастает в результате подпора и понижается до минимума Р₂ после диафрагмы. Затем оно вновь возрастает почти до прежнего уровня, но разнится на величину Р_п (давление потерь). Объясняется потерями энергии на завихрение и трение.

Зависимость между расходом жидкости и перепадом давления Р=Р₁-Р₂ выражается следующим уравнением:

где m – коэффициент расхода, зависящий от геометрической формы сужающего устройства;

e – поправочный коэффициент, учитывающий сжимаемость сред (для жидкости = 1);

r– плотность среды;

s – площадь поперечного сечения с.у.

Расходомеры динамического давления.

Измерение расхода основано на зависимости динамического давления (напора) от скорости потока контролируемой среды.

Полное давление потока Р_п=Р_с+Р_ν . Согласно уравнению Бернулли разность между полным и статическим давлением:

.

Откуда

.

Так как расход связан со средней скоростью потока Q = US, то окончательно:

,

где S – площадь поперечного сечения потока.

Поскольку m, r, s – постоянные величины, расход является функцией скоростного напора Q=f(P_u)

На левое колено U–образного манометра 1 действует давление среды возле стенки канала (статическое), а на правое колено 2 – полное давление потока, т.е. он измеряет динамическое давление (скоростной напор), по которому и определяют расход.

Расходомеры переменного уровня.

Принцип действия основан на зависимости уровня в емкости от расхода жидкости, проходящего через нее (рис. 2.14).

1–уровнемерное стекло;

2 – патрубок

3 – перегородки;

4 – диафрагма

Через нижнее сечение трубы расход определится выражением .

Подставляя выражение для перепада давления получим т. е. Q = f(h).

Электромагнитные.

Принцип действия основан на изменении ЭДС, индуктируемой под действием внешнего магнитного поля в потоке электропроводной жидкости от его скорости. Применяется для кислот, щелочей, соляных растворов.

Принцип действия электромагнитных расходомеров (ЭМР) основан на измерении ЭДС, индуктируемой в потоке электропроводной жидкости (кислоты, щелочи, соли) под действием внешнего магнитного поля.

Принципиальная схема электромагнитного расходомера приведена на рис. 2.15. Корпус 1 с цилиндрической вставкой из немагнитного материала (фторопласта, эбонита и др.), с перемещающейся в нем жидкостью, расположен между полюсами 2 и 3 магнита перпендикулярно направлению силовых линий магнитного поля. В стенки трубопровода диаметрально противоположно (заподлицо с внутренней поверхностью трубы) заделаны измерительные электроды. Под действием магнитного поля ионы, находящиеся в жидкости, перемещаются и отдают свои заряды измерительным электродам электромагнитного расходомера, создавая в них ЭДС Е, пропорциональную скорости течения жидкости. К электродам подключен измерительный прибор 4, шкала которого отградуирована в единицах расхода.

При прохождении жидкости через однородное магнитное поле в ней наводится ЭДС, которая будет пропорциональна средней скорости потока

,

где В – магнитная индукция, l – расстояние между электродами.

Ультразвуковые. Принцип действия ультразвуковых расходомеров основан на измерении какого–либо акустического эффекта, возникающего при прохождении ультразвуковых колебаний в потоке жидкости и зависящем от расхода.

Широко используются расходомеры, основанные на явлении смещения звуковых колебаний движущейся жидкостью. Если жидкость в канале неподвижна, то длительность прохождения импульса равна

,

где l – расстояние между излучателем и приемником ультразвука,

с – скорость ультразвука.

При перемещении жидкости со скорость υ время прохождения ультразвука по направлению потока t₁ и против потока t₂ составят ; . Откуда .

Т.к. с > > υ, то величиной υ ² в знаменателе моно пренебречь. Следовательно . Эта разность времен прохождения импульсов по потоку и против него является мерой расхода.

Принцип действия вихреакустических устройств (рис. 2.16) основан на ультразвуковом детектировании вихрей, образующихся в потоке жидкости при обтекании ею призмы, расположенной поперек потока.

Преобразователь состоит из проточной части и электронного блока. В проточной части расположены тело обтекания – призма трапециидальной формы, пьезоизлучатель и пьезоприемник. Электронный блок включает: фазовый детектор, блок формирования выходных сигналов. При обтекании призмы потоком жидкости за ним образуется вихревая дорожка, частота следования вихрей в которой пропорциональна расходу. Ультразвуковые колебания, исходящие их излучателя, пройдя через поток в результате взаимодействия с вихрями, оказываются модулированными по фазе. На выходе фазового детектора образуется напряжение, которое по частоте и амплитуде соответствует интенсивности и частоте, которая в силу пропорциональности скорости потока является мерой расхода.

Калориметрические расходомеры. Принцип действия заключатся в нагреве потока технологической среды посторонним источником энергии, создающим в нем разность температур, и основан на зависимости ее от скорости потока. Разность температур поддерживают постоянной, а о скорости потока и следовательно величине расхода среды судят по расходу количества теплоты в нагревателе)