Измерение расхода

1.

ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА
Расход – это количество вещества, протекающее через
сечение трубопровода в единицу времени.
Расход подразделяют на объемный Q0 и массовый Qм. Прибор,
измеряющий количество вещества, протекающее через данное
сечение трубопровода за некоторый промежуток времени,
называют счетчиком.
Расход и количество газов измеряют в основном объемным
методом. Для получения сравнимых результатов измерения
необходимо объем газа привести к нормальным условиям: 273 К,
101324 Па при нулевой относительной влажности.

2.

ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА
Для пересчета объема сухого газа V к нормальным условиям (Vн)
используют следующую зависимость:
pTн
Vн V
,
p н TK
где К – коэффициент, учитывающий отклонение реального газа от
идеального (коэффициент сжимаемости газа).
При давлении, не превышающем 0,49 МПа и температуре, не
превышающей 50 0С, этот коэффициент практически равен единице.
На плотность газа заметно влияет влагосодержание. Плотность
влажного газа в рабочем состоянии:
вг сг вп сг нп .

3.

ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА
Методы измерения расхода текучих сред весьма разнообразны.
Выделяют следующие:
•переменного перепада давления;
•постоянного перепада давления;
•переменного уровня;
•скоростного напора;
•электромагнитный;
•тахометрический;
•ультразвуковой;
•колебательный;
•прямой массового расхода;
•термический.
Применение того или иного метода измерения расхода зависит от
многих факторов. Рассмотрим наиболее часто встречающиеся в
промышленном производстве.

4.

ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА
Наибольшее распространение для измерения расхода как
жидкостей, так и газов получил метод переменного перепада
давления. Комплект расходомера переменного перепада давления
относительно недорого стоит, прост в конструкции и эксплуатации.
Для градуировки не требуются дорогостоящие образцовые установки.
Расходомеры переменного перепада давления являются
единственными нормализованными средствами измерения из всех
используемых в мировой практике. В нашей стране метод
переменного перепада давления стандартизован (ГОСТ 8.563.1-97
ГСИ, ГОСТ 8.563.2-97 ГСИ, ГОСТ 8.563.3-97 ГСИ).

5.

ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА
Измерение расхода по методу переменного перепада давления
основано на изменении потенциальной энергии (статического
давления) вещества, протекающего через местное сужение в
трубопроводе. Измерение расхода по методу переменного перепада
давления осуществляют косвенным путем, измеряя перепад
(разность) статических давлений на специальном сужающем
устройстве.
Таким образом, при протекании вещества через сужающее
устройство создается перепад давления, зависящий от скорости
потока и, следовательно, от расхода вещества:
P ' P1' P2' .

6.

ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА
Численное значение расхода вещества может быть определено по
перепаду давления , измеренному дифференциальным
манометром. На практике измеряют перепад давления
непосредственно у торцов сужающего устройства:
P P1 P2 .
Измерение расхода методом переменного перепада
давления (схема и график изменения давления на
сужающем устройстве)

7.

ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА
При измерении расхода по методу переменного перепада
давления необходимо соблюдать следующие условия:
•протекающее вещество должно полностью заполнять все
сечение трубопровода и сужающего устройства;
•поток
в
трубопроводе
должен
быть
практически
установившимся (отсюда вытекают требования к месту установки
сужающего устройства на трубопроводе – необходим прямой участок
до и после сужающего устройства).
Фазовое состояние веществ не должно изменяться при
прохождении их через сужающее устройство.

8.

ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА
Массовый и объемный расход газов и жидкостей может быть
получен из уравнения Бернулли и уравнения неразрывности потока:
d
Q м
4
2
2 P ,
d 2
Q
4
2 P
,
где P − перепад давления на сужающем устройстве, Па;
d – диаметр сужающего устройства при температуре измеряемой
среды, м;
α – коэффициент расхода, учитывающий неравномерное
распределение скоростей по сечению потока. Это обусловлено
вязкостью жидкости (газа) и трением о стенки трубопровода,
измерением давления не в центре потока, а на периферии, а также
введением в уравнение расхода площади сечения сужающего
устройства, а не площади наименьшего сечения потока;
ε – поправочный множитель на расширение измеряемой среды;
ρ – плотность измеряемой среды в рабочих условиях.

9.

ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА
К стандартным (нормализованным) сужающим устройствам относят
диафрагмы, сопла, сопла и трубы Вентури, удовлетворяющие
требованиям ГОСТ 8.563.1-97 ГСИ и применяемые для измерения
расхода вещества без индивидуальной градуировки.
Наиболее простое и распространенное сужающее устройство,
применяется в трубопроводах с диаметром от 50 мм − диафрагма.
Стандартное сопло применяют без индивидуальной градуировки в
трубопроводах от 50 мм и выше с модулем от 0,05 до 0,64. При одних
и тех же значениях m и ΔР и прочих равных условиях сопло
позволяет измерять больший расход, чем диафрагма, и обеспечивает
более высокую точность измерений, особенно при малых значениях
m.
Еще одно стандартное сужающее устройство – труба Вентури,
имеющая входной сужающийся участок (конфузор), цилиндрический
участок и выходной расширяющийся участок (диффузор). Применяют
трубы Вентури в тех случаях, когда потеря давления на сужающем
устройстве должна быть минимальной.

10.

ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА
Диафрагма камерная (разрез сверху) и
бескамерная (разрез снизу)
Диафрагма в разобранном
виде (вверху) и узел в
сборе (внизу)

11.

ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА
На практике часто приходится измерять расход при малых числах
Рейнольдса (вязкие жидкости, нагретые газы, движущиеся с малой
скоростью, и т.д.). Из числа исследованных (но не стандартизованных!)
сужающих устройств наиболее часто применяют сдвоенные
диафрагмы, диафрагмы с коническим входом, сегментные диафрагмы.
Сдвоенные диафрагмы. Сдвоенная диафрагма состоит из двух
стандартных диафрагм с различными диаметрами, установленных на
небольшом расстоянии одна от другой.
Основной диафрагмой, по диаметру которой рассчитывают расход,
является вторая, меньшая. Сдвоенная диафрагма образует своего рода
сопло с жидкой стенкой, способствующее возникновению в сужающем
устройстве турбулентного движения
Для сдвоенной диафрагмы недостаточная острота входной кромки и
шероховатость трубопровода практически не влияют на коэффициент
расхода. Единственный недостаток – сложность и громоздкость узла.

12.

ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА
В приборах постоянного перепада
давления, называемых ротаметрами,
имеется подвижный элемент (поплавок
или поршень). Поплавок помещен в
коническую трубу и перемещается
потоком измеряемого вещества, в
результате чего изменяется площадь
проходного сечения. Изменение
площади проходного сечения
происходит так, что разность давлений
на подвижном элементе (перепад
давления) остается практически
постоянной. Противодействующей
силой в расходомерах этого вида
является сила тяжести подвижного
элемента.
N1 N T N c (1
N 2 PF .
п
),

13.

ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА
Измерение расхода по скоростному (динамическому) напору
основано на измерении скорости потока и расчете расхода по
известному поперечному сечению трубопровода. Преимуществом
такого метода является возможность определения скоростей
локальных участков и областей потока простыми измерительными
средствами.
В любом сечении движущегося потока согласно уравнению
Бернулли полное давление Рп складывается из суммы статического
Рст и динамического Рд давлений. Динамическое давление,
характеризующее кинетическую энергию движущегося потока, в
идеальном случае определяется по формуле
wп2
Pд
,
2
где ρ - плотность движущейся среды в рабочих условиях, кг/м3;
w - скорость потока, м/с.

14.

ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА
Следовательно, определение скорости сводится к измерению
динамического напора, равного разности между полным и
статическим давлениями, и расчету скорости по уравнению:
wп
2[( Pcдин
P )c P ]
.
Измерение расхода методом скоростного напора (схема)

15.

ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА
Тахометрический метод нашел широкое применение для
измерения расходов холодной и горячей воды, кислот, щелочей,
жидких продуктов нефтеперегонки, газов и других веществ,
химически не действующих на рабочие части приборов. В методе
используется тахометрический преобразователь расхода, в котором
скорость движения чувствительного элемента, взаимодействующего
с потоком, зависит от расхода вещества. Момент на подвижной части
этих устройств создается за счет кинетической энергии самого
измеряемого потока. Имеется много способов по преобразованию
числа оборотов чувствительного элемента в эквивалентный
электрический сигнал.

16.

ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА
Способы формирования
выходного сигнала в
тахометрических приборах
Магнитоиндукционный
способ предполагает
размещение чувствительного
элемента в поле постоянного
магнита. Выходной сигнал
формируется в катушке при
вращении чувствительного
элемента. В
магнитоэлектрическом способе
чувствительный элемент имеет в
своем составе постоянный
магнит. Индукторный способ
реализован как миниатюрный
электрогенератор. В
фотоэлектрическом импульсы
выходного сигнала формируются
при пересечении потока света
лопастями чувствительного
элемента.

17.

ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА
В шариковом расходомере чувствительный элемент (шарик) под
действием протекающей через датчик жидкости приобретает угловую
скорость ω, пропорциональную объемному расходу Q0:
4Q0
,
2
nd R
где d - диаметр входных отверстий;
n - число отверстий;
R - радиус окружности, на которой расположены оси входных
отверстий.
Эскиз шарикового расходомера

18.

ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА
Электромагнитные или индукционные расходомеры
применяют для измерения расходов жидкостей или пульп,
обладающих достаточной электропроводностью (0,01- 10 Ом/м)
при температуре от - 40 до + 180 0С.
Достоинством
их
является
отсутствие
каких-либо
движущихся или неподвижных элементов, вносимых в
движущийся поток и способных влиять на скорость и создавать
потерю давления. Такие расходомеры позволяют измерять
потоки
невзрывоопасных
электропроводных
жидкостей,
растворов, мелкодисперсионных пульп, агрессивных кислот
(кроме 98 % азотной и плавиковой) и других веществ вплоть до
жидких
металлических
теплоносителей
типа
натрия.
Существует два вида электромагнитных расходомеров:
работающие при постоянном или при переменном магнитном
поле.

19.

ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА
Принцип действия их основан на законе электромагнитной
индукции, с помощью которой осуществляют прямое преобразование
скорости измеряемого потока в электрический сигнал. Так, при
движении электропроводной жидкости, пересекающей магнитное
поле (как для случая проводника), в ней будет наводиться
электродвижущая сила (ЭДС). Величину ЭДС, индуктируемой в
потоке, определяют по формуле:
4Q0 B
E BDwср
,
D
где В -магнитная индукция, Тл; D - диаметр преобразователя
(расстояние между электродами ), м; wср - усредненная по сечению
скорость в канале, м/с
4Q0
wср
D 2
Q0 - расход, м3/ч.

20.

ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА
К принципу действия электромагнитного расходомера

21.

ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА
Электромагнитные расходомеры с постоянным магнитным полем
имеют ряд достоинств:
•отсутствие специального источника питания,
•безопасность в работе,
•большое быстродействие по сравнению с расходомерами с
переменным магнитным полем,
•меньшая чувствительность к помехам со стороны внешних
электрических полей.
К основным недостаткам таких расходомеров относятся:
•явление поляризации (за счет электролиза при протекании
постоянного тока);
•трудность усиления постоянного тока, особенно при большом
внутреннем сопротивлении самого преобразователя.

22.

ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА
В промышленности все чаще стали появляться приборы для
измерения расхода жидкостей, работающих с использованием
ультразвуковых колебаний. Производители используют
времяпролетный принцип (различное время прохождения
ультразвуковой волны при сдвиге приемопередатчиков друг
относительно друга на некоторое расстояние) и эффект Допплера,
когда измеряется разность частот прямого и отраженного сигналов.
Ультразвуковые расходомеры относительно дешевые. Их точность
в лучшем случае достигает ±5%. Поэтому такие устройства чаще
используются просто для индикации потока или его появления.

23.

ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА
В допплеровском расходомере излучатель посылает
ультразвуковую волну с частотой f и скоростью с ее распространения
в жидкости. Она отражается от пузырьков, частиц или турбулентных
вихрей в жидкости, которые двигаются со скоростью потока v.
Скорость ультразвуковой волны относительно таких частиц равна
(с + vcos ),
и, таким образом, видимая частота будет равна
(с + vcos ) f /c.
Частицы, отражающие ультразвуковые волны, действуют как
передатчик, движущийся со скоростью v относительно приемника.
Скорость этих волн относительно приемника равна (с - vcos ).
Схема к принципу действия ультразвукового датчика расхода,
действующего на основе эффекта Допплера

24. УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ РАСХОДОМЕРЫ

Разность частот здесь пропорциональна скорости потока и,
следовательно, также объемному расходу.
Если приход импульса использовать для включения передачи
следующего импульса, то разницу этих частот, таким образом,
можно определить как
(c v cos ) ( c v cos ) 2v cos
f
.
L
L
L

25.

ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА
Времяпролетный прибор состоит из пары ультразвуковых
приемопередатчиков по одному с каждой стороны трубы, через
которую протекает жидкость.
Схема времяпролетного ультразвукового расходомера

26.

ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА
Скорость ультразвуковой волны в одном направлении равна
c v cos ,
c v cos ,
а в другом направлении −
где с — скорость звука в покоящейся жидкости.
Время, необходимое для прохода ультразвукового импульса в
одном направлении, равно
L
,
c v cos
а в другом направлении −
L
.
c v cos

27.

ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА
Таким образом, разность во времени прохождения
ультразвукового сигнала
T T2 T1.
Используем разность времени для определения скорости
движения среды
2
Tc
v
2 L cos( )
и расхода жидкости
D
Tc
Q K
.
4 2 L cos( )
2
2

28.

ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА
Основой работы вихревого расходомера служит детектирование
частоты образования вихрей, образующихся за плохо обтекаемым
телом (так называемая дорожка Кармана). В результате возникают
два параллельных ряда вихрей, причем частота возникающих вихрей
прямо пропорциональна расходу среды.
Вихревые расходомеры применяют как для измерения расхода
жидкостей, и для измерения расхода газов. Они не чувствительны к
изменениям плотности, температуры или давления, имеют
достаточную точность (±1%) и работают при давлении до 10 МПа и
температуре до 200°С.
Образование дорожки Кармана за плохо обтекаемым телом

29.

ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА
Таким образом, для формирования выходного сигнала вихревого
расходомера следует измерить частоту возникновения вихрей. Это
может быть реализовано:
•чувствительным термистором, размещенным на поверхности
плохо обтекаемого тела (охлаждается вихрями);
•ультразвуковым методом;
•чувствительной диафрагмой с пьезоэлектрическим датчиком
давления.
Детектирование частоты
образования вихрей
термисторами
Детектирование частоты
образования вихрей диафрагмой с
пьезоэлектрическим датчиком
давления

30.

ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА
Основной
элемент
кориолисового измерителя
массового расхода − это Uобразная
трубка,
через
которую протекает жидкость.
На трубку и жидкость внутри
нее
действует
угловое
ускорение
от
вибраций,
создаваемых
магнитом,
смонтированным
на
закругленной части трубки, и
катушки,
укрепленной
на
конце Т-образной рессоры.
Колебания рессоры приводят
трубку
в
колебательный
режим.
Схема измерения массового расхода

31.

ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА
Результирующие силы Кориолиса на жидкость в двух ветвях,
таким образом, противоположны по направлению и приводят ветви к
смещению. Когда направление угловой скорости меняется, эти силы
также меняют направление и ветви смещаются в противоположную
сторону. Величина этих смещений пропорциональна массовому
расходу жидкости через трубу. Смещения регистрируются при
помощи оптических преобразователей. Их выходной сигнал
представляет собой импульс, длительность которого
пропорциональна расходу жидкости.
Кориолисовые расходомеры могут применяться как для
жидкостей, так и для газов, выдавая измерение с точностью ±0.5%.
Они не чувствительны к изменениям температуры и давления.