Средства измерения расхода жидкостей и газов

1. Средства измерения расхода жидкостей и газов

Иркутский Национальный Исследовательский
Университет

2. Когда требуется измерение расхода вещества?

Расход – это количество вещества протекающего через
поперечное сечение трубопровода в единицу времени.
Различают объемный (м3/ч и м3/с) и массовый (кг/с, кг/ч)
расходы.
Измерение расхода и массы веществ
(жидких,
газообразных) применяется в ЛА для контроля при
осуществлении различных операций на земле и в полете,
таких как:
контроль за расходом топлива в единицу времени;
контроль величины давления в масло-, гидросистемах;
регулирование и управление тягой двигателя ВС
посредством изменения подачи топлива и, следовательно, его
пропорции в топливо – воздушной смеси (для ПД и ТВД) и
других операций.

3.

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.
Для пересчета объема сухого газа V к нормальным
условиям (Vн) используют следующую зависимость:
Vн V
pTн
,
pнTK
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.

4. Методы измерения расхода вещества

Для измерения расхода газа, жидкости и пара нашли
применение следующие методы:
переменного перепада давления;
постоянного перепада давления;
метод динамического давления;
объемный метод;
скоростной метод.

5. Метод переменного перепада давления

Наибольшее
распространение на практике получил метод
переменного перепада давления. Измерение расхода по этому
методу
основано
на
определении
давления
вещества
протекающего через местное сужение в трубопроводе. Местные
сужения создаются специальными устройствами чаще всего
диафрагмами, реже соплами и трубами Вентури (рис.1) .
а – диафрагма, б – сужающееся сопло.
Рисунок 1 – Стандартные сужающие устройства

6. Метод переменного перепада давления

При протекании потока вещества через отверстие сужающего устройства
увеличивается скорость потока, а, следовательно, увеличивается
динамическое давление. Это в свою очередь вызывает уменьшение
статического давления т.е.
р1 > р2 (рис. 9.2). Разность давлений
называется перепадом давления на сужающем устройстве, и эта величина
зависит от расхода вещества, протекающего через трубопровод.
а - протекание потока через сужающее устройство (на примере
диафрагмы);
б - диаграмма распределения статического давления.
Рисунок 2 - Метод переменного перепада давления:

7.

Рисунок 3 - Диафрагма

8. Метод переменного перепада давления

Массовый и объемный расход газов и жидкостей может быть получен из
уравнения Бернулли и уравнения неразрывности потока:
Qм
d 2
4
2 P ,
Q
d 2
2 P
4
,
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 –коэффициент расхода, учитывающий расширение потока после
сужающего устройства;
ρ – плотность измеряемой среды в рабочих условиях.

9. Метод переменного перепада давления

При практических измерениях величины
расхода, тогда формула:
не зависят от
V0 K0 p ,Vm Km p
где Кo и Кm – постоянные коэффициенты объемного и
массового расходов.
Таким образом для измерения расхода вещества достаточно
измерить перепад давления на сужающем устройстве.
В датчиках расхода
(дифманометрах) расчет по этим
формулам производится автоматически и выходной сигнал этих
датчиков пропорционален расходу вещества, а не перепаду
давления. В формулы для определения расхода вещества входит
его плотность поэтому результат получается с большой долей
точности.
Для определения количества газа во вторичные приборы
встраиваются
счетчики
сумматоры
или
интеграторы,
показывающие суммарное количество вещества прошедшее через
сечение трубопровода от начала отсчета до данного момента
времени.

10. Метод постоянного перепада давлений

Расходомеры
постоянного
перепада
давления относятся к группе расходомеров
обтекания, т. е. к расходомерам, основанным
на
зависимости
перемещения
тела,
воспринимающего динамическое давление
обтекающего его потока, от расхода
измеряемой среды.
Измерительный орган этих расходомеров,
перемещаясь вертикально, в зависимости от
расхода изменяет площадь кольцевого
зазора таким образом, что перепад давления
по обе его стороны остается постоянным.
Противодействующей силой в расходомерах
этого
вида
является
сила
тяжести
подвижного элемента.
Рисунок 4 – Устройство поплавкового расходомера
N1 N T N c (1 ),
п
N 2 PF.

11. Метод постоянного перепада давлений

а – пара первого типа в стеклянных ротаметрах; б – то же в
металлических; в – пара второго типа; г – пара третьего типа
Рисунок 5 - Типы ротаметрических пар

12. Измерение расхода по скоростному напору

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
Pд
wп2
2
,
где ρ - плотность движущейся среды в рабочих
условиях, кг/м3;
w - скорость потока, м/с.

13.

wп
2( Pп Pст )
Рисунок 6 - Составляющие полного давления

14. Измерение расхода по скоростному напору

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.
Скоростные счетчики применяют для измерения количества
жидкости при температурах до 90 °С и давлениях до 1,6 МПа. Принцип
действия основан на суммировании числа оборотов помещенного в поток
чувствительного элемента за определенный промежуток времени. В
качестве чувствительного элемента в скоростных счетчиках применяются
вертикальные (аксиальные) или горизонтальные (тангенциальные)
вертушки (турбинки). Частота вращения вертушки пропорциональна
средней скорости потока, а следовательно, и объемному расходу. Число
оборотов суммируется счетным механизмом, а количество жидкости в
единицах объема указывается счетным устройством.

15. Измерение расхода по скоростному напору

Объемные счетчики, обладающие большей точностью, чем
скоростные, применяют для измерения веществ с повышенной
вязкостью (до 300 сСт) и высоким температурами (до 170 0С).
Расход протекающей жидкости измеряется отдельными, равными
объемами, вытесняемыми из измерительной камеры прибора под
действием разности давлений на счетчике. Число пропущенных
доз суммируется и указывается указателем счетного механизма.
Тахометрические устройства для измерения расхода
подразделяются на турбинные и шариковые. По принципу
действия эти устройства мало отличаются от обычных
скоростных счетчиков.
Отличаются эти приборы способом преобразования
скорости числа оборотов вертушки в электрический сигнал.
Измерение числа оборотов может быть осуществлено
электромагнитным, фотоэлектрическим, радиоактивным и
другими способами

16. Схемы тахометрических расходомеров

17. Шариковый расходомер

Жидкость приобретает угловую скорость ω, пропорциональную
объемному расходу Q0
4Q0
nd 2 R
где d - диаметр входных отверстий;
n - число отверстий;
R - радиус окружности, на которой расположены оси входных
отверстий.
Рисунок 7 – Схема шарикового расходомера

18. Турбинный расходомер

19.

Электромагнитные или индукционные расходомеры
применяют
для
измерения
расходов
жидкостей,
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 его скорость и
создавать потерю давления. Такие расходомеры позволяют
измерять потоки невзрывоопасных электропроводных
жидкостей, растворов, агрессивных кислот и других веществ
вплоть до жидких металлических теплоносителей типа
натрия.
Существует
два
вида
электромагнитных
расходомеров: работающие при постоянном или при
переменном магнитном поле.

20.

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:
E BDw ср
4Q0 B
,
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.

21. Схема индукционного расходомера

22. Доплеровский расходомер

Излучатель посылает ультразвуковую волну с частотой f и
скоростью с ее распространения в жидкости. Она отражается от
пузырьков, частиц или маленьких 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 ),

23. Доплеровский расходомер

Разность частот здесь пропорциональна скорости
потока и, следовательно, также объемному расходу.
Ультразвуковые
расходомеры
относительно
дешевые. Их точность в лучшем случае достигает ±5%.
Поэтому такие устройства чаще используются просто
для индикации потока или его появления.
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

24. Времяпролетный расходомер

Прибор
состоит
из
пары
ультразвуковых
приемопередатчиков по одному с каждой стороны трубы,
через которую протекает жидкость. Скорость ультразвуковой
волны в одном направлении равна
(с + vcos ),
а в другом направлении — (с - νcos ),
где с — скорость звука в покоящейся жидкости.
Время, необходимое для прохода ультразвукового импульса
в одном направлении, равно
а в другом направлении —
L/(с + vcos ),
L/(с - vcos ).

25. Времяпролетный расходомер

T T2 T1
v
Tc
2
2 L cos( )
Q K
D
2
Tc 2
4 2 L cos( )

26. Корреляционный расходомер

27. Корреляционный расходомер

Этот метод предполагает, что в потоке жидкости
существуют случайные флуктуации (возмущения
потока), такие как турбулентность, пузырьки или
частицы.
Одним
из
средств
определения
флуктуации
является
ультразвук.
Любые
флуктуации, проходя между излучателем и
приемником, воздействуют на принимаемый сигнал,
изменяя его амплитуду и фазу. Сигналы,
принимаемые двумя приемниками, после усиления
и фильтрации поступают на коррелятор. Последний
вычисляет взаимокорреляционную функцию двух
сигналов.

28. Вихревой расходомер

Для любого плохо обтекаемого тела частота
генерируемых вихрей прямо пропорциональна
расходу жидкости.
На этом принципе устроены вихревые
расходомеры.
Вихревые
расходомеры
применяются и для жидкостей, и для газов. Они
не чувствительны к изменениям плотности,
температуры или давления, имеют точность ±1%
и используются при давлении до 10 МПа и
температуре до 200°С.

29.

30.

БЛАГОДАРЮ ЗА
ВНИМАНИЕ!