Методи і прилади вимірювання кількості та витрати

Вимірювання кількості та витрати рідин і газів в енергетиці, нафтогазових та харчових виробництвах має важливе значення як для контролю результатів роботи виробництв, так і для управління технологічними процесами.

Витрата - кількість речовини, яка проходить по каналу чи тру­бопроводу за одиницю часу. Одиниці вимірювань витрати: об'ємні (м³/год; м³/с; л/с), масові (т/год; кг/год; кг/с; г/с). Масові витрати з об'ємними пов'язані залежністю:

F_M = F₀p, (2.30)

де F_M і F_o - масова та об'ємна витрати; р ~ густина речовини, кг/м³. Для вимірювання кількості рідин і газів використовуються об'ємні та швидкісні лічильники.

Принцип дії об'ємних лічильників грунтується на вимірюванні об'єму рідини чи газу, витісненого із вимірювальної камери під впливом різниці тисків.

Швидкісні лічильники працюють за принципом вимірювання середньої швидкості потоку рідини чи газу в трубопроводі.

Швидкісні та об'ємні лічильники розраховані на робочий тиск рідини до 1 МПа і температуру до 40°С. Похибка лічильників становить ±2,5-3%.

Крім лічильників, для визначення кількості речовини досить часто

використовуються дозатори та вагові пристрої: механічні, автоматичні,

неперервної та періодичної дії.

Витратоміри змінного перепаду тиску є найпоширенішими при вимірюванні витрати рідини, пари і газу. В основу методу покладено залежність перепаду тиску на звужуючому пристрої, установленому на трубопроводі, від витрати вимірюваного середовища. Звужуючими пристроями можуть бути стандартні пристрої: діафрагми, сопла, подовжені та короткі сопла Вентурі і нестандартні пристрої з гідравлічним опором (крани, клапани, заслінки, теплообмінники та ін.). На рис. 2.19 показано профіль руху потоку через діафрагму, завихрення, а також розподіл тиску по довжині трубопроводу.

Рис.2.19. Профіль руху потоку через діафрагму

Потік звужується перед діафрагмою, проходить діафрагму і по інерції ще зменшується в перерізі на певній віддалі за діафрагмою, а вже потім зростає в перерізі і поступово заповнює весь переріз трубопроводу. Перед діафрагмою і за нею утворюються зони з вихровим зустрічним рухом відносно основного потоку. Завихрення за діафрагмою значно більші, ніж перед нею. Зменшення площі поперечного перерізу потоку через діафрагму пов'язане як зі збільшенням швидкості потоку і кінетичної енергії, так і зі зменшенням потенціальної енергії і, відповідно, статичного тиску вимірюваного середовища. Тиск потоку перед діафрагмою дещо зростає зарахунок підпору перед діафрагмою і знижується до найменшого значення за діафрагмою, де буде найменша площа перерізу потоку, але найбільша його швидкість. Потім, по мірі заповнення трубопроводу середовищем, тиск зростає, проте не досягає свого попереднього значення. Втрати частини тиску Р пов'язані головним чином з завихреннями та тертям.

Перепад тисків (∆р = р₁ - р₂) на діафрагмі залежить від швидкості потоку, який протікає по звужуючому пристрою, в свою чергу швидкість прямопропорційна витраті. Залежність між витратою рідини та перепадом тиску, виходячи з закону збереження енергії і нерозривності потоку, можна записати:

для об'ємної витрати:, 2.31)

для масової витрати: (2.32)

де а- коефіцієнт витрати; ε - коефіцієнт адіабатного розширення; So площа прохідного отвору діафрагми; р - густина середовища, кг/м³; р₁,р₂ - тиск.

Таким чином, перепад тиску на звужуючому пристрої є мірою витрати речовини, яка проходить по трубопроводу з встановленою діафрагмою.

Рис.2.20. Ротаметр

Витратоміри постійного перепаду тиску (ротаметри) використовуються для вимірювання витрати однорідних і чистих рідин та газів. Широко викорис­товуються ротаметри у виноробній та спиртовій промисловостях. Принцип їх дії грунтується на залежності витрати речовини від вертикального перемі­щення обтічного буйка, що призводить до зміни прохідного перерізу між буйком і конічним корпусом.

Ротаметр (рис.2.20) являє собою вертикальну конічну трубу 1, в якій під дією потоку рідини чи газу переміщується буйок 2. Буйок переміщується доти, поки площа кільця між буйком і корпусом не досягне такого значення, при якому перепад тисків на буйку не стане рівним розрахунковому і не наступить рівновага діючих на нього сил. Буйок при цьому завмирає у зрівноваженому стані на висоті, пропорційній витраті. На буйок діють такі сили: сила ваги - G_i; виштовхувальна сила - Р_а; сила тиску знизу – N₁ = р₁ S_б ; сила тиску зверху – N₂ = р₂ S_б.

Рівняння рівноваги сил, діючих на буйок:

N₁ + P_a = G_і + N₂ (2.33)

Підставивши значення сил одержимо:

∆p = p₁-p₂ =((V₆ g (Р₆ - Р_р))/S₆, (2.34)

де V₆ - об'єм буйка, м³; S₆ - площа поперечного перерізу буйка, м²; Рб і Р_р - густина буйка та рідини, кг/м³; g - прискорення вільного падіння - 9,81 м/с².

Із рівняння 2.34 видно, що перепад тиску на буйку є величина стала і залежить лише від конструктивних параметрів ротаметра, тому й названий витратоміром постійного перепаду тиску.

Виходячи із загального рівняння витрати, визначимо залежність витрати для ротаметра від

t wx:val="Times New Roman"/><w:i/><w:color w:val="000000"/><w:sz w:val="28"/><w:sz-cs w:val="28"/><w:vertAlign w:val="subscript"/><w:lang w:val="EN-US" w:fareast="RU"/></w:rPr><m:t>СЂ</m:t></m:r></m:e></m:rad></m:oMath></m:oMathPara></w:p><w:sectPr wsp:rsidR="00000000"><w:pgSz w:w="12240" w:h="15840"/><w:pgMar w:top="1134" w:right="850" w:bottom="1134" w:left="1701" w:header="720" w:footer="720" w:gutter="0"/><w:cols w:space="720"/></w:sectPr></w:body></w:wordDocument>"> (2.35)

де к - коефіцієнт витрати, який визначається експериментально для даного типу ротаметра; - площа кільця, яка залежить від висоти переміщення буйка.

Промисловість випускає скляні ротаметри типу РМ і РМФ та ротаметри із нержавіючої сталі звичайні, з обігрівом і футеровані фторопластом, з електро- та пневмоперетворювачами типів РЕТММ, РПММ. Класи точності ротаметрів 1,5 і 2,5. Максимальна витрата становить 63 м³ /год.

Електромагнітні витратоміри (ЕМВ) широко використовуються для вимірювання витрати електропровідних (не нижче 10 ^-3 См/см) як звичайних, так і агресивних рідин. ЕМВ за своєю конструкцією являється без­перешкодним витратоміром, бо діаметр його первинного перетворювача одна­ковий з діаметром трубопроводу.

Принцип дії електромагнітних витратомірів грунтується на явищі електромагнітної індукції, тобто на вимірюванні електрорушійної сили (ЕРС), яка наводиться в потоці електропровідної рідини під дією зовнішнього магнітного поля.

Рис.2.21.Схема індукційного витратоміра

Принципова схема ЕМВ змінного струму приведена на рис.2.21. Трубопровід 1 з немагнітного матеріалу (нержавіюча сталь, пластмаси, фторопласт та ін.), по якому протікає рідина 2, розміщений між полюсами 3 і 4 електромагніта 5. У стінки трубопроводу через ізолятори 6 заведені з діаметрально протилежних боків два електроди

7. Внутрішня поверхня трубопроводу покрита ізоляційним матеріалом

8. Між електродами 7 утворюється рідинний провідник, в якому іони під дією магнітного поля переносять і віддають свої заряди електродам 7, утворюючи при цьому електрорушійну силу (ЕРС), пропорційну швидкості потоку, магнітній індукції та довжині рідинного провідника:

Е = 1 В υ_ср, (2.36)

де В - магнітна індукція; υ_ср - швидкість потоку, м/с; 1 - довжина рідинного провідника, м.

Знаючи площу поперечного перерізу трубопроводу і визначивши із залежності 2.36 швидкість, одержимо формулу витрати:

F₀ = (π E d²)/(4 B d) = (π E d)/(4 B) = K E. (2.37)

Таким чином, витрата рідини пропорційна наведеній електрорушійній силі Е. Коефіцієнт К являється конструктивним показником.

Сигнал від електродів по екранованих провідниках через дільник напруги подається на електронний підсилювач і з нього - на вимірювальний прилад. В промислових ЕМВ використовується змінне магнітне поле Промислової частоти, а для підсилення сигналу - електронні підсилювачі з великим вхідним опором.

Промисловість випускає ЕМВ таких типів: ІР-61; 4РІМ; Індукція-51 класів точності 1.0; 2,5. Крім цього випускаються ультразвукові, теплові, вихрові та ін. типи витратомірів.

Дата добавления: 2014-01-07