Расходомеры

Вопрос № 3

Наиболее распространенными приборами для измерения расхода являются устройства, работающие на принципах переменного и постоянного перепада давления. Их применяют для измерения расхода жидких и газообразных веществ.

Расходомеры переменного перепада давления. Действие приборов основано на том, что при прохождении жидкости или газообразного вещества через сужающееся устройство, скорость потока в месте сужения увеличивается, а давление падает (закон сохранения количества вещества и энергии (уравнение Бернулли)).

В качестве сужающихся устройств используют нормальные диафрагмы и сопла, нормальные сопла Вентури и трубки Вентури.

Принцип действия рассмотрим на примере работы нормальной диафрагмы, которая представляет собой тонкий диск с отверстием по центру.

При прохождении потока через трубопровод с диафрагмой, сужение сечения потока начинается еще до диафрагмы. На некотором расстоянии за диафрагмой, под действием сил инерции, поток сужается до min сечения, а далее расширяется до полного сечения трубопровода. Перед диафрагмой и после нее образуются зоны завихрения в которых наблюдается повышенное и пониженное давления.

График давления в потоке будет выглядеть следующим образом. Давление потока с начало является величиной постоянной. В начале сужения потока давление немного возрастает, из-за подпора вещества, а затем снижается. Минимальная величина давления соответствует точке, где сечение потока наименьшая. Затем по мере увеличения сечения потока и снижения скорости давление возрастает, но не достигает прежнего значения. Потери давления происходят в следствие трения и завихрений.

Рисунок – График давления жидкости

Разность давлений (перепад) служит мерой расхода вещества проходящего через сужающееся устройство и может быть выражено уравнением:

объемный расход (м³/с)

массовый расход (кг/с)

где α – коэффициент расхода, зависящий от геометрической формы сужающегося устройства и физических свойств измеряемой среды;

F₀ – площадь сечения сужающегося устройства, м²;

ρ – плотность вещества, кг/м³;

∆Р – перепад давлений, Па.

Формулы для газов и паров имеют то же вид, но с учетом их сжимаемости домножаются на коэффициент расширения (ε).

Для измерения перепада давления в комплект расходомера входит дифманометр школа которого может быть уже в единицах расхода.

Расходомер постоянного перепада давления. Данную группу приборов называют ротаметрами и применяют для измерения расхода однородных потоков чистых и слабо загрязненных жидкостей и газов.

Эти приборы широко используют в винодельческом, спиртовом, масложировом и др. производствах.

Прибор представляет собой прозрачную коническую трубку, закрепленную на участке трубопровода. Внутрь трубки помещен поплавок. Жидкость поступает в коническую трубку и проходит через кольцевой зазор между поплавком и трубкой. Так как поток жидкость сужается, то давление перед поплавком больше чем за поплавком. Из-за разности давлений на поплавок действует подъемная сила R.

Рисунок – Расходомер постоянного перепада давления

Величина подъемной силы определяется по формуле:

R = (P₁-P₂)F_n

где, P₁, P₂ – давление среды до и после поплавка, Па;

F_n – площадь поперечного сечения поплавка, м².

Под действием этой силы поплавок будет подниматься. По мере подъема поплавка расстояние между поплавком и поверхностью конической трубки будет увеличиваться и разность давлений уменьшаться. Подъем поплавка будет происходить до тех пор, пока подъемная сила не уравновесится силой тяжести поплавка:

G = mg = V (ρ_n – ρ)

где ρ_п – плотность материала поплавка, кг/м³;

ρ – плотность вещества, кг/м³.

Расход вещества, проходящий через кольцевой зазор между поплавком и трубкой можно найти из выражения:

где F_m – площадь поперечного сечения трубки, м².

При равновесном положении, т.е. когда поплавок неподвижен, ΔР = const, следовательно расход прямопропорционален F_m – F_n и зависит от высоты расположения поплавка.

Индукционные расходомеры. Индукционные (электромагнитные) расходомеры предназначены для измерения и позиционного регулирования расхода вязких и агрессивных жидкостей и пульп обладающих электропроводностью. Их используют для измерения расхода пива, соков, сахарного сиропа и т.д.

В основу работы расходомеров данной группы положено явление электромагнитной индукции. При прохождении электропроводных жидкостей через однородное магнитное поле, создаваемое магнитом, в жидкости, представляющей собой как бы движущийся проводник, возникает ЭДС прямопропорциональная средней скорости потока.

Е = В v_ср d = 1,27 Q_V

где Е – электродвижущая сила, В;

В – магнитная индукция поля, Тл;

v_ср – средняя скорость потока, м/с;

d – внутренний диаметр трубопровода (расстояние между электродами, м;

Q_V - объемный расход вещества, м³/с.

Принципиальная схема индукционного расходомера состоит из участка трубопровода 2, выполненного из изоляционного материала, который помещен в однородное магнитное поле. Магнитное поле создается при помощи электромагнита 1. Индуцируемая в жидкости ЭДС снимается двумя электродами 3. Величина ЭДС, пропорциональная расходу вещества, в измерительном блоке 4 преобразуется в сигнал, который усиливается в усилителе 5, и передается на вторичный прибор 6.

Рисунок – Индукционный расходомер

Данное устройство обладает без инерционностью, показания не зависят от плотности, вязкости и характера потока (ламинарный или турбулентный).

Пределы измерений 0,032-25000 м³/ч с диаметром труб от 3 до 1000 мм.

Специальные приборы для измерения расхода. К данной группе приборов относят щелевые, ультразвуковые и радиационные расходомеры.

Действие щелевых расходомеров основано на пропорциональной зависимости между уровнем и скоростью жидкости при свободном ее истечении через калиброванное, не затопленное отверстие.

Рисунок – Щелевой расходомер

Щелевой расходомер представляет собой открытый резервуар, разделенный перегородкой на две части. В перегородке имеется профильное отверстие (щель), через которое жидкость из одной части резервуара поступает в другую. При этом расход жидкости можно определить как:

(кг/с)

где, К – тарировочный коэффициент, зависящий от формы отверстия.

Перед перегородкой устанавливается пьезометрическая трубка 2, расположенная на одной высоте с нижней кромкой профильного отверстия. Уровень жидкости в трубке равен уровню жидкости в резервуаре над краем профильного отверстия. Пьезометрическую трубку соединяют с пневмопроводом, через который постоянно подают воздух. В начальный момент времени, при подаче воздуха, давление в пневмопроводе постепенно возрастает, и воздух начинает вытеснять воду из трубки. При достижении давления равное гидростатическому давлению в точке А, жидкость будет вытеснена, а через трубку пойдут пузырьки воздуха и давление будет оставаться постоянным. Таким образом, от расхода вещества зависит уровень в резервуаре, от уровня зависит гидростатическое давление в т. А и давление в пневмопроводе. На пневмопроводе устанавливают манометр, проградуированный в единицах расхода.

Ультразвуковой расходомер работает на зависимости, что при распространении ультразвуковой волны в движущейся среде, время ее прохождения от источника до приемника определяется не только скоростью распространения звука в данной среде, но так же скоростью движения самой среды. Если направления звуковой волны и потока совпадают, то скорости складываются, а если не – то вычитаются.

Работа радиационных расходомеров основана на том, что поток вещества на одном из участков подвергается кратковременному облучению (ставится метка). Облученная порция через некоторое время достигает приемника излучения. По времени прохождения, данного участка, определяют скорость потока и соответственно расход. Для облучения вещества используют короткоживущие изотопы.

Дата добавления: 2014-01-07