Приборы для измерения расхода жидкости и газа

Принцип действия расходомеров обтекания основан на зависимости перемещения тела, находящегося в потоке и воспринимающего динамическое давление обтекающего его потока, от расхода вещества. Широко распространенными расходомерами обтекания являются расходомеры постоянного перепада давления — ротаметры, поплавковые и поршневые. Принцип действия расходомеров постоянного перепада давления основан на зависимости от расхода вещества вертикального перемещения тела — поплавка, находящегося в потоке и изменяющего при этом площадь проходного отверстия прибора таким образом, что перепад давления по обе стороны поплавка остается постоянным.

В некоторых расходомерах обтекания, называемых расходомерами обтекания компенсационного -типа, перемещение тела обтекания измеряется по величине давления, создающего усилие, приложенное к телу и уравновешивающее динамическое давление потока на него.

Ротаметры

Расходомеры постоянного перепада давления — ротаметры — применяются для измерения расходов однородных потоков чистых и слабозагрязненных жидкостей и газов, протекающих по трубопроводам и не подверженных значительным колебаниям. Особенно широко они используются в винодельческом, спиртовом, ликерно-водочном и других производствах. Ротаметр (рис. VIII.4) представляет собой длинную коническую трубку 1, располагаемую вертикально, вдоль которой под действием движущегося снизу вверх потока перемещается поплавок 2. Поплавок перемещается до тех пор, пока площадь кольцевого отверстия между поплавком и внутренней поверхностью конусной трубки не достигнет такого размера', 'при котором перепад давления по обе стороны поплавка не станет равным расчетному. При этом действующие на поплавок силы уравновешиваются, а поплавок устанавливается на высоте, соответствующей определенному.значению расхода.

Рассмотрим силы, действующие  на поплавок. Масса поплавка в рабочем состоянии, т. е. при полном погружении в измеряемую среду (в кг),

Поплавковый расходомер постоянного перепада давления (рис. VIII.5) состоит из поплавка 1 и конического седла 2, расположенных в корпусе прибора (отсчетное устройство на схеме не показано) . Коническое седло выполняет ту же роль, что и коническая трубка ротаметра. Различие заключается в том, что длина и диаметр седла примерно равны, а у ротаметров длина конической трубки значительно больше ее диаметра.

В поршневом расходомере (рис. VIII.6) чувствительным элементом является поршень /, перемещающийся внутри втулки 2.

Втулка имеет входное отверстие 5 и выходное отверстие 4, которое является диафрагмой переменного сечения. Поршень с помощью штока соединен с сердечником передающего преобразователя 3. Протекающая через расходомер жидкость поступает под поршень и поднимает его. При этом открывается в большей или меньшей                

степени отверстие выходной диафрагмы. Жидкость, протекающая через  диафрагму, одновременно 'заполняет  также пространство над поршнем, что создает противодействующее усилие.

4. ТАХОМЕТРИЧЕСКИЕ  РАСХОДОМЕРЫ

Расходомеры этой группы широко применяются практически  во всех отраслях пищевой промышленности. Принцип их действия основан на использовании  зависимостей скорости движения тел  — чувствительных элементов, помещаемых в поток, от расхода веществ, протекающих через эти расходомеры. Известно большое число разновидностей тахометрических расходомеров, однако в практике для измерения расхода самых разнообразных жидкостей и газов широко распространены турбинные, шариковые и камерные расходомеры.

Камерные расходомеры

Камерные тахометрические  расходомеры представляют собой один или несколько подвижных элементов, отмеривающих или отсекающих при своем движении 'определенные объемы жидкости или газа. Существует большое число конструкций, камерных расходомеров жидкостей и газов. Овально-шестеренчатый счетчик жидкостей (рис. VIII.11) состоит из двух одинаковых овальных шестерен, вращающихся под действием перепада давления жидкости, протекающей через его корпус. В положении / правая шестерня отсекает некоторый объем жидкости 1; так как на эту шестерню действует крутящий момент, она поворачивается по часовой стрелке, вращая при этом левую шестерню против часовой стрелки. В положении // левая шестерня заканчивает отсекание новой порции жидкости 2, а правая выталкивает ранее отсеченный объем 1 в выходной патрубок счетчика.

В это время вращающий  момент действует на обе шестерни. В положении /// ведущей является левая шестерня, отсекающая объем 2. В положении IV правая шестерня заканчивает отсекание объема 3, а левая выталкивает объем 2. В положении V полностью отсекается объем 3; обе шестерни сделали по пол-оборота, и ведущей стала опять правая шестерня. Вторая половина оборота шестерен протекает аналогично. Таким образом, за один полный оборот шестерен отсекается четыре дозирующих объема. Учет жидкости основан на отсчете числа оборотов шестерен. Выпускаются счетчики, обеспечивающие измерение в диапазоне от 0,8 до 36 м³/ч. Диаметры условных проходов 15— SO мм; класс точности 0,5; 1,0.

5. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ  РАСХОДОМЕРЫ

Электромагнитные (индукционные) расходомеры предназначены для измерения расхода жидких различных сред, в том числе пульп с мелкодисперсными неферромагнитными частицами, с электрической проводимостью не ниже 5-10 См/м, протекающих в закрытых полностью заполненных трубопроводах. Широко применяются в различных отраслях пищевой промышленности.

Электромагнитные  расходомеры выполняются в виде двух отдельных блоков: измерительного преобразователя расхода и измерительного блока — передающего преобразователя, в котором осуществляется  приведение сигнала, полученного  от измерительного преобразователя, к стандартизованному виду, удобному для дальнейшего использования.

Измерительный преобразователь расхода электромагнитного расходомера (рис. VIII-.15) состоит из немагнитного" участка трубопровода 3 с токосъемными электродами 4 и ярма электромагнита 2 с обмоткой возбуждения 1, охватывающего трубопровод. При протекании электропроводных жидкостей по немагнитному трубопроводу 3 через однородное магнитное поле, создаваемое магнитом 2, в жидкости, которую можно представить как движущийся проводник, возникает электродвижущая сила, снимаемая электродами 4. Эта ЭДС Е прямо пропорциональна средней скорости потока: 
E=Blv_cp, (VIII. 27)

где В — электромагнитная индукция в зазоре между полюсами магнита, Т; I — расстояние между электродами, м; р_ср— средняя скорость потока, м/с.

Поскольку площадь  сечения трубы постоянна, ЭДС, снимаемая 
с электродов, может быть выражена через объемный расход жидкости: 
E^BQоlDy, (VIII.28)

где D_у — внутренний  (условный)   диаметр   трубы,   равный   расстоянию   между электродами, м.

Далее сигнал, пропорциональный расходу, подается на измерительный блок (на рис. VIII.15 не показан), где он приводится к стандартизованному виду, и затем передается к прибору или другому измерительному устройству.

Индукционные  расходомеры рассчитаны на условные проходы от 10 до 300 мм и обеспечивают измерение в пределах от 0,32 до 2500 м³/ч. Класс точности 1.

6. РАСХОДОМЕРЫ  ПЕРЕМЕННОГО УРОВНЯ

Эти расходомеры   применяются для измерения расхода загрязненных жидкостей, известкового молока, диффузионного сока, сусла-самотека и т. п. Принцип действия приборов основан на зависимости уровня жидкости в сосуде от расхода при свободном истечении ее через калиброванное отверстие (щель) в дне или боковойстенке. Профиль и диаметр отверстия рассчитываются таким образом, чтобы указанная зависимость была линейной.

Уравнение расхода через  отверстие в дне или стенке сосуда в общем виде выражается следующей зависимостью:

Используя уравнение (VIII.29), можно вывести зависимость между Q и Н для отверстия любой формы. Для получения равномерной шкалы прибора эта зависимость должна быть линейной:Q = KH. (VIII.30)

где К — коэффициент пропорциональности.

К = Qmах/Hmах-                                           (VIII.31)     ,

Щелевой расходомер с  калиброванным незатопленным отверстием (щелью) в стенке корпуса (рис. VIII. 16) представляет собой емкость — корпус /, разделенный перегородкой 4 с профилированной щелью. В левой части корпуса, куда подается измеряемая жидкость через подводящий патрубок, производится измерение ее уровня с помощью пьезометрической уровнемерной трубки 2 и измерительного прибора — дифманометра 3 Для измерения уровня жидкости могут применяться и другие типы уровнемеров.Жидкость, поступающая в левый отсек корпуса, заполняет его, переливается через профилированную щель и через слив уходит В-приемник и далее — по назначению.Другой тип расходомера с отверстием в дне сосуда (рис. VIII.17) состоит из приемника — сосуда переменного уровня 1, корпуса 2, выходного отверстия с калиброванной диафрагмой или соплом 3. Высота столба жидкости над калиброванным    отверстием 3 измеряется с помощью уровне дифманометра 4.Щелевые расходомеры хорошо зарекомендовали себя при измерении сильно загрязненных и быстро кристаллизующихся жидкостей и растворов. Диапазон измерения 0,1—50 м³/ч; основная погрешность устройства в комплекте с вторичным прибором ±3,5%. Приборы входят в систему ГСП.

7. ТЕПЛОВЫЕ РАСХОДОМЕРЫ

Тепловые расходомеры могут   применяться   при измерении небольших расходов практически любых сред при различных их параметрах. Кроме того, они весьма    перспективны   для измерения расхода очень вязких материалов (опары, теста, фруктовых начинок , паст и т. п.). Принцип действия их основан на использовании • зависимости эффекта теплового воздействия на поток вещества от массового расхода этого вещества. Тепловые расходомеры могут выполняться по трем основным принципиальным схемам: калориметрические, основанные на нагреве или охлаждении потока посторонним источником энергии, создающим в потоке разность температур; теплового слоя, основанные на создании    разности температур с двух сторонпограничного слоя;термоанемометрические, в которых используется зависимость между количеством теплоты, теряемой непрерывно нагреваемым телом, помещенным в поток, и массовым расходом вещества. Выбор принципиальной схемы измерения зависит от измеряемой среды, необходимой точности, типа используемых термочувствительных элементов и режима нагрева.

Чувствительными элементами термоанемометрического тепло-sore расходомера опары и теста (рис. VIII.18). являются резисторы R1 и R2, помещаемые (наматываемые) на стенке трубопровода на некотором расстоянии друг от друга. Манганиновые резисторы R3 н R4 служат для создания мостовой схемы, питаемой от источника напряжения Uпит. Сигнал разбаланса, пропорциональный изменению расхода, подается на электронный усилитель ЭУ, где усиливается и после этого управляет вращением реверсивного электродвигателя РД, который, производя перестановку .движка компенсирующего переменного резистора R_r, изменяет напряжение питания до тех пор, пока разбаланс в измерительной диагонали моста не станет равным заданному. Мерой расхода могут служить показания амперметра, ваттметра (на схеме не показан) или положение движка R_p. С помощью тепловых    расходомеров   может    быть обеспечена точность измерения расхода вязких продуктов ±2 —2,5%.

8. ВИХРЕВЫЕ РАСХОДОМЕРЫ

В настоящее время разработаны  и имеют весьма широкие перспективы применения вихревые расходомеры, принцип действия которых   основан на зависимости от расхода частоты колебаний давления среды, возникающих в потоке в процессе вихреобразования. Измерительный преобразователь вихревого расходомера (рис. VIII.19) представляет собой завихритель 1, вмонтированный в трубопровод, с помощью которого поток, завихряется (закручивается) и поступает в патрубок 2. На выходе из патрубка в расширяющейся области 4 установлен электроакустический преобразователь 3, воспринимающий и преобразующий вихревые колебания потока в электрический сигнал, который далее приводится к нормализованному виду, отвечающему требованиям ГСП.

9. АКУСТИЧЕСКИЕ  РАСХОДОМЕРЫ

Для измерения расходов загрязненных, агрессивных и быстро-кристаллизующихся жидкостей и пульп, а также потоков, в которых возможны большие изменения (пульсации) расходов и даже изменения направления движения, когда не могут быть применены другие виды расходомеров, используются расходомеры акустические, чаще всего ультразвуковые. Преимуществами акустических расходомеров также являются бесконтактность измерений, отсутствие движущихся частей в потоке, отсутствие потерь давления в трубопроводах и др.

Принцип действия акустических расходомеров основан на зависимости акустического эффекта в потоке от расхода вещества. Известно несколько методов использования звуковых (ультразвуковых) колебаний для измерения расходов жидкостей и газов. Один из них, так называемый фазовый, основан на том, что при распространении звуковой волны в движущейся среде время ее прохождения от источника до приемника определяется не только скоростью распространения звука в данной среде, но и скоростью движения самой среды. Если звуковая волна направлена по движению потока, скорости их складываются, если против потока, — вычитаются. Разность времени прохождения звука по направлению потоками против него пропорциональна скорости потока, а следовательно, расходу протекающей жидкости.

Акустический расходомер,работающий по двухканальной фазовой схеме (рис. VIII.20), состоит из ультразвукового генератора УЗГ, являющегося источником питания; излучающих пьезо-преобразователей ИП1 и ИП2; приемных пьезопреобразователей ПП1 и ПП2; фазовращающего устройства ФУ для устранения путем асимметрии каналов преобразователей возникающих фазовых сдвигов;' электронного усилителя Ус и измерительного прибора ИП, который градуируется в единицах расхода. В качестве пьезоэлементов в преобразователях чаще всего применяются пластины из титанита бария, могут также использоваться пьезоэлементы из кварца, титанита циркониевой керамики, а также магнитострикционные.