Расходомеры переменного уровня

Расходомер переменного уровня – это прибор, в основе работы которого лежит зависимость между расходом жидкости и высотой ее уровня в сосуде, при этом жидкость должна постоянно поступать в сосуд и вытекать через небольшое отверстие (его обычно делают в дне или боковой стенке). В таких расходомерах сосуд с отверстием истечения и будет преобразователем расходах. Уровень жидкости в сосуде измеряют прямым или косвенным путем.

Сосуд может быть открытым (если жидкость вытекает из трубы в открытую емкость) или закрытым (если емкость, в которую вытекает жидкость, находится под давлением). Расходомеры могут быть с полностью или частично затопленным отверстием истечения. В первом случае отверстие, как правило, круглое и располагается в дне сосуда, но иногда оно может находиться внизу боковой стенки. Во втором случае отверстие истечения расположено внизу боковой стенки сосуда и имеет форму щели (поэтому их еще могут называть щелевыми расходомерами).

Сосуд с отверстием истечения может быть подвижным и неподвижным. В первом случае обязательно измеряют вес сосуда, так как он влияет на высоту уровня, а значит и на расход жидкости. Однако, у большинства рассматриваемых расходомеров преобразователь расхода неподвижный. Расходомерами переменного уровня измеряют расход: сточных вод и загрязненных жидкостей; агрессивных жидкостей (серы); суспензий; смесей жидкостей и газов (нефтегазовые смеси). Расходомеры с затопленным отверстием истечения можно рассматривать как частный случай расходомеров переменного перепада давления. В качестве отверстий истечения обычно используют: диафрагмы и сопла в четверть круга. Обычные сопла не используют, так как струя может оторваться из-за сил тяжести, а значит, может нарушиться постоянство расхода. Жидкость непрерывно поступает в сосуд по трубе, проходит через систему перегородок (они служат для того чтобы уменьшить динамическое давление жидкости) и стекает через отверстие диафрагмы, расположенное в дне сосуда. Чтобы ближайшая боковая стенка не влияла на направление струй, которые притекают к диафрагме, расстояние от ее оси до боковой стенки не должно быть меньше трех диаметров отверстий.

Объемный расход не зависит от плотности жидкости, он полностью определяется высотой уровня жидкости в сосуде.

Рисунок 1 - Схема расходомера переменного уровня с диафрагмой (1-диафрагма, 2- дно сосуда, 3-перегородки, 4- крепежные болты, 5-уравномерная трубка со шкалой, 6- труба) Щелевые расходомеры с неподвижным сосудом

С давних пор для измерения расхода воды в открытых каналах применяют водосливы. Щелевой расходомер – это маленький водослив в стенке сосуда, в который постоянно подается жидкость. По высоте уровня жидкости над нижней кромкой отверстия определяют расход. Существует много различных видов отверстий для щелевых расходомеров. Самым простым будет отверстие прямоугольной формы. Однако шкала у такого прибора неравномерная и в этом его существенный недостаток. Более равномерная шкала у отверстия в форме симметричной трапеции, которая сужается к верху. Линейную шкалу (в пределах от 10 до 100%) можно получить при отверстии, которое называется профилем Сутро. На практике часто применяю несимметричный профиль Сутро с одной криволинейной кромкой, так как такие отверстия легче изготавливать.

Рисунок 2 - Виды отверстий для щелевых расходомеров

Материал щели должен быть твердым и антикоррозийным. Обычно используют листовую сталь с высокой чистотой обработки. Коэффициенты расхода отверстий истечения зависят от нескольких факторов: Ширины и профиля отверстия; Высоты уровня жидкости; Вязкости жидкости; Состояния входной кромки; Степени стесненности жидкости при ее подходе к отверстию. Так, например, коэффициент расхода будет увеличиваться при увеличении ширины отверстия, степени стесненности потока или вязкости, а уменьшаться при не большой высоте уровня. Однако,при очень малых высотах уровней жидкостей данный коэффициент будет возрастать. Чтобы обеспечить точное измерение расхода коэффициент расхода отверстия определяют экспериментально. Для уменьшения погрешности используют образцовые приборы и проводят большое количество опытов. Погрешность постоянной профиля отверстия истечения зависит от: Отклонения реального профиля от идеального; Неточности изготовления профиля; Изменения профиля в процессе эксплуатации. Так как скорость жидкости, которая поступает в сосуд, не большая, то и износ входной кромки должен быть относительно малым. Серьезно изменить вид профиля могут осажденные на нем посторонние частицы (например, при измерении расхода парафинистой нефти). В таких случаях периодически проводят очистку отверстия. Измерение уровня в расходомерах переменного уровня можно производить разными способами. Самый простой – визуальный по шкале у профиля отверстия истечения или у уровнемерного стекла. В качестве устройств измерения могут использоваться различные насадки на трубы, характерными будут треугольные насадки с уровнемером стержневого типа. Гидростатический метод так же получил широкое распространение. Суть метода заключается в измерении давления, которое создается столбом жидкости определенной высоты. На рисунке 3 показан пример устройства для измерения расхода газонасыщенной жидкости. Жидкость по трубе 1 поступает в сепарационную камеру 2, где от нее отделяется газ. Далее жидкость опускается в сосуд 3, в котором находиться успокоительная перегородка 4, и вытекает через отверстие 5 в нижнюю часть емкости 6. Газ в сепарационной камере поднимается вверх по трубе 7, переходит в нижнюю часть емкости 6, где снова смешивается с жидкостью и вместе с ней уходит по трубе 8.

Рисунок 3 - Схема устройства расходомера c неподвижным сосудом. Для лучшей наглядности на рисунке 3 направления движения потоков газа и жидкости обозначены различными цветами, красным и синим соответственно.

Расходомеры с подвижным сосудом У щелевых расходомеров с подвижным сосудом, в который все время втекает жидкость, измеряется вес камеры, так как он влияет на показания высоты уровня. Если не учесть вес камеры, показания расходомера будут отличаться от реального расхода (понятно, что смысла в таком измерении не будет).

Подвижные сосуды бывают четырех видов (рисунок 4)

Рисунок 4 – Виды подвижных сосудов В сосуде со щелевым отверстием прямоугольной формы (рис.4 а) две параллельные стенки делают в виде параболических сегментов, для того чтобы расход и масса жидкости были пропорциональными. Отверстие истечения так же может быть в форме параболы (рис.4 б), тогда 2 параллельные стенки камеры – треугольники. Недостатки камеры с отверстием истечения в дне (рис. 4 г): образуются воронки при малой высоте уровня жидкости, а так же достаточно сложно изготавливать его профильные стенки. На практике чаще всего используют первые два вида преобразователей, потому что для них легче изготавливать отверстия истечения. Но у таких преобразователей в нижней части щели образуется порог, из-за которого начало шкалы прибора становиться нелинейным. Чтобы уменьшить зону нелинейности у первого сосуда уменьшают ширину щели. Во втором сосуде дно камеры делают в виде параболического сегмента, что исключает образование порога. На рисунке 5 показано устройство расходомера переменного уровня с подвижным преобразователем. Для наглядности газ выделен красным цветом, а жидкость - синим. В корпусе расположены сепарирующая емкость (в форме сегмента) и сосуд треугольной формы. Смесь газа и жидкости по входной трубе поступает в сепаратор, где дегазируется и жидкость течет по его широкому основанию через дозирующую щель, в сосуд. Дозирующую щель, обычно, располагают над осью подвижного сосуда. Из сосуда жидкость через отверстие истечения (форма отверстия истечения - парабола) вытекает в нижнюю часть корпуса. Там газ снова перемешивается с жидкостью и течет в выходную трубу. Вес сосуда давит на стержень, который имеет сильфонное уплотнение, и на преобразователь прибора для измерения механических сил. В нашем случае, сильфонное уплотнение - это трубка с гофрированной боковой поверхностью, способное расширяться и сжиматься под действием этого веса сосуда с жидкостью.

Рисунок 5- устройство расходомера с подвижным измерительным сосудом (1 - цилиндрический корпус, 2- сепаратор, 3 - подвижный сосуд, 4 - входная труба, 5 - дозирующая щель, 6 - отверстие истечения измерительного сосуда, 7 - выходная труба, 8 - опора, 9 - стрежень, 10 - сильфонный уплотнитель, 11 - силомер) Для расходомеров переменного уровня с подвижным сосудом большое значение имеет погрешность измерения массы жидкости. Она может зависеть от: Метода измерения; Класса точности прибора; Удара струи втекающей жидкости; Жесткости присоединительных труб; Реакции вытекающей струи; Отложений на стенках камеры и т. д. Чтобы снизить влияние реакции струи жидкость в сосуд стараются вводить рационально. Если преобразователь имеет шарнирную опору, то входящую струю направляют на нее. Взвешивая пустой сосуд можно учесть влияние отложений.