Средства измерения расхода газообразных, жидких и сыпучих материалов

Лекция 9

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.

Измерительный прибор, служащий для измерения расхода называется расходомером.

Существует множество методов измерения расхода.

Для измерения расхода газа, жидкости и пара нашли применение следующие методы:

1. переменного перепада давления;

2. постоянного перепада давления;

3. метод динамического давления;

4. объемный метод;

5. скоростной метод.

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. 9.1. Стандартные сужающие устройства:

а) диафрагма;

б) сопло.

На рис. 9.1. показаны стандартные сужающие устройства: диафрагма (а) и сопло (б). Диафрагма представляет собой тонкий диск 1 установленный между фланцами 2 в трубопроводе 3, так чтобы ее входное отверстие было концентрично внутреннему контуру трубопровода. Передняя входная часть диафрагмы имеет цилиндрическую форму, а выходная представляет собой расширяющийся конус. Сопло 1 имеет профилированную входную часть, которая затем переходит в цилиндрический участок. Создаваемый в сужающем устройстве перепад давления измеряется дифманометром.

Принцип измерения расхода по методу переменного перепада давления заключается в том, что 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.

Рис. 9.2. Метод переменного перепада давления:

а) протекание потока через сужающее устройство (на примере диафрагмы);

б) диаграмма распределения статического давления.

Расход вещества является функцией перепада давления ,

до и после сужающего устройства.

Однако удобнее измерять давление непосредственно до (р₁) и после (р₂) сужающего устройства и поэтому объемный расход вещества определяют по формуле:

,

где e – коэффициент расхода, учитывающий расширение потока после сужающего устройства,

Fо – поперечное сечение входного отверстия сужающего устройства,

α -коэффициент расхода учитывает факторы: переход от перепада к перепаду , неравномерность распределения скоростей в сечениях потока, коэффициент сужения и зависящий от модуля сужающего устройства m=F0/F1.

Выразим расход через диаметр сужающего устройства:

,

где А – числовой коэффициент зависящий от размерности величин расхода диаметра и .

Если расход измеряют в массовых единицах (кг/с или кг/ч), то выражение принимает вид:

,

Из характера распределения статического давления видно что установка сужающего устройства вызывает безвозвратные потери давления которые могут достигать существенных значений. Причем чем больше эти потери, тем больше погрешность измерения расхода методом переменного перепада давления. Меньше потери и следовательно большую точность измерения обеспечивают сопла и трубы Вентури.

При практических измерениях величины не зависят от расхода, тогда формула:

,

где К_o и К_m – 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.

Для измерения количества твердых или жидких веществ в емкостях применяют весоизмерительные устройства (весы). Для взвешивания больших количеств вещества, например вагонов с грузом, ковшей с жидким металлом, применяют весоизмерительные устройства с тензорезистивными или магнитоупругими чувствительными элементами.

В магнитоупругих чувствительных элементах имеются магнитопроводы, магнитопроницаемость которых зависит от прилагаемого усилия или измеряемого веса. Электрический ток в обмотке элемента служит мерой измеряемого усилия. Применение тензорезистивных и магнитоупругих элементов позволяет получать электрический сигнал пропорциональный силе тяжести материала и поэтому осуществляет дистанционную передачу на вторичный прибор или к другому элементу системы вторичного управления.

В системах дозирования сыпучих материалов применяют весоизмерители, которые тарируются на определенный вес материала с площадью уравновешивающего груза.

Для передачи показаний на расстояние используется магнитоупругий датчик. Если погрешность составляет один процент, то весоизмерители списывают. Первичные измерительные приборы давления и расхода выпускаются бесшкальными, в комплекте с ними применяются унифицированные вторичные измерительные приборы типа КСУ, КПУ, КВУ, серии А (А502, А542), имеющие класс точности 0,25-0,5.