Измерение количества расхода

Рис. 16. Схема ионизационного манометра.

1.1. Концентрационные расходомеры

Рассматриваемые расходомеры основаны на зависимости от расхода кратности разбавления вещества индикатора, вводимого в поток. Их называют иногда расходомерами, основанными на методе прививки, на солевом методе, на методе смешения и т.д.

Существенное достоинство концентрационного метода измерения расхода – отсутствие необходимости знать размеры поперечного сечения трубопровода или другого канала.

В последние время в качестве вещества – индикатора стали применять радиоактивные изотопы. Это позволило применить концентрационный метод для измерения газа, и даже пара.

Особенно целесообразен концентрационный метод при разовых измерениях больших расходов в закрытых и открытых каналах, а также при проверке работы других расходомеров, так как при этом не требуется демонтажа их преобразователей расхода.

Известные затруднения при применении концентрационного метода возникают из-за необходимости иметь большую длину пути L (порядка 100D и более) для хорошего перемешивания индикатора. Турбулизаторы и местные сопротивления сокращают необходимую длину L. Другое затруднение связано с необходимостью точного измерения очень малых конечных концентраций.

Погрешность измерения расхода с помощью концентрационного метода зависит от индикатора, надлежащей степени его перемешивания и особенно от правильности измерения его конечной концентрации. Погрешность измерения расхода лежит в пределах от ± (0,5¸1)% до ±(2¸3)%. Разработаны и реализуются две разновидности концентрационного метода. В первой производится непрерывный (в течение несколько минут) ввод индикатора и при этом измеряется его расход. Во второй имеется кратковременный или залповый ввод известного количества индикатора концентрационного метода.

1.2. Корреляционные расходомеры

Большинство однофазных потоков, не говоря уже о многофазных, не строго однородны. Поэтому те или другие свойства или параметры потока (плотность, электрическая проводимость, температура и т.д.) непрерывно меняются случайным образом. Если с помощью коррелометра определить абсциссу максимальной ординаты взаимной корреляционной функции двух случайно изменяющихся параметров потока одного и того же рода, в двух сечениях, отстоящих друг от друга на небольшом расстоянии L, то эта абсцисса будет соответствовать времени t перемещения потока на указанном расстоянии L. Зная поперечное сечение потока S, его объемный расход Q можно будет определить по формуле:

Q=kSL/t

где k-коэффициент, учитывающий влияние профиля скоростей, свойств вещества и характера информационно-измерительного устройства.[1]

Между корреляционными и меточными расходомерами имеется много общего. В том и другом случае на концах некоторого участка длиной L устанавливаются преобразователи, служащие для определения времени t -прохода потоком этого участка. Но в одном случае в поток вводится метка, и преобразователи вырабатывают дискретные сигналы при проходе потоком контрольного участка, а в другом - вырабатывается непрерывные сигналы, соответствующие характеру изменения случайных процессов в контролируемых сечениях. Особенно близки к меточным те корреляционные расходомеры, у которых случайные процессы создаются искусственным путем [10].

Достоинство корреляционных расходомеров: возможность применения для измерения расхода загрязненных сред, многофазных потоков и расплавленных металлов; отсутствие потери давления; отсутствие контакта с измеряемым веществом в большинстве случаев.

Недостатки корреляционных расходомеров: длительность процесса измерения, так как с уменьшением времени измерения Т погрешность возрастает; ограниченная точность, обычно погрешность измерения расхода не менее 1,5-2%.

Корреляционные расходомеры предназначены в первую очередь для измерения многофазных веществ и различных потоков, имеющих какие-либо недостатки. Иногда, случайные изменения какого-либо параметра потока, например температуры с помощью нагревателя, создаются искусственным путем. Перед преобразователями корреляционного расходомера надо иметь прямой участок трубы. Согласно [11], длина такого участка после колена должна быть не менее (5¸10)D.

1.3. Ионизационные расходомеры

Ионизационными расходомерами в широком смысле называются приборы, основанные на измерении того или другого зависящего от расхода эффекта, возникающего в результате непрерывной или периодической ионизации потока газа, или (реже) жидкости.

Ионизационные расходомеры разделяются на две существенно-отличные друг от друга группы:

1) расходомеры, в которых измеряются зависящий от расхода ионизационный ток между электродами, возникающий в результате обычно непрерывной искусственной ионизации потока газа (или жидкости) радиоактивным излучением или электрическим полем;

2) расходомеры, в которых измеряется зависящее от расхода время перемещения на определенном участке пути ионизационных меток, возникающих в результате периодической ионизации потока газа ионизирующим излучением или электрическим разрядом; эти расходомеры называются меточными ионизационными

Иногда к ионизационным причисляют расходомеры, не имеющие ионизационного преобразователя расхода и основанные на других принципах действия, но в которых эффект ионизации применяется в какой-либо промежуточной ступени преобразования.

Погрешность приборов, основанных на измерении ионизационного тока, довольно значительна (около ± 5 %) и применяются они сравнительно редко, преимущественно для измерения скоростей, а на расходов газовых потоков. Кроме того, имеются разработки ионизационных приборов для измерения расхода жидкостей - диэлектриков, в частности расхода индустриального масла. Меточные ионизационные приборы более точны.

1.4. Турбинные и шариковые тахометрические расходомеры

Тахометрическими называются расходомеры и счетчики, имеющие подвижной, обычно вращающийся элемент, скорость движения которого пропорциональна объемному расходу. Они подразделяются на турбинные, шариковые, роторно-шариковые и камерные. Измеряя скорость движения подвижного элемента, получаем расходомер, а измеряя общее число оборотов (или ходов) его – счетчик количества (объем или массу) прошедшего вещества. Счетчики воды или газа давно получили широкое распространение, так как для этого надо лишь соединить вал турбинки или другого преобразователя расхода через зубчатый редуктор со счетным механизмом. Для создания же тахометрического расходомера скорость движения элемента надо предварительно преобразовать в сигнал, пропорциональный расходу и удобный для измерения. В этом случае необходим двух ступенчатый преобразователь расхода. Его первая ступень – турбинка, шарик или другой элемент, скорость движения которого пропорциональна объемному расходу, а вторая ступень – тахометрический преобразователь, вырабатывающий измерительный сигнал, обычно частоту электрических импульсов, пропорциональную скорости движения тела. Здесь измерительным прибором будет электрический частотомер: цифровой или аналоговый. Если его дополнить счетчиком электрических импульсов, то получим наряду с измерением расхода также и измерение количества прошедшего вещества. Тахометрические расходомеры появились значительно позже упомянутых ранее счетчиков количества жидкости и газа и не получили еще столь широкого распространения. Их существенное достоинства – быстродействие, высокая точность и большой диапазон измерения. Так, если погрешность турбинных счетчиков воды (ось которых через редуктор связан со счетным механизмом) равна ±2%, то у измерителей количества, имеющих тахометрический преобразователь, эта погрешность снижается до ±0,5%. Причина в том, что этот преобразователь почти не нагружает ось турбинки в отличие от редуктора и счетного механизма. Погрешность же турбинного расходомера от 0,5до 1,5% в зависимости от точности примененного частотомера.

Турбинные тахометрические расходомеры и счетчики количества могут изготовляться для труб диаметром от 4 до 750 мм, для давлений до250 МПа и температур от –240 до +700 ^оС. У нас турбинные приборы применяются преимущественно для измерения расхода и количества воды, различных нефтепродуктов и других жидкостей. На Ивано-Франковском заводе начато их производство и для измерения расхода газа. Основной недостаток турбинных расходомеров – изнашивание опор и поэтому они не пригодны для веществ, содержащих механические примеси. Кроме того, с увеличением вязкости вещества диапазон линейной характеристики уменьшается, что исключает их применение для очень вязких веществ. Но смазывающая способность измеряемого вещества желательна для турбинных расходомеров. Это делает их более пригодными для жидкостей, чем для газов.

Иногда для измерения расхода в трубах большого диаметра применяют маленькие турбинки, занимающие небольшую часть площади сечения трубы. С помощью реечной штанг они вводятся в центр или другую точку сечения потока. Погрешность измерения расхода ориентировочно ±5 %.

Шариковые расходомеры появились позднее турбинных. Они служат для измерения расхода жидкостей, главным образом воды, в трубах диаметром до 150 – 200 мм. Их важное достоинство – возможность работы на загрязненных средах.

Роторно-шариковые расходомеры появились сравнительно недавно и пока не получили широкого применения.

Камерные приборы как счетчики жидкости и газа наряду с турбинными применяются очень недавно. Ранее их называли объемными приборами. Они отличаются большим разнообразием подвижных элементов, дающих наименование разновидностям этих приборов: роторные, поршневые, дисковые, с овальными шестернями, лопастные, винтовые, и т.д. По сравнению с турбинными и шариковыми счетчиками количества они могут обеспечить большую точность и больший диапазон измерения. Так, несмотря на связь вала подвижного элемента с редуктором и счетным механизмом погрешность у некоторых из них составляет всего ±(0,2¸0,5) %. Кроме того, камерные счетчики пригодны для измерения количества жидкости практически любой вязкости, в том числе и очень большой. Но они чувствительны к загрязнениям и механическим примесям. В подавляющем большинстве камерные приборы изготовляются без тахометрических преобразователей и поэтому применяются только для измерения количества, а не расхода.

При необходимости иметь результаты измерения турбинными, шариковыми и камерными приборами в единицах массы их дополняют устройствами, корректирующие показания в зависимости от плотности измеряемого вещества (или только от температуры – для жидкостей).

1.5. Камерные расходомеры и счетчики

Камерными называются тахометрические расходомеры и счетчики, подвижные элементы которых приходят в движение (непрерывное или периодическое) под давлением измеряемой жидкости или газа и при этом отмеривают определенные объемы или массы измеряемого вещества.

Некоторые разновидности камерных приборов применяются уже давно в качестве водо- и газосчетчиков. При этом их подвижные элементы обычно через зубчатый редуктор соединены со счетным механизмом. Несмотря на трение в последних, большинство камерных счетчиков имеют высокий класс точности. Так, погрешность счетчиков газа равна ±(1¸1,5) %, а счетчиков жидкости ±(0,2¸1) %. Диапазон их измерения также достаточно большой и находится в пределах от 5:1 до 20:1 и даже более. Вязкость измеряемого вещества меньше влияет на показание камерных приборов по сравнению с турбинными. Но конструктивно камерные приборы сложнее турбинных и шариковых и поэтому мало пригодны при больших расходах измеряемого вещества. Их редко применяют в трубах, диаметр которых более 200 – 300 мм. Кроме того, они весьма чувствительны к механическим примесям и требуют хорошей фильтрации жидкости и газа. В качестве расходомеров камерные приборы применяют пока еще редко. Но такое применение в будущем весьма перспективно, особенно при отказе от механической связи между подвижными элементами и отсчетным устройством. Это позволит еще больше повысить точность измерения расхода и количества. В простейшем же случае можно ограничиться лишь добавлением тахометрического преобразователя к существующем конструкциям приборов.

Камерные счетчики имеют большое число различных разновидностей. Все они могут быть объединены в три группы:

1) без движущихся разделительных элементов;

2) с эластичными стенками камер;

3) с движущимися разделительными элементами.

Приборы 1-й группы состоят из одной или нескольких мерных камер, которые последовательно опорожняются и заполняются. К ним относятся опрокидывающейся, измеряющие массу или объем жидкости; вращающиеся барабанные, измеряющие объем жидкости или газа; приборы с колеблющимся колоколом. Кроме того, к этой же группе камерных счетчиков могут быть условно отнесены мерные емкости с сильфонным или клапанным опорожнением. Счетчики без движущегося разделительного элемента – наиболее точные. но они служат для измерения лишь небольших расходов и только при ограниченном давлении измеряемого вещества.

Представитель приборов 2-й группы – газосчетчик с эластичными стенками двух и более камер, которые последовательно заполняются и опорожняются при их непрерывном возвратно-поступательном движении. Газораспределительный механизм – золотниковый или клапанный. Подобные приборы находили применение ранее при измерении газа, расходуемого мелкими потребителями.

Приборы 3-й группы имеют наибольшее число разновидностей и применяются чаще других. Они состоят из жесткой камеры, в которой при непрерывном перемещении одного или нескольких разделительных элементов (поршня, диска, роторов и т.п.) осуществляется отмеривание объемов жидкости или газа.

1.6. Тепловые расходомеры

Тепловыми называются расходомеры, основанные на измерении зависящего от расхода эффекта теплового воздействия на поток или тело, контактирующее с потоком. Они служат для измерения расхода газа и реже для измерения расхода жидкости.

Существуют много разновидностей тепловых расходомеров, различающихся способом нагрева, расположением нагревателя (снаружи или внутри трубопровода) и характером функциональной зависимости между расходом и измеряемым сигналом. Основной способ нагрева – электрический омический. Индуктивный нагрев почти не применяется на практике. Кроме того, в некоторых случаях находит применение нагрев с помощью электромагнитного поля и с помощью жидкостного носителя. По характеру теплового взаимодействия с потоком тепловые расходомеры подразделяются на калориметрические, термоконвективные и термоанемометрические. При электрическом омическом нагреве у калориметрических нагреватель расположен внутри, а у термоконвективных – снаружи трубы.

1.7. Измерение малых расходов

Измерение малых расходов жидкостей и газов весьма необходимо в создании различных полузаводских установок, при проведении многих научно-исследовательских работ и при контроле некоторых промышленных процессов.

Целесообразно верхнюю границу малых расходов связать с соответствующей верхней границей диаметра трубопровода D. Если принять D_в=10 мм, то Qmax для жидкостей будет около 1 м³/ч, а для газов - около 10 м³/ч. Если же за верхнию границу принять D_в=5мм, то указанные значения Q_max уменьшаются в четыре раза. Нижняя же граница малых расходов определяются требованиями практики; например 1 см³/ч для жидкостей и 50 см³/ч для газов. Для измерения микрорасходов применяются особые разновидности методов измерения и, кроме того, созданы некоторые специальные методы и приборы, в частности пузырьковые и капельные расходомеры [1].

1.8. Счетчики газа ротационные типа РГ

Счетчики газа ротационные типа РГ предназначены для учета объемного количества очищенных неагрессивных горючих газов. При использовании их в установках коммунальных и промышленных предприятий.

Счетчики могут учитывать газы следующих наименований: природный, сланцевый, генераторный, водяной, коксовый, доменный, светильный, масляный, смешанный, сжиженный, сжиженный пропан-бутан в газообразном состоянии.

Исполнение обыкновенное, экспортное, тропическое.

Технические данные:

Температура измеряемого газа, ^оС………………………………0 – 50

Давление газа в сети, кгс/см² (Мпа)…………………………….. ³ 1

Погрешность показаний, %:

На расходе 10 - 20% от номинального …………………….. ±2

На расходе 20 - 100 % от номинального…………………… ±1,5

Масса счетчика (без упаковки), кг …………………………….. 10,5

Автоматизированный измеритель расхода газов.

Предназначен для измерения расхода газов и жидкостей. Рекомендуется для применения в машиностроении, метрологии, химической промышленности.

Измерение расхода осуществляется по методу переменного перепада давления, образующегося на сужающем устройстве – диафрагме. Все основные узлы расходомера выполнены согласно требованиям «Правил измерения расходов газов и жидкостей стандартными сужающими устройствами» РД-50-213- 80.

Технические характеристики:

Диапазон измерения расходов, нм³/ч…………………………5 – 2000

Максимальное давление рабочей среды, Мпа………………..10

Погрешность измерения

в зависимости от условий применения, % ……………………0,9 –1,7

Диаметр трубопровода сужающего устройства, мм………….50

Термокондуктометрический расходомер газа с электрической передачей показаний.

Расходомер предназначен для измерения объемного расхода неагрессивных газов, например, воздуха, азота при комнатной температуре и атмосферном давлении.

Рекомендуется применять в различных отраслях промышленности и системах КИПиА в составе автоматического устройства контроля взрывоопасности уходящих газов из котлов, а также как лабораторный прибор вместо поплавковых ротаметров типа РМ.

Принцип действия расходомера основан на измерении электрического сопротивления находящейся в потоке расходуемого газа платиновой проволочки, которая включена в схему неравновесного измерительного электрического моста. В качестве платиновой проволочки использованы чувствительные элементы от переносного индикатора взрывоопасности типа ИВП-1 устаревшей модели.

Технические характеристики:

Диапазон измерений, л/ч………………………..16 – 140

Основная погрешность измерений, %………….± 3

Потребляемая мощность, Вт…………………….1 – 3,6

Масса прибора, кг…………………………………3

Габаритные размеры, мм…………………………200 – 125 – 100

Срок службы, лет …………………………………не менее 6

Регулятор скорости потока. Используется в устройствах для очистки газа от твердых и жидких частиц в отраслях промышленности, эксплуатирующих пневмоприводы, пневмоустройстваС помощью регулятора скорости потока расширяется диапазон расходов и увеличивается эффективность используемых сепараторов и циклонов на входе.

Система дозировки газов. Предназначена для контроля и управления слабыми газовыми потоками автономно по трем каналам одновременно или в заданном заранее порядке.

Рекомендуемая область применения – электронная и химическая промышленность, приборостроение, машиностроение.

Принцип действия сенсора основывается на явлении теплопередачи в газах.

Технические характеристики:

Чувствительность, см³Па/с…………………………………0,05

Быстродействие, с……………………………………не более 2

Погрешность измерения, %……………………………….± 1,5

Линейность, %…………………………………………….….± 2

Номинальная потребляемая мощность, Вт ………………200

Допустимые температурные колебания окружающей среды, К…..± 5

Масса всего комплекта, кг …………………………………..не более 20