Измерение расхода. Расходомеры переменного перепада давления

Расход – количество вещества (масса или объем), протекающего через данное сечение трубопровода (канала) в единицу времени. Измерения расхода составляют до 15% от общего числа измерений в промышленности. Информация о расходе широко используется при управлении технологическими процессами для оптимизации их режимов. В последнее время возрастает роль измерений расхода энергоносителей в связи с возрастанием их стоимости и необходимостью контроля эффективности энергосберегающих мероприятий. В зависимости от единицы измерения количества вещества (м³ или кг) различают массовый (кг/с) или объемный расходы (м³ /с). В технике часто применяют производные внесистемные единицы – м³ /ч, т/ч, л/с и др. СИ измерения расхода – расходомеры.

Основной элемент расходомера – преобразователь расхода – устройство, непосредственно воспринимающее динамическое воздействие потока и преобразующее его в другую величину (перепад давления, электрический сигнал), удобную для измерения.

 

Требования к расходомерам, которые удовлетворить совместно очень трудно.

· Высокая точность измерения. Нередко требуется иметь погрешность не более 0,2-0,5 %. Такую погрешность обеспечивают электромагнитные, ультразвуковые и кориолисовы расходомеры.

· Высокая надежность (безотказность и долговечность). Оценивается временем, в течение которого прибор сохраняет работоспособность и заявленную точность. Это время зависит от типа прибора и от условий его применения.

· Малая зависимость результата измерений от изменения плотности вещества. В лучшей степени этому требованию отвечают скоростные расходомеры, у которых статическая характеристика не зависит от плотности.

· Быстродействие прибора. Это требование важно, когда расходомер применяют в системах автоматического регулирования и при измерении быстроменяющихся расходов.

· Широкий диапазон расходов, подлежащих измерению. Расходы жидкости изменяются в пределах от 1 до10⁸ кг/ч (для трубопроводов), а газов — в пределах от 10 до 10⁶ кг/ч.

· Учет большого количества влияющих факторов. Характеристики потока, которые воспринимаются преобразователями расхода, зависят от температуры, вязкости, плотности, наличия дисперсной фазы и т.п.

· Устранение влияния на ЧЭ физико-химических свойств потока. Вещества могут быть агрессивными, абразивными, токсичными, взрывоопасными и т. д.

· Стоимость.

Сейчас существует значительное число методов измерений расхода и разновидностей приборов. Причем часть из них в лучшей степени удовлетворяет одним требованиям, а часть – другим.

Наибольшие распространение получили расходомеры:

· переменного перепада давлений (с сужающим устройством и осредняющими трубками);

· постоянного перепада давлений,

· тахометрические,

· электромагнитные,

· ультразвуковые,

· вихревые,

· кориолисовы (массовые)

Расходомеры переменного перепада давления. Принцип действия основан на зависимости от расхода перепада давления, создаваемого преобразователем расхода, установленным в трубопроводе.

Расходомеры с сужающими устройствами. Принцип действия основан на измерении перепада давления, возникающего в результате преобразования в СУ части потенциальной энергии потока в кинетическую.

Преимущества:

· простота конструкции и низкая стоимость,

· отсутствие подвижных частей и высокая надежность,

· возможность получения статической характеристики расчетным путем,

· малые затраты на поверку.

Недостатки:

· нелинейная статическая характеристика,

· узкий динамический диапазон, 1:3

· погрешность более 2%,

· дополнительное гидравлическое сопротивление.

 

Рис. 6.1. Разновидности сужающих устройств

 

При прохождении сужающего устройства поток деформируется и при этом изменяются скорости и давления в разных сечениях. Выражением закона сохранения энергии для движущегося потока в горизонтальном трубопроводе является уравнение Бернулли. Решение этого уравнения совместно с уравнением неразрывности потока позволяет определить статическую характеристику преобразователя:

где α – коэффициент расхода,

ε – коэффициент, учитывающий изменение плотности среды при уменьшении давления в СУ. Для жидкостей ε=1, а для газов ε <1.

f – площадь отверстия диафрагмы,

K – поправка на тепловое расширение материала диафрагмы.

Расходомеры с осредняющими напорными трубками. Принцип действия основан на измерении скоростного напора в различных точках профиля скорости. Осредняющая трубка представляет собой трубку, которая устанавливается в трубопровод перпендикулярно потоку и имеет несколько отверстий симметрично на различном расстоянии от оси. Диаметр трубки не более 0,1 диаметра трубопровода.

Статическая характеристика расходомера аналогична характеристики расходомера с сужающим устройством, однако расходомеры с осредняющими напорными трубками имеют ряд преимуществ:

· Потеря давления, создаваемая преобразователем, в 5-10 раз меньше потерь давления в сужающем устройстве,

· Погрешность менее ±1% в динамическом диапазоне 1:10,

· Малые габариты и масса при больших диаметрах трубопровода (0,5–3 м),

· Минимальные затраты при монтаже,

· Высокая стабильность коэффициента расхода (0,99)

· Меньшие длины прямых участков.

В современных моделях расходомеров в трубку встроен термометр сопротивлений, что позволяет проводить коррекцию при измерении массового расхода. Кроме того, применение микропроцессоров позволяет использовать регрессионный анализ при калибровке расходомера и обеспечивает коррекцию статической характеристики в реальном масштабе времени.