Тема №10. Датчики расхода.

В технологических процессах наиболее ответственными являются измерения количества и расхода жидкостей и газов.

Расход – это объем или масса вещества, проходящего через поперечное сечение трубопровода либо канала в единицу времени.

Приборы, измеряющие количество и расход жидкостей и газов, называют расходомерами. Их можно разделить на два класса: 1) расходомеры, измеряющие количество жидкости, пара или газа косвенным путем посредством измерения величин, являющихся функцией количества среды, которая протекает через трубопровод, например перепада давления, скорости, уровня и др.; 2) расходомеры, измеряющие количество жидкости, пара или газа, протекающих через трубопровод, путем непосредственного измерения их объема или массы.

Каждый из этих классов в свою очередь подразделяется на группы приборов, отличающиеся как по принципу действия, так ив конструктивном отношении. Например, расходомеры, измеряющие расход по методу перепада давления, подразделяются на расходомеры с переменным перепадом давления и с постоянным перепадом давления.

Расходомеры в зависимости от типа показывают:

1) величину мгновенного расхода в каждый данный момент (м³/с, м³/ч и т. п.);

2) количество жидкости или газа как сумму мгновенных расходов за любой промежуток времени (м³, л и т.п.). Имеются приборы, одновременно показывающие и записывающие обе указанные величины.

Расходомер, снабженный интегратором для суммирования показаний за какой-то промежуток времени, называют счетчиком.

Объем воздуха и газов можно измерять:

1) при фактических параметрах (температуре и давлении), которые измеряемая среда имеет во время измерений;

2) при параметрах, приведенных к нормальным условиям (температура 0° и давление 760 мм рт. ст.). При измерении объема в нормальных условиях представляется возможным сравнить результаты измерений, полученные на различных объектах.

При измерении количества влажного воздуха или газа необходимо учитывать влажность измеряемой среды. С этой целью вводится поправочный коэффициент, зависящий от величины относительной влажности.

Измерение расхода методом переменного перепада давления в сужающих устройствах (диафрагмах, соплах, расходомерных трубах) для многих случаев является единственно приемлемым. Ввиду высокой точности и удобства этот способ получил большое распространение.

Рис. 1

Расходомер с преобразованием расхода в перепад давления состоит (рис. 1) из сужающего устройства, помещенного в трубопроводе, и дифференциального манометра, измеряющего создаваемый перепад давления. При постоянном расходе для сечений 1—1 и 2—2 справедливо соотношение, представляющее собой объемный расход:

V₁S₁ = V₂S₂

гдеV₁ и V₂ – скорости потока в первом и втором сечениях; S1 и S₂ – Площади поперечных сечений трубопровода в тех же сечениях.

Уравнение Бернулли для этого трубопровода

где р₁ и р₂ — давление в сечениях /—1 и 2—2; ρ - плотность вещества, движущегося в трубопроводе. Это уравнение можно представить в виде

 

Определив из соотношения объемного расхода V₁ и подставив в преобразованное уравнение Бернулли, получим выражения для объемного и массового расходов:

где - коэффициент расхода;S –площадь сечения сужающего устройства; ∆р – перепад давления.

Мембрана дифференциального манометра связана с сердечником дифференциально-трансформаторного датчика перемещения, позволяющего получить на выходе напряжение, являющееся функцией расхода.

Измерение расхода методом постоянного перепада давления основано на том, что в качестве переменной величины, пропорциональной измерению расхода, принимается не перепад давлений, а переменная площадь отверстия сужающего органа. Расходомеры с постоянным перепадом давления, основанные на этом принципе, дают прямолинейную зависимость между расходом и переменной величиной - площадью отверстия прибора.

В расходомерах этого типа имеется подвижный элемент, который перемещается потоком среды и открывает проходное сечение на большую или меньшую величину. Перепад давления до и после подвижного элемента остается при этом постоянным. Перемещение подвижного элемента, пропорциональное расходу, тем или иным способом передается на шкалу, градуированную в единицах расхода.

В качестве расходомеров постоянного перепада обычно используют ротаметры. Они широко используются для измерения расхода растворов хлора, аммиака и коагулянта.

Ротаметр представляет собой вертикальную конусную стеклянную или металлическую трубку, внутри которой находится ротор (поплавок), свободно перемещающийся по всей длине трубки. Поток измеряемого вещества поднимает ротор до тех пор, пока сила, возникающая вследствие перепада давления, который образуется в зазоре между ротором, и внутренней поверхностью конусной трубки, не уравновесится весом ротора. После прекращения поступательного Движения ротор благодаря наличию косых канальцев на верхней кольцевой части приходит во вращательное движение и центрируется в середине потока, не соприкасаясь со стенками трубки. Промышленность выпускает стеклянные ротаметры типа РС с пределом измерения 0,25...3000 л/ч, а также ротаметры, имеющие устройства для передачи показаний на расстояние. Эти устройства могут быть пневматические (ротаметр типа РПД) или электрические с дифференциально-трансформаторной системой передачи (ротаметр типа РЭ). Ротаметр РПД состоит из ротаметрической части и пневматического датчика, который соединяется со вторичным прибором. Укрепленные на сердечнике поплавка магниты образуют магнитную муфту, с помощью которой передвижение поплавка воздействует на узел «сопло-заслонка» датчика.

Рис. 2.

Ротаметр типа РЭ (старое обозначение РЭД) (рис. 65) представляет собой стальной корпус 1, внутри которого имеются камера 2 и коническая труба 3, установленная расширением вверх. В верхнюю часть корпуса впаяна направляющая трубка 5. Другой конец трубки имеет глухую пробку 7, предназначенную для ее очистки. На трубку 5 насажена индукционная катушка 5, которая закрыта кожухом 9. В верхнюю часть кожуха ввернута регулировочная гайка 6, вращением которой производят перемещение индукционной катушки при тарировке ротаметра. Внутри конической трубки 3 расположен поплавок 4 со стержнем 12. Стержень пропущен через упорную шайбу 11и направляющую трубу. На верхнем конце стержня закреплен плунжер 10 индукционного датчика. Поток жидкости через штуцер поступает в камеру 2 и далее через упорную шайбу 11 в коническую трубу 3, Под действием напора жидкости дисковый поплавок 4 перемещается вверх и увлекает за собой плунжер индукционного датчика. Перемещение плунжера приводит к разбалансу дифференциально-трансформаторной схемы, и на вторичный прибор поступает сигнал, пропорциональный измеряемому расходу. Величина хода поплавка ограничена упорной шайбой 11.

Ротаметр градуируется по воде. При измерении расхода другой жидкости необходимо произвести перерасчет шкалы вторичного прибора.

Датчики с преобразованием расхода жидкости в частоту вращения имеют различные конструкции. Действие их основано на измерении частоты вращения ротора турбинки, помещенной в поток жидкости. При турбулентном движении среды частота вращения ротора линейно связана с объемным расходом. Датчик такого типа представляет собой отрезок трубы, внутри которого установлена осевая турбинка. Под действием потока жидкости ротор турбинки вращается с частотой, пропорциональной расходу. Вращение ротора турбинки может механическим путем передаваться на счетный механизм (рис. 3.) или преобразовываться в частоту электрических импульсов, как это показано на рис. 4. При вращении ротора в катушке индуктируется ЭДС с частотой, в два раза большей частоты вращения ротора. В качестве измерительного прибора можно использовать цифровой частотомер.

Рис. 3

 

 

Рис. 4.

 

Индукционный датчик расхода основан на явлении электромагнитной индукции и применим для проводящей жидкости. Схема датчика показана на рис. 5. Жидкость, расход которой измеряется, протекает по трубе неэлектропроводного материала, расположенной в магнитном поле. Роль движущегося проводника играет сама жидкость. В трубе перпендикулярно магнитному потоку установлены два электрода Э. ЭДС, возникающая между ними при движении жидкости, е = ВVd, где B - индукция магнитного потока; d - диаметр трубы; V — скорость движения жидкости.

Рис. 5.

Объемный расход

где S – площадь сечениятрубы.

Парциальные расходомеры позволяют измерять большие расходы жидкости с помощью сравнительно простых приборов.

Действие парциальных расходомеров в отличие от рассмотренных ранее основано на измерении не всего расхода, а лишь части его. На рис. 6 представлена схема парциального водомера, являющегося комбинацией скоростного крыльчатого водомера и колена, выполняющего функцию сужающего органа. Расход воды Q через ответвление трубопровода пропорционален величине основного потока р. Поэтому количество воды, протекающей по трубопроводу, можно определить путем умножения показаний скоростного водомера на постоянный коэффициент.

 

Рис.6.

Колено создает перепад давления, необходимый для преодоления сопротивления ответвления. Диаметр обводной трубки и перепад на колене подбирают так, чтобы через обводную трубку протекало около 1% всей массы воды. На обводной трубке устанавливают пробковые краны для возможности отключения водомера. Парциальные расходомеры тарируют после установки на месте измерений при пяти - восьми различных расходах.

Для контроля расхода воды в системах водоснабжения широко применяют скоростные расходомеры (крыльчатые и спиральные).