Для контроля и управления производством большое значение имеет измерение расхода и количества различных веществ: газов, жидкостей, пульп и суспензий. Расход вещества — это его количество, протекающее через сечение трубопровода в единицу времени. Количество измеряют в единицах объема (м3, см3) или массы (т, кг, г). Соответственно может измеряться объемный (м3/с, м3/ч, см3/с) или массовый (кг/с, кг/ч, г/с) расход.
Для измерения расхода веществ применяют расходомеры, основанные на различных принципах действия: расходомеры переменного и постоянного перепада давлений, переменного уровня, электромагнитные, ультразвуковые вихревые, тепловые и турбинные. Расход сыпучих веществ обычно измеряют различными весоизмерительными устройствами.
Для измерения количества вещество применяют расходомеры с интеграторами или счетчики. Интегратор непрерывно суммирует показания прибора, а количество вещества определяют по разности его показаний за требуемый промежуток времени. Измерение расхода и количества является сложной задачей, поскольку на показания приборов влияют физические свойства измеряемых потоков: плотность, вязкость, соотношение фаз в потоке и т. п. Физические свойства измеряемых потоков, в свою очередь, зависят от условий эксплуатации главным образом от температуры и давления.
Если условия эксплуатации расходомера отличаются от условий, при которых производилась его градуировка, то ошибка в показаниях прибора может значительно превысить допустимое значение, поэтому для серийно выпускаемых приборов установлены ограничения области их применения: по свойствам измеряемого потока, максимальной температуре и давлению, содержанию твердых частиц или газов в жидкости и т. п.
Расходомеры переменного перепада давлений. Действие этих расходомеров основано на возникновении перепада давлений на сужающем устройстве в трубопроводе при движении через него потока жидкости или газа. При изменении расхода Q величина этого перепада давлений delta р также изменяется.
Для некоторых сужающих устройств как преобразователей расхода в перепад давлений коэффициент передачи определен экспериментально и его значения сведены в специальные таблицы. Такие сужающие устройства называются стандартными (рис. 1). Наиболее простым и распространенным сужающим устройством является диафрагма (рис. 1,а). Стандартная диафрагма представляет собой тонкий диск с круглым отверстием в центре. От стойкости диафрагмы и особенно входной кромки отверстия существенно зависит ее коэффициент передачи. Поэтому диафрагмы изготовляют из материалов, химически стойких к из меряемой среде и устойчивых против механического износа. Кроме диафрагмы в качестве стандартных сужающих устройств применяют также сопло Вентури (рис. 1,б), трубу Вентури (рас. 1, в), которые создают меньшее гидравлическое сопротивление в трубопроводе. Сужающее устройство расходомера переменного перепада давлений является первичным преобразователем, в котором расход преобразуется в перепад давлений.
Промежуточными преобразователями для расходомеров переменного перепада давлений служат дифманометры. Дифманометры связаны с сужающим устройством импульсными трубками и устанавливаются в непосредственной близости от него. Поэтому в расходомерах переменного перепада давлений обычно используют дифманометры, снабженные промежуточным преобразователем для передачи результатов измерений на щит оператора (например, мембранные дифманометры ДМ).
Особенностью первичных преобразователей расходомеров переменного перепада давлений является квадратичная зависимость перепада давлений от величины расхода, чтобы показания измерительного прибора расходомера линейно зависели от расхода, в измерительную цепь расходомеров переменного перепада давлений вводят линеаризующий преобразователь. Таким преобразователем служит, например, блок линеаризации в промежуточном преобразователе НП-ПЗ. При непосредственной связи дифманометра с измерительным прибором (например, КСД) линеаризация производится в самом приборе с помощью лекала с квадратичной характеристикой.
Стандартные сужающие устройства:
а-диафрагма; б—сопло Вентури; в—труба Вентури.
Расходомеры постоянного перепада давлений. Расход жидкости или газа можно измерять и при постоянном перепаде давлений. Для сохранения постоянного перепада давлений при изменении расхода через сужающее устройство необходимо автоматически изменять площадь его проходного сечения. Наиболее простой способ— автоматическое изменение площади проходного сечения в ротаметре (рис. 2).
Ротаметр представляет собой вертикальную конусную трубку 2, в которой находится поплавок 1. Измеряемый поток Q, проходя через ротаметр снизу вверх, создает перепад давлений до и после поплавка. Этот перепад давлений, в свою очередь, создает подъемную силу, которая уравновешивает вес поплавка.
Если расход через ротаметр изменится, то изменится и перепад давлений. Это приведет к изменению подъемной силы и, следовательно, к нарушению равновесия поплавка. Поплавок начнет перемещаться. А так как трубка 2 ротаметра конусная, то при этом будет изменяться площадь проходного сечения в зазоре между поплавком и трубкой. В результате произойдет изменение перепада давлений, а, следовательно, и подъемной силы. Когда перепад давлений и подъемная сила снова вернутся к прежним значениям, поплавок уравновесится и остановится.
Таким образом, каждому значению расхода через ротаметр Q соответствует определенное положение поплавка. Так как для конусной трубки площадь кольцевого зазора между ней и по плавком пропорциональна высоте его подъема, то шкала ротаметра получается равномерной.
Промышленность выпускает ротаметры со стеклянными и металлическими трубками. У ротаметров со стеклянной трубкой РМ шкала нанесена прямо на поверхности трубки. Такие ротаметры могут применяться при давлении в трубопроводе до 6•105 Па.
Для дистанционного измерения положения поплавка в металлической трубке используют промежуточные преобразователи линейного перемещения в унифицированный электрический или пневматический сигнал.
В ротаметрах с электрическим выходным сигналом типа РЭД (рис. 3, а) вместе с поплавком 1 перемещается плунжер дифференциально-трансформаторного преобразователи 3. В ротаметрах с пневматическим выходным сигналом типа РПД (рис. 3, б) для передачи положения поплавка преобразователю 4 используется магнитная муфта 5. Она состоит из двух постоянных магнитов. Один — сдвоенный — перемещается вместе с поплавком, другой, укрепленный на рычаге преобразователя перемещения в давление сжатого воздуха 4, двигается вместе с рычагом вслед за первым магнитом.
Выпускаются также ротаметры РПФ для измерения расхода сильноагрессивных сред. У таких ротаметров все детали, соприкасающиеся с измеряемой средой, изготовлены из фторопласта-4. Ротаметры РПО снабжены рубашкой для парового обогрева. Они предназначены для измерения расхода кристаллизующихся сред.
Расходомеры переменного уровня. Из гидравлики известно, что если жидкость свободно вытекает через отверстие в дне бака, то ее расход Q и уровень в баке H связаны между собой. Следовательно, по уровню в баке можно судить о расходе из него.
На этом принципе основано действие расходомеров переменного уровня (рис. 4). Очевидно, что роль первичного преобразователя здесь выполняет сам бак 1 с отверстием 2 в дне. Выходной сигнал такого преобразователя — уровень в баке. Поэтому промежуточным преобразователем измерительной цепи расходомера переменного уровня может служить любой из рассмотренных уровнемеров.
Расходомеры переменного уровня обычно используют для измерения расхода агрессивных и загрязненных жидкостей при сливе их в емкости, находящиеся под атмосферным давлением.
Рис. 1 Ротаметр: 1— поплавок; 2— конусная трубка; 3— шкала.
Рис.2 Ротаметры с дистанционной передачей показаний: а — с дифференциально-трансформаторным преобразователем; б—с пневматическим преобразователем; 1— поплавок; 2— конусная трубка; 3 — дифференциально-трансформаторный преобразователь; 4— преобразователь перемещения в давление сжатого воздуха; 5 — магнитная муфта.
Расходомер переменного уровня: 1 — бак; 2—отверстие.
Электромагнитные расходомеры. Действие электромагнитных расходомеров основано на законе электромагнитной индукции, согласно которому в проводнике, движущемся в магнитном поле, будет наводиться э.д.с, пропорциональная скорости движения проводника. В электромагнитных расходомерах (рис. 5) роль проводника выполняет электропроводная жидкость, протекающая по трубопроводу 1 и пересекающая магнитное поле 3 электромагнита 2. При этом в жидкости будет наводиться э. д. с. U, пропорциональная скорости ее движения, т. е. расходу жидкости.Выходной сигнал такого первичного преобразователя снимается двумя изолированными электродами 4 и 6, установленными в стенке трубопровода. Участок трубопровода по обе стороны от электродов покрывают электроизоляцией 7, чтобы исключить шунтирование наводимой э. д. с. через жидкость и стенку трубопровода.
В расходомерах ИР-11 и ИР-51 измерительная схема, выполненная в виде отдельного блока 5, преобразует наводимую э. д. с. U в унифицированный токовый сигнал i.
Расстояние между первичным преобразователем и измерительным блоком не должно превышать 100 м при электропроводности измеряемой среды до 5•10-2 См/м и 10 м при электропроводности среды до 10-3 См/м. Сопротивление нагрузки не должно превышать 2,4 кОм.
Степень агрессивности измеряемых сред для электромагнитных расходомеров определяется материалом изоляции трубы и электродов первичного преобразователи. В расходомерах ИР для этой цели используют резину, кислотостойкую эмаль и фторопласт. Наиболее стойким к воздействию агрессивных сред является расходомер с фторопластовым изоляционным покрытием и электродами из графитизированного фторопласта.
В процессе эксплуатации расходомеров ИР периодически, не реже одного раза в неделю должны проверяться нуль и градуировка прибора. Для проверки первичный преобразователь заполняют измеряемой жидкостью. После этого переключатель режима работы на передней панели измерительного блока переводят в положение «Измерение» и потенциометром «Нуль» стрелку измерительного прибора устанавливают на нулевую отметку. При переводе переключателя в положение «Калибровка» стрелка прибора должна остановиться на отметке 100 %. В противном случае стрелку выводят на эту отметку потенциометром «Калибровка».
Отличительная особенность электромагнитных расходомеров — отсутствие дополнительных потерь давления на участке измерения. Это объясняется отсутствием деталей, выступающих в трубы. Особенно ценным свойством таких расходомеров в отличие от расходомеров других типов является возможность измерения расхода агрессивных, абразивных и вязких жидкостей и пульп.
Ультразвуковые расходомеры. Действие этих расходомеров основано на сложении скорости распространения ультразвука в жидкости и скорости самого потока жидкости. Излучатель 1 и приемник 3 у импульсов расходомера (рис. 6) располагают на торцах измерительного участка трубопровода 2. Электронный блок 4 содержит генератор импульсов и измеритель времени прохождения импульсом расстояния между излучателем и приемником.
Ультразвуковые расходомеры обладают теми же достоинствами, что и электромагнитные, и, кроме того, могут измерять расход неэлектропроводных жидкостей.
Вихревые расходомеры. Действие таких расходомеров основано на явлении возникновения вихрей при встрече потока с телом необтекаемой формы 1 (рис. 7). При работе расходомера вихри 2—5 отрываются поочередно от противоположных сторон тела, расположенного поперек движения потока. Частота отрыва вихрей прямо пропорциональна скорости потока, т. е. его объемному расходу Q. В месте завихрения скорость потока увеличивается, давление р уменьшается. Поэтому частоту образования вихрей можно измерять, например, манометром, электрический выходной сигнал которого подают на частотомер.
Тепловые расходомеры. Тепловой расходомер состоит из нагревателя 1 и двух датчиков температуры 2 и 3, которые устанавливаются снаружи трубки 4 с измеряемым потоком (рис. 8, а). При постоянной мощности нагревателя количество тепла, забираемое от него потоком, будет также постоянным. Поэтому с увеличением расхода Q нагрев потока будет уменьшаться, что определяется по разности температур t2-t1 измеряемой термодатчиками 3 и 2. Для измерения больших расходов измеряют не весь поток Q, а лишь его часть Q1, которую пропускают по трубке 4 (рис. 8, б). Эта трубка шунтирует участок трубопровода 5, снабженный дросселем 6. Проходное сечение дросселя определяет верхнюю границу диапазона измеряемых расходов: чем больше это сечение, тем большие расходы можно измерять (при той же мощности нагревателя).
Турбинные расходомеры. В таких расходомерах измеряемый поток приводит в движение турбинку 1 (рис. 9), вращающуюся в подшипниках 2. Скорость вращения турбинки пропорциональна скорости потока, т. е. расходу Q. Для измерения скорости вращения турбинки ее корпус 3 изготавливают из не магнитного материала. Снаружи корпуса устанавливают дифференциально-трансформаторный преобразователь 4, а у одной из лопастей турбинки делают кромку из ферромагнитного материала.
При прохождении этой лопасти мимо преобразователя 4 меняется его индуктивное сопротивление и с частотой пропорциональной расходу Q изменяется напряжение на вторичных обмотках Uвых. Измерительным прибором такого расходомера является частотомер, измеряющий частоту изменения напряжения Uвых.
Скоростные счетчики. Эти счетчики аналогичны по устройству турбинным расходомерам (см. рис. 9). Разница между ними заключается в том, что в расходомерах измеряется скорость – вращения турбинки, а в счетчиках—число ее оборотов, которое затем пересчитывается па количество жидкости, прошедшее через счетчик за интересующий нас интервал времени, например, за месяц.
Электромагнитный расходомер: 1 – трубопровод; 2— электромагнит; 3 — магнитные силовые линии; 4, 6— электроды; 5—измерительный блок; 7— слой электроизоляции.
Ультразвуковой расходомер: 1— излучатель; 2 – трубопровод; 3 — приемник; 4— электронный блок.
Вихревой расходомер: 1 — тело; 2 – 5 – вихри.
Тепловые расходомеры: а— для измерения малых расходов; б— для измерения средних и больших расходов. 1-нагреватель; 2, 3 — датчики температуры; 4—трубка; 5—трубопровод; 6 – дроссель.
Турбинный расходомер: 1 — турбинка; 2— подшипники; 3 — корпус; 4—преобразователь.
Для контроля и управления производством большое значение имеет измерение расхода и количества различных веществ: газов, жидкостей, пульп и суспензий. Расход вещества — это его количество, протекающее через сечение трубопровода в единицу времени. Количество измеряют в единицах объема (м3, см3) или массы (т, кг, г). Соответственно может измеряться объемный (м3/с, м3/ч, см3/с) или массовый (кг/с, кг/ч, г/с) расход.
Для измерения расхода веществ применяют расходомеры, основанные на различных принципах действия: расходомеры переменного и постоянного перепада давлений, переменного уровня, электромагнитные, ультразвуковые вихревые, тепловые и турбинные. Расход сыпучих веществ обычно измеряют различными весоизмерительными устройствами.
Для измерения количества вещество применяют расходомеры с интеграторами или счетчики. Интегратор непрерывно суммирует показания прибора, а количество вещества определяют по разности его показаний за требуемый промежуток времени. Измерение расхода и количества является сложной задачей, поскольку на показания приборов влияют физические свойства измеряемых потоков: плотность, вязкость, соотношение фаз в потоке и т. п. Физические свойства измеряемых потоков, в свою очередь, зависят от условий эксплуатации главным образом от температуры и давления.
Если условия эксплуатации расходомера отличаются от условий, при которых производилась его градуировка, то ошибка в показаниях прибора может значительно превысить допустимое значение, поэтому для серийно выпускаемых приборов установлены ограничения области их применения: по свойствам измеряемого потока, максимальной температуре и давлению, содержанию твердых частиц или газов в жидкости и т. п.
Расходомеры переменного перепада давлений. Действие этих расходомеров основано на возникновении перепада давлений на сужающем устройстве в трубопроводе при движении через него потока жидкости или газа. При изменении расхода Q величина этого перепада давлений delta р также изменяется.
Для некоторых сужающих устройств как преобразователей расхода в перепад давлений коэффициент передачи определен экспериментально и его значения сведены в специальные таблицы. Такие сужающие устройства называются стандартными (рис. 1). Наиболее простым и распространенным сужающим устройством является диафрагма (рис. 1,а). Стандартная диафрагма представляет собой тонкий диск с круглым отверстием в центре. От стойкости диафрагмы и особенно входной кромки отверстия существенно зависит ее коэффициент передачи. Поэтому диафрагмы изготовляют из материалов, химически стойких к из меряемой среде и устойчивых против механического износа. Кроме диафрагмы в качестве стандартных сужающих устройств применяют также сопло Вентури (рис. 1,б), трубу Вентури (рас. 1, в), которые создают меньшее гидравлическое сопротивление в трубопроводе. Сужающее устройство расходомера переменного перепада давлений является первичным преобразователем, в котором расход преобразуется в перепад давлений.
Промежуточными преобразователями для расходомеров переменного перепада давлений служат дифманометры. Дифманометры связаны с сужающим устройством импульсными трубками и устанавливаются в непосредственной близости от него. Поэтому в расходомерах переменного перепада давлений обычно используют дифманометры, снабженные промежуточным преобразователем для передачи результатов измерений на щит оператора (например, мембранные дифманометры ДМ).
Особенностью первичных преобразователей расходомеров переменного перепада давлений является квадратичная зависимость перепада давлений от величины расхода, чтобы показания измерительного прибора расходомера линейно зависели от расхода, в измерительную цепь расходомеров переменного перепада давлений вводят линеаризующий преобразователь. Таким преобразователем служит, например, блок линеаризации в промежуточном преобразователе НП-ПЗ. При непосредственной связи дифманометра с измерительным прибором (например, КСД) линеаризация производится в самом приборе с помощью лекала с квадратичной характеристикой.
Стандартные сужающие устройства:
а-диафрагма; б—сопло Вентури; в—труба Вентури.
Расходомеры постоянного перепада давлений. Расход жидкости или газа можно измерять и при постоянном перепаде давлений. Для сохранения постоянного перепада давлений при изменении расхода через сужающее устройство необходимо автоматически изменять площадь его проходного сечения. Наиболее простой способ— автоматическое изменение площади проходного сечения в ротаметре (рис. 2).
Ротаметр представляет собой вертикальную конусную трубку 2, в которой находится поплавок 1. Измеряемый поток Q, проходя через ротаметр снизу вверх, создает перепад давлений до и после поплавка. Этот перепад давлений, в свою очередь, создает подъемную силу, которая уравновешивает вес поплавка.
Если расход через ротаметр изменится, то изменится и перепад давлений. Это приведет к изменению подъемной силы и, следовательно, к нарушению равновесия поплавка. Поплавок начнет перемещаться. А так как трубка 2 ротаметра конусная, то при этом будет изменяться площадь проходного сечения в зазоре между поплавком и трубкой. В результате произойдет изменение перепада давлений, а, следовательно, и подъемной силы. Когда перепад давлений и подъемная сила снова вернутся к прежним значениям, поплавок уравновесится и остановится.
Таким образом, каждому значению расхода через ротаметр Q соответствует определенное положение поплавка. Так как для конусной трубки площадь кольцевого зазора между ней и по плавком пропорциональна высоте его подъема, то шкала ротаметра получается равномерной.
Промышленность выпускает ротаметры со стеклянными и металлическими трубками. У ротаметров со стеклянной трубкой РМ шкала нанесена прямо на поверхности трубки. Такие ротаметры могут применяться при давлении в трубопроводе до 6•105 Па.
Для дистанционного измерения положения поплавка в металлической трубке используют промежуточные преобразователи линейного перемещения в унифицированный электрический или пневматический сигнал.
В ротаметрах с электрическим выходным сигналом типа РЭД (рис. 3, а) вместе с поплавком 1 перемещается плунжер дифференциально-трансформаторного преобразователи 3. В ротаметрах с пневматическим выходным сигналом типа РПД (рис. 3, б) для передачи положения поплавка преобразователю 4 используется магнитная муфта 5. Она состоит из двух постоянных магнитов. Один — сдвоенный — перемещается вместе с поплавком, другой, укрепленный на рычаге преобразователя перемещения в давление сжатого воздуха 4, двигается вместе с рычагом вслед за первым магнитом.
Выпускаются также ротаметры РПФ для измерения расхода сильноагрессивных сред. У таких ротаметров все детали, соприкасающиеся с измеряемой средой, изготовлены из фторопласта-4. Ротаметры РПО снабжены рубашкой для парового обогрева. Они предназначены для измерения расхода кристаллизующихся сред.
Расходомеры переменного уровня. Из гидравлики известно, что если жидкость свободно вытекает через отверстие в дне бака, то ее расход Q и уровень в баке H связаны между собой. Следовательно, по уровню в баке можно судить о расходе из него.
На этом принципе основано действие расходомеров переменного уровня (рис. 4). Очевидно, что роль первичного преобразователя здесь выполняет сам бак 1 с отверстием 2 в дне. Выходной сигнал такого преобразователя — уровень в баке. Поэтому промежуточным преобразователем измерительной цепи расходомера переменного уровня может служить любой из рассмотренных уровнемеров.
Расходомеры переменного уровня обычно используют для измерения расхода агрессивных и загрязненных жидкостей при сливе их в емкости, находящиеся под атмосферным давлением.
Рис. 1 Ротаметр: 1— поплавок; 2— конусная трубка; 3— шкала.
