Метод измерения расхода с помощью термоанемометра

Метод измерения расхода с помощью термоанемометра Анемометр
На чтение 36 мин. Просмотров 64 Опубликовано

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано при измерении скорости потока жидкости или газа.

Из уровня техники известен патент RU2191371. Способ термоанемометрических измерений относится к измерительной технике. В способе термоанемометрических измерений путем коммутации энергетического состояния терморезистора при его нагреве и остывании до фиксированных температур и регистрации характеристик изменения энергетического состояния терморезистора при фиксированных температурах коммутации энергетического состояния терморезистора регистрируют значение угла наклона кривой изменения энергетического состояния терморезистора после каждого момента коммутации на интервале длительности импульса изменения энергетического состояния терморезистора. Техническим результатом изобретения является снижение инерционности при термоанемометрических измерениях.

Нагрев и остывание термистора в данном решении осуществляется до фиксированных температур. Недостатком такого подхода может являться ограничение рабочего температурного диапазона.

Также из уровня техники известен патент RU 2217765. Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении скорости движения газовой или жидкой среды, ее плотности, состава, а также состава и плотности твердых теплопроводных сред. Способ включает пропускание через термочувствительный элемент импульсного тока, нагрев и охлаждение термочувствительного элемента между фиксированными температурными уровнями и регистрацию действующего значения импульсного тока. Техническим результатом является повышение точности измерений. Нагрев и остывание термистора в данном решении осуществляется до фиксированных температур. Недостатком такого подхода может являться ограничение рабочего температурного диапазона. Из уровня техники известен патент US 4848147. В этом решении используются термопары вместо NTC термистора и используется в расчетах не время остывания до определенной температуры (как в заявленном способе), а наоборот, два раза измеряется температура по прошествии определенных интервалов времени и из разницы температур рассчитывается скорость потока. Недостатком данного решения можно считать более сложное воплощение.

Про анемометры:  Почему электронные термометры врут? 5 способов точного измерения температуры

Известен способ термоанемометрических измерений скорости потока жидкости или газа, при котором чувствительный элемент нагревают постоянным током, а скорость потока определяют исходя из температуры чувствительного элемента, определяемой из его сопротивления (термоанемометр постоянного тока) или до постоянной температуры, превышающей температуру потока (термоанемометр постоянной температуры). Эти способы описаны в патенте US 1156660. В этом случае скорость потока определяют исходя из количества энергии, расходуемой на поддержание температуры чувствительного элемента. Однако этот способ обладает существенным недостатком. В связи с тем, что результат в значительной степени, причем нелинейно, зависит от температуры потока газа, получение точного результата в широком диапазоне температур трудно достижимо. В качестве ближайшего аналога выбран способ разогрева терморезистора до характеристической температуры за счет тока разогрева, отключения тока разогрева и регистрации времени остывания терморезистора до температуры потока (SU 637676). Недостатком данного способа является сложность определения момента окончания переходного процесса остывания терморезистора, поскольку не предложено четких критериев, когда переходный процесс можно считать законченным.

Технический результат: использование предлагаемого способа позволяет создать приборы для измерения скорости потока, показания которых не зависят от температуры потока в широком диапазоне. Также способ повышает точность измерения.

Заявленный технический результат достигается за счет того, что способ измерения скорости потока жидкости или газа, включающий: размещение в потоке жидкости или газа термистора, имеющего отрицательный температурный коэффициент (NTC); измерение начального сопротивления указанного термистора; приложение к указанному термистору энергетического импульса для создания разности температур между указанным термистором и указанным потоком; измерение стартового сопротивления указанного термистора непосредственно после отключения действия указанного импульса и запоминание стартового времени указанного отключения, и вычисление величины сопротивления отсечки как заранее предопределенной доли от разности между указанным начальным сопротивлением и указанным стартовым сопротивлением; сравнение сопротивления указанного термистора и указанной величины сопротивления отсечки во время процесса остывания термистора; запоминание времени отсечки достижения указанным сопротивлением термистора величины сопротивления отсечки; вычисление временного интервала между указанным временем отключения и указанным временем отсечки; определение скорости потока жидкости или газа исходя из указанного временного интервала. Кроме того, сопротивление отсечки выбирается между 53% и 73% от разницы между указанным начальным сопротивлением и указанным стартовым сопротивлением. Кроме того, стартовое сопротивление и соответствующее ему стартовое время определяется путем определения первого минимума значений сопротивления термистора после отключения импульса, значение которого принимается за указанное стартовое сопротивление, а время его достижения принимается за указанное стартовое время. Кроме того, указанное сопротивление термистора определяется по соответствующему падению напряжения на указанном термисторе.

Про анемометры:  Высокочастотные преобразователи

Прибор для измерения скорости потока жидкости или газа, включающий: термистор, имеющий отрицательный температурный коэффициент (NTC); средства для измерения начального сопротивления указанного термистора; средства для приложения к указанному термистору энергетического импульса для создания разности температур между указанным термистором и указанным потоком; средства для измерения стартового сопротивления указанного термистора непосредственно после отключения действия указанного импульса и запоминания стартового времени указанного отключения, и вычисления величины сопротивления отсечки как заранее предопределенной доли от разности между указанным начальным сопротивлением и указанным стартовым сопротивлением; средства для сравнения сопротивления указанного термистора и указанной величины сопротивления отсечки во время процесса остывания термистора; средства для запоминания времени отсечки достижения указанным сопротивлением термистора величины сопротивления отсечки; средства для вычисления временного интервала между указанным временем отключения и указанным временем отсечки; средства для определения скорости потока жидкости или газа исходя из указанного временного интервала. Кроме того, средства для измерения начального сопротивления указанного термистора выполнены с возможностью определять сопротивление термистора по соответствующему падению напряжения на указанном термисторе.

Недостатки изложенных способов можно преодолеть с помощью предлагаемого способа и прибора его реализующего, если в качестве чувствительного элемента использовать термистор с отрицательным температурным коэффициентом (NTC), при этом для определения скорости потока использовать временной интервал между отключением тока разогрева и моментом времени, в котором в результате остывания сопротивление термистора достигает значения, определяемого как заранее предопределенная доля от разности между сопротивлением термистора до подачи импульса тока разогрева и сопротивлением термистора непосредственно после отключения тока разогрева. Использование предлагаемого способа позволяет создать приборы для измерения скорости потока, показания которых не зависят от температуры потока в широком диапазоне. Наличие четких критериев при определении интервала времени, служащего для расчета скорости, и отсутствие необходимости контролировать температуру окружающей среды или нагретого термистора повышают точность измерения. Для более понятного изложения предложен ряд чертежей. На Фиг.1 показана блок-схема предлагаемого способа. На Фиг.2 показан график изменения сопротивления термистора с отрицательным температурным коэффициентом при нагревании и остывании. На Фиг.3 показана схема одного из вариантов прибора, реализующего предлагаемый способ.

На Фиг.4 показана схема другого варианта прибора, реализующего предлагаемый способ. Вначале приведем некоторые теоретические соображения. Известно, что процесс остывания нагретого элемента T(t, Tg) в потоке с температурой Tg происходит по экспоненциальному закону

Метод измерения расхода с помощью термоанемометра

Tmax – температура элемента при отключении тока разогрева,

τT – постоянная времени охлаждения элемента.

Если использовать в качестве чувствительных элементов терморезисторы с отрицательным температурным коэффициентом, сопротивление которых от температуры меняется следующим образом:

Метод измерения расхода с помощью термоанемометра

Rg – сопротивление термистора при нормальных условиях, обычно при 25°С;

B – коэффициент, зависящий от конструкции NTC термистора,

то при подстановке (1) в (2) получим следующую зависимость сопротивления от времени при остывании:

Учитывая, что для NTC резисторов Rmin соответствует Tmax, а Rg соответствует Tg, выражение (4) преобразуется в следующее:

Метод измерения расхода с помощью термоанемометра

Параметры импульсного нагрева NTC термистора выбираются таким образом, чтобы в зоне рабочих температур анемометра значение Tn находилось в интервале от 0,2 до 0,3 ч не превышало 0,4 при максимально допустимых температурах. Учитывая, что значение температурного коэффициента В для современных NTC термисторов характеристикой находится в интервале 2000-4000 (например, в часто применяемых в термоанемометрах термисторах 111-202САК-Н01 производства Honeywell В равно 3068), то величина произведения B*Tn/Tg, входящая в (4), находится в пределах 2,5-6,0 единиц.

При таких условиях можно считать, что изменение сопротивления NTC термистора при его остывании также подчиняется экспоненциальному закону

Метод измерения расхода с помощью термоанемометра

а постоянная времени изменения сопротивления NTC термистора при его охлаждении τR функционально связана с высоким коэффициентом корреляции с постоянной времени изменения его температуры τT.

На Фиг.1 показана блок-схема метода. В блоке 1 происходит измерение сопротивления NTC термистора Rg до разогрева при температуре Tg, равной температуре потока. При включении тока разогрева в блоке 2 сопротивление термистора начинает уменьшаться в соответствии с увеличением его температуры до минимального значения Rmin, соответствующего Tmax. В момент времени tmin в блоке 3 происходит отключение тока разогрева, а затем в блоке 4 – измерение значения Rmin. Основываясь на значениях Rg и Rmin вычисляется сопротивление отсечки Rt

Метод измерения расхода с помощью термоанемометра

где k – коэффициент, выбираемый близко к 0.63.

В процессе остывания сопротивление термистора увеличивается по экспоненциальному закону. В блоке 5 происходит проверка, достигло ли сопротивление терморезистора RNTC величины Rt. По достижении в блоке 6 происходит засечка момента времени t1 и определение

Метод измерения расхода с помощью термоанемометра

из которой вычисляется скорость потока в блоке 7. Вычисление скорости производится по формуле:

Метод измерения расхода с помощью термоанемометра

гдеτR – постоянная времени при скорости потока V; τ0 – постоянная времени при V=0, т.е. при нулевой скорости потока; ρ – плотность газового потока; K’ и n – калибровочные (градуировочные) константы.

Таким образом, измеряя постоянную времени – τR процесса изменения сопротивления ЧЭ, не контролируя при этом ни температуры окружающей среды, ни температуры нагретой нити, мы можем измерять скорость потока, повысив точность измерения, за счет сокращения количества контролируемых параметров и сохранив независимость измеряемой скорости от изменения температуры контролируемого потока, что и предопределяет достижение технического результата.

На Фиг.2 представлен график изменения сопротивления терморезистора при нагреве и охлаждении в соответствии с предлагаемым методом.

На Фиг.3 представлена схема одного из возможных вариантов прибора, реализующего предлагаемый способ. NTC термистор 8 соединен с управляемым от микроконтроллера (МК) 9 ключом 10, который в режиме разогрева подключает его к источнику тока разогрева 11, а в режиме измерения – к источнику тока измерения 12. Сила тока разогрева и время его действия выбираются исходя из ранее изложенного критерия для Tn, а сила тока измерения выбирается в результате компромисса между чувствительностью измерительных цепей прибора и влиянием погрешности от нежелательного подогрева термистора в режиме измерения. Сигнал с терморезистора поступает на аналогово-цифровой преобразователь 13 (далее АЦП). Результаты преобразования поступают в микроконтроллер 9 для обработки. Микроконтроллер 9 оснащен таймером 14 для определения интервалов времени и осуществляет функции управления устройством и вычислений. На Фиг.4 представлена схема другого возможного варианта прибора, реализующего предлагаемый метод. Он отличается от первого тем, что дополнительно содержит компаратор 15 и цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) 16. В этом варианте после измерения Rg и Rmin и вычисления Rt значение напряжения, соответствующего Rt, записывается в ЦАП 16. При достижении термистором сопротивления Rt, компаратор 15 меняет свое состояние, что регистрируется микроконтроллером как момент времени tt.

Следует отметить, что возможные варианты выполнения приборов, реализующих предлагаемый метод, не ограничиваются вышеперечисленными вариантами.

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано при измерении скорости потока жидкости или газа. Заявленный способ измерения скорости потока жидкости или газа включает: размещение в потоке жидкости или газа термистора, имеющего отрицательный температурный коэффициент (NTC); измерение начального сопротивления указанного термистора; приложение к указанному термистору энергетического импульса для создания разности температур между указанным термистором и указанным потоком; измерение стартового сопротивления указанного термистора непосредственно после отключения действия указанного импульса и запоминание стартового времени указанного отключения, и вычисление величины сопротивления отсечки как заранее предопределенной доли от разности между указанным начальным сопротивлением и указанным стартовым сопротивлением; сравнение сопротивления указанного термистора и указанной величины сопротивления отсечки во время процесса остывания термистора; запоминание времени отсечки достижения указанным сопротивлением термистора величины сопротивления отсечки; вычисление временного интервала между указанным временем отключения и указанным временем отсечки; определение скорости потока жидкости или газа исходя из указанного временного интервала. Технический результат: повышение точности измерения, создание приборов для измерения скорости потока, показания которых не зависят от температуры потока в широком диапазоне. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.Метод измерения расхода с помощью термоанемометра

1. Способ измерения скорости потока жидкости или газа, включающий размещение в потоке жидкости или газа термистора, имеющего отрицательный температурный коэффициент (NTC); измерение начального сопротивления указанного термистора; приложение к указанному термистору энергетического импульса для создания разности температур между указанным термистором и указанным потоком; измерение стартового сопротивления указанного термистора непосредственно после отключения действия указанного импульса и запоминание стартового времени указанного отключения, и вычисление величины сопротивления отсечки как заранее предопределенной доли от разности между указанным начальным сопротивлением и указанным стартовым сопротивлением; сравнение сопротивления указанного термистора и указанной величины сопротивления отсечки во время процесса остывания термистора; запоминание времени отсечки достижения указанным сопротивлением термистора величины сопротивления отсечки; вычисление временного интервала между указанным временем отключения и указанным временем отсечки; определение скорости потока жидкости или газа, исходя из указанного временного интервала.

2. Способ по п.1, в котором сопротивление отсечки выбирается между 53% и 73% от разницы между указанным начальным сопротивлением и указанным стартовым сопротивлением.

3. Способ по п.1, в котором стартовое сопротивление и соответствующее ему стартовое время определяется путем определения первого минимума значений сопротивления термистора после отключения импульса, значение которого принимается за указанное стартовое сопротивление, а время его достижения принимается за указанное стартовое время.

4. Способ по п.1, в котором указанное сопротивление термистора определяется по соответствующему падению напряжения на указанном термисторе.

Содержание
  1. Расходомер
  2. Механические счётчики расходаПравить
  3. Ёмкость и секундомер
  4. Расходомеры на базе объёмных гидромашин
  5. Расходомеры переменного перепада давленияПравить
  6. Расходомеры с сужающими устройствами
  7. Расходомеры с гидравлическим сопротивлением
  8. Расходомеры с напорным устройством
  9. Расходомеры с напорным усилителем
  10. Расходомеры постоянного перепада давленияПравить
  11. Оптические расходомерыПравить
  12. Ультразвуковые расходомерыПравить
  13. Ультразвуковые фазового сдвига
  14. Электромагнитные расходомерыПравить
  15. Кориолисовы расходомерыПравить
  16. Вихревые расходомерыПравить
  17. Тепловые расходомерыПравить
  18. Расходомеры теплового пограничного слоя
  19. Меточные расходомерыПравить
  20. ПримечанияПравить
  21. Методы измерения расхода жидкости, газа и пара
  22. Методы коммерческого учета газа и пара
  23. Метод переменного перепада давлений на базе стандартных сужающих устройств (СУ
  24. 2. измерения на базе мембранных и ротационных преобразователей расхода
  25. 3. измерения на базе турбинных преобразователей расхода
  26. 4. Вихревые расходомеры
  27. 5.  Ультразвуковой метод (Ультразвуковые (акустические) расходомеры, в т.ч. на пар)
  28. 6. Струйные автогенераторные расходомеры
  29. 7. Кориолисовые расходомеры
  30. 8. Термоанемометрические (тепловые) расходомеры
  31. 9. Сравнительный анализ методов из измерения расхода газа и видов расходомеров. Выводы и рекомендации.
  32. Достоинства и преимущества тепловых расходомеров

Расходомер

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 19 февраля 2016 года; проверки требуют 89 правок.

Расходоме́р — прибор, измеряющий объёмный расход или массовый расход вещества, то есть количество вещества (объём, масса), проходящее через данное сечение потока, например, сечение трубопровода в единицу времени. Если прибор имеет интегрирующее устройство (счётчик) и служит для одновременного измерения и количества вещества, то его называют счётчиком-расходомером.

Метод измерения расхода с помощью термоанемометра

Механические счётчики расходаПравить

Скоростной счётчик — турбинка

Скоростные счётчики устроены таким образом, что жидкость, протекающая через камеру прибора, приводит во вращение вертушку или крыльчатку, угловая скорость которых пропорциональна скорости потока, а следовательно, и расходу.

Поступающая в прибор жидкость или газ измеряется отдельными, равными по объёму дозами, которые затем суммируются. Счётчики газа на этом принципе часто встречаются в быту.

Классификация объёмных счетчиков
  • В зависимости от конструктивных особенностей рабочего органа: поршневые, шестеренные.
  • В зависимости от вида движения рабочего органа: поступательного движения, вращательно-ротационного движения, прецессионного, планетарного движения.

В зависимости и от конструкции и от вида движения рабочего органа классифицируются на:

  • поршневые (кольцевые) с планетарным движением кольцевого поршня;
  • шестеренные (круглые) с ротационным вращением круглых шестерен;
  • шестеренные (овальные) с ротационным вращением овальных шестерен;
  • лопастные (камерные) с ротационным вращением лопастей, выполненных в виде камер;
  • лопастные (пластинчатые) с ротационным вращением пластинчатых лопастей[1].

Ёмкость и секундомер

Возможно, самый простой способ измерить расход — это использовать некоторую ёмкость и секундомер. Поток жидкости направляется в некоторую ёмкость, и по секундомеру засекается время заполнения этой ёмкости. Зная объём ёмкости и поделив его на время заполнения, можно узнать расход жидкости. Этот способ подразумевает прерывание нормального течения потока, однако может давать непревзойдённую точность измерения. Широко используется в тестовых и поверочных лабораториях.

Область применения ролико-лопастных расходомеров очень широка: измерение расходов на испытательных стендах, в гидроприводах станков и технологического оборудования, на стационарных и передвижных бензо- и маслозаправочных станциях, в топливных системах карбюраторных и дизельных двигателей автомобилей, тракторов, строительно-дорожных, сельскохозяйственных, лесозаготовительных машин, тепловозов и судов, как дозаторы при заливке танкеров, ж/д цистерн, резервуаров.

Расходомер оснащен встроенным электронным датчиком и программируемым микропроцессорным прибором с жидкокристаллическим дисплеем. Электроника расходомера имеет автономное питание на 3 – 5 лет и герметизированный выход на вторичный электронный прибор или компьютер, управляющий механизмами дозирования. Для метрологического применения или при необходимости проведения высокоточных измерений в технологических процессах, расходомер оснащен датчиком с высокой разрешающей способностью (до долей см3).

Впервые расходомер с овальными шестернями был изобретен компанией Bopp & Reuther (Германия) в 1932 году.

Измеряющий элемент состоит из двух шестерёнок овальной формы. Протекающая жидкость вращает данные шестерёнки. При каждом обороте пары овальных колес через прибор проходит строго определённое количество жидкости. Считывая количество оборотов, можно точно определить, какой объём жидкости протекает через прибор.

Данные расходомеры отличаются высокой точностью, надёжностью и простотой, что позволяет их использовать для жидкостей с высокой температурой и под большим давлением. Отличительной особенностью расходомеров с овальными шестернями является возможность использования для жидкостей с высокой вязкостью (мазут, битум).

Расходомеры на базе объёмных гидромашин

В системах объёмного гидропривода для измерения объёмного расхода рабочей жидкости применяют объёмные гидромашины (как правило — шестерённые или аксиально-плунжерные гидромашины).

Объёмная гидромашина в этом случае работает как гидродвигатель, но без нагрузки на валу. Тогда объёмный расход через гидромашину можно определить по формуле:

  •   — объёмный расход,
  •   — рабочий объём гидромашины (определяется по паспорту гидромашины),
  •   — частота вращения выходного вала гидромашины, которую можно измерить тахометром.

Заметим, что объёмная гидромашина пропускает через себя весь расход жидкости, что для объёмного гидропривода не представляет сложности ввиду малых расходов.

Расходомеры переменного перепада давленияПравить

Расходомеры переменного перепада давления основаны на зависимости разницы давлений, создаваемых конструкцией расходомера, от расхода.

Расходомеры с сужающими устройствами

Они основаны на зависимости перепада давления на сужающем устройстве от скорости потока, в результате которого происходит преобразование части кинетической энергии потока в потенциальную.

Принцип действия расходометров этого типа основан на эффекте Вентури. Вентури-расходомер сужает поток жидкости в некотором устройстве, например, диафрагмой и датчиками давления или дифманометром измеряет разницу давлений перед указанным устройством и непосредственно в месте сужения. Этот метод измерения расхода широко используется при транспортировке газов по трубопроводам и использовался ещё во времена Римской империи.

Расходомеры на основе трубки Пито измеряют динамическое давление   в застойной зоне потока.

Зная динамическое давление, с помощью уравнения Бернулли можно определить скорость потока, а значит, и объёмный расход (Q = S * V, где S — площадь поперечного сечения потока, V — средняя скорость потока).

Расходомеры с гидравлическим сопротивлением

Принцип действия гидродинамических расходомеров основан на измерении давления движущей среды, т.е. давления, которое действует на помещенное в поток тело. Достоинствами гидродинамических расходомеров являются: конструктивная простота, надежность и удобство обслуживания. Одним из распространенных вариантов применения является их использование в качестве индикаторов расхода загрязнения жидкостей и газов.

Центробежные расходомеры представляют собой колено на трубопроводе, которые охватывают его по всей окружности трубопровода. Отборы давления находятся в верхней части на внешней и внутренней стенках.

Расходомеры с напорным устройством

Расходомеры с напорным усилителем

Расходомеры постоянного перепада давленияПравить

Ротаметры предназначены для измерения расхода чистых жидкостей и газов. Они состоят из вертикальной конической трубы, выполненной из металла, стекла или пластика, в которой свободно перемещается вверх и вниз специальный поплавок. Поток движется по трубе в направлении снизу вверх, заставляя поплавок подниматься до уровня, на котором все действующие силы находятся в состоянии равновесия. На поплавок воздействуют три силы:

  • выталкивающая сила, которая зависит от плотности среды и объёма поплавка;
  • сила тяжести, которая зависит от массы поплавка;
  • сила потока, которая зависит от формы поплавка и скорости потока, проходящего через сечение ротаметра между поплавком и стенками трубы.

Каждая величина расхода соответствует определённому переменному сечению, зависящему от формы конуса измерительной трубы и конкретного положения поплавка. В случае стеклянных конусов, значение расхода может быть считано прямо со шкалы на уровне поплавка. В случае конусов, выполненных из металла, положение поплавка передаётся на дисплей при помощи системы магнитов — не требуется никакого дополнительного источника питания. Различные диапазоны измерения достигаются за счёт многообразия размеров и форм конуса, а также возможности выбора различных форм и материалов изготовления поплавка.

Оптические расходомерыПравить

Оптические расходомеры используют свет для определения расхода.

Маленькие частички, которые неизбежно содержатся в природных и промышленных газах, проходят через два лазерных луча, направленных на поток от источника. Свет лазера рассеивается, когда частичка проходит через первый лазерный луч. Рассеянный лазерный луч поступает на фотодетектор, который в результате генерирует электрический импульсный сигнал. Если та же самая частица пересекает второй лазерный луч, то рассеянный лазерный свет поступает на второй фотодетектор, который генерирует второй импульсный электрический сигнал. Измеряя интервал времени между двумя этими импульсами, можно вычислить скорость газа по формуле V = D / T, где D — расстояние между двумя лазерными лучами, Т — время между двумя импульсами. Зная скорость потока, можно определить расход (Q = S * V, где S — площадь поперечного сечения потока, V — средняя скорость потока).

Основанные на лазерах расходомеры измеряют скорость частиц — параметр, который не зависит от теплопроводности, вида газа или его состава. Лазерная технология позволяет получать очень точные данные, причём даже в тех случаях, когда другие методы применять не удаётся или они дают большу́ю погрешность: при высоких температурах, малых расходах, высоких давлениях, высокой влажности, вибрациях трубопроводов и акустическом шуме.

Оптические расходометры способны измерять скорости потока от значений 0,1 м/с до более чем 100 м/с.

Ультразвуковые расходомерыПравить

Принцип ультразвукового измерения расхода

Время-импульсные расходомеры измеряют разницу во времени прохождения ультразвуковой волны по направлению и против направления потока жидкости. Такой принцип измерений обеспечивает высокую точность (± 1 %). При этом он хорошо работает для чистого потока или потока с незначительным содержанием взвешенных частиц. Время-импульсные расходомеры применяются для измерения расхода очищенной, морской, сточной воды, нефти, в том числе сырой, технологических жидкостей, масел, химических веществ и любой однородной жидкости.

Принцип действия ультразвуковых расходомеров основан на измерении разницы во времени прохождения сигнала. При этом два ультразвуковых сенсора, расположенные по диагонали напротив друг друга, функционируют попеременно как излучатель и приёмник. Таким образом, акустический сигнал, поочерёдно генерируемый обоими сенсорами, ускоряется, когда направлен по потоку, и замедляется, когда направлен против потока. Разница во времени, возникающая вследствие прохождения сигнала по измерительному каналу в обоих направлениях, прямо пропорциональна средней скорости потока, на основании которой можно затем рассчитать объёмный расход. А использование нескольких акустических каналов позволяет компенсировать искажения профиля потока.

Ультразвуковые расходомеры на установке висбрекинга

Ультразвуковые фазового сдвига

Доплеровский расходомер основан на эффекте Доплера. Он хорошо работает с суспензиями, где концентрация частиц выше 100 ppm и размер частиц больше 100 мкм, но концентрация составляет менее 10 %. Такие расходомеры жидкости легче и менее точные (± 5 %), а также дешевле, чем время-импульсные расходомеры.

Другим не столь популярным расходомером является ультразвуковой расходомер с последующей корреляцией (кросс-корреляция). Он позволяет устранить недостатки, свойственные доплеровским расходомерам. Они лучше работают для потока жидкости с твёрдыми частицами или турбулентного потока газа.

Электромагнитные расходомерыПравить

Принцип электромагнитного измерения расхода

Ещё в 1832 году Майкл Фарадей пробовал определить скорость течения реки Темзы, измеряя напряжение, индуцируемое в потоке воды магнитным полем Земли. Принцип электромагнитного измерения расхода основан на законе индукции Фарадея. В соответствии с данным законом, напряжение создаётся, когда проводящая жидкость проходит через магнитное поле электромагнитного расходомера. Это напряжение пропорционально скорости потока среды.

Индуцированное напряжение измеряется либо двумя электродами, находящимися в контакте со средой, либо ёмкостными электродами, не контактирующими со средой, и передаётся в преобразователь сигналов. Преобразователь сигналов усиливает сигнал и преобразует его в стандартный токовый сигнал (4—20 мА), а также в частотно-импульсный сигнал (например, один импульс на каждый кубический метр измеряемой среды, прошедшей через измерительную трубу). Принцип действия электромагнитных расходомеров основан на взаимодействии движущейся электропроводной жидкости с магнитным полем. При движении жидкости в магнитном поле возникает ЭДС, как в проводнике, движущемся в магнитном поле. Эта ЭДС пропорциональна скорости потока, и по скорости потока можно определить расход.

Кориолисовы расходомерыПравить

Принцип действия массовых расходомеров основан на эффекте Кориолиса. Массовый расход жидкостей и газов можно рассчитать по деформации измерительной трубы под действием потока. Плотность среды также можно рассчитать по резонансной частоте колебаний вибрирующей трубы. Вычисление силы Кориолиса осуществляется с помощью двух сенсорных катушек. При отсутствии потока оба сенсора регистрируют одинаковый синусоидальный сигнал. При появлении потока сила Кориолиса воздействует на поток частиц среды и деформирует измерительную трубу, что приводит к сдвигу фаз между сигналами сенсоров. Сенсоры измеряют сдвиг фаз синусоидальных колебаний. Этот сдвиг фаз прямо пропорционален массовому расходу.

Вихревые расходомерыПравить

Принцип измерения базируется на эффекте вихревой дорожки Кармана. Позади тела обтекания образуются вихри обратного направления вращения. В измерительной трубе находится завихритель, позади которого происходит вихреобразование. Частота вихреобразования пропорциональна расходу. Образующиеся вихри улавливаются и подсчитываются пьезоэлементом в первичном преобразователе в качестве ударных волн. Вихревые расходомеры подходят для измерения самых различных сред.

Тепловые расходомерыПравить

Расходомеры теплового пограничного слоя

Применяются для измерения расхода в трубах небольшого диаметра от 0,5—2,0 до 100 мм. Для измерения расхода в трубах большого диаметра находят применение особые разновидности термоконвективных расходомеров:

  • парциальные с нагревателем на обводной трубе;
  • с тепловым зондом;
  • с наружным нагревом ограниченного участка трубы.

В калориметрических расходомерах происходит нагревание или охлаждение потока внешним источником тепла, создающим в потоке разницу температур, по которой и определяют расход. Если пренебречь потерями тепла из потока через стенки трубопровода в окружающую среду, то уравнение теплового баланса между теплом, генерируемым нагревателем, и теплом, переданным потоку, приобретает вид:

 ,
  •   — поправочный множитель на неравномерность распределения температур по сечению трубопровода;
  •   — массовый расход в потоке;
  •   — удельная теплоёмкость (для газа — при постоянном давлении);
  •   — разница температур между датчиками (  и   — температуры потока до и после нагревателя).

Тепло к потоку в калориметрических расходомерах подводят обычно электро-нагревателями, для которых:

 ,
  •   — сила тока через нагревательный элемент;
  •   — электрическое сопротивление нагревателя.

На основе этих уравнений статическая характеристика преобразования, которая связывает перепад температур на сенсорах с массовым расходом, приобретёт вид:

 .

Меточные расходомерыПравить

Расход определяется путём определения скорости потока через сечение канала, причём скорость определяется по времени переноса на известное расстояние каких-либо меток, искусственно вводимых в поток или изначально присутствующих в потоке.

ПримечанияПравить

  1. Хансуваров К.И., Цейтлин В.Г. Техника измерения давления, расхода, количества и уровня жидкости, газа и пара: Учебное пособие для техникумов. – М.: Издательство стандартов, -1990.- с. 170-173
    287 с, ил.
  2. Lipták, Flow Measurement Архивная копия от 7 сентября 2018 на Wayback Machine, p. 85
  3. American Gas Association Report Number 3
  4. Кремлевский П. П. Расходомеры и счетчики количества веществ: Справочник: Кн. 2 / Под общ. ред. Е. А. Шорникова. — 5-е изд., перераб. и доп. — СПб.: Политехника, 2004. — 412 с

Методы измерения расхода жидкости, газа и пара

В данном разделе представлен обзор основных методов и наиболее распространенных способов измерения расхода жидкости (воды, теплоносителя), газа и пара (в том числе для коммерческого учета),
а также приведено краткое описание и сравнение достоинств и недостатков разных расходомеров с рекомендациями по их выбору (для подробного ознакомления необходимо перейти по ссылке):

I.   Методы контроля и измерения расхода ЖИДКОСТИ.
II.  Методы коммерческого учета ГАЗА и ПАРА.

Учет и контроль использования энергоресурсов является мощнейшим стимулом к их сбережению, и важнейшая задача в данной области — обеспечение точности результатов измерений. Проанализируем существующие методы измерения объемов газа и сформулируем критерии, помогающие выбору оптимального прибора для конкретной ситуации. Рассмотрим возможности применения расходомеров, разработанных на основе этих методов, для коммерческого учета газа.

   
Традиционно коммерческий учет газа основан на объемном и скоростном методах измерения объема газа, реализованных на базе диафрагменных (мембранных), ротационных и турбинных счетчиков газа и измерительных комплексов на их основе. В трубопроводах больших диаметров (как правило, от Ду =300 мм и более) применяют метод переменного перепада давлений с использованием стандартных сужающих устройств (прежде всего — диафрагм) в комплексе с современными интеллектуальными преобразователями давления и разности давлений.

Одновременно предпринимаются попытки реализации новых методов измерения: вихревой, ультразвуковой, струйно-генераторный, кориолисовый и других. Как правило, новые разработки опираются на результаты современных исследований в области аэро-, термодинамики и электроники и ставят своей целью повышение точности и расширение диапазона измерения расхода газа, обеспечение работоспособности в широком температурном диапазоне, на загрязненном газе, а также в условиях пневмоударов и пульсаций газа. Следует учитывать, что каждый из перечисленных методов имеет свои достоинства и недостатки и выбор должен основываться на результатах тщательной метрологической экспертизы как самих методов измерения и реализующих их устройств, так и условий их градуировки и последующей эксплуатации.

I. Методы контроля и измерения расхода жидкости,
применяемые в коммерческом учете воды (теплоносителя)

1.   Объемные методы измерения расхода
2.   Магнитно-индукционный (электромагнитный) метод измерения расхода
3.   Ультразвуковой метод измерения расхода
Прочие методы, ввиду их универсальности, описаны в разделе “Методы коммерческого учета газа и пара” (см. ниже)
 

II.  Методы коммерческого учета газа и пара

1.   Метод переменного перепада давлений на базе стандартных сужающих устройств -“СУ”:
             диафрагмы, сопла, подключенные к дифманометрам-расходомерам (в т. ч. на пар)
2.   Объемный метод измерения на базе мембранных и ротационных преобразователей расхода
3.   Скоростной метод измерения на базе турбинных преобразователей расхода
4.   Вихревой метод (Вихревые расходомеры, в т.ч. на пар)
5.   Ультразвуковой метод (Ультразвуковые (акустические) расходомеры, в т.ч. на пар)
6.   Струйный метод (Струйные автогенераторные расходомеры, в т.ч. на пар)
7.   Кориолисовый метод (Кориолисовые массовые расходомеры)
8.   Термоанемометрический метод (Термоанемометрические (тепловые) расходомеры)
 

Методы коммерческого учета газа и пара

В данном разделе представлен обзор основных методов и способов измерения расхода газа и пара (в том числе для коммерческого учета), а также приведено краткое описание и сравнение достоинств и недостатков расходомеров с рекомендациями по их выбору:

1.   Метод переменного перепада давлений на базе стандартных сужающих устройств -“СУ”:
             диафрагмы, сопла, подключенные к дифманометрам-расходомерам (в т. ч. на пар)
2.   Объемный метод измерения на базе мембранных и ротационных преобразователей расхода
3.   Скоростной метод измерения на базе турбинных преобразователей расхода
4.   Вихревой метод (Вихревые расходомеры, в т.ч. на пар)
5.   Ультразвуковой метод (Ультразвуковые (акустические) расходомеры, в т.ч. на пар)
6.   Струйный метод (Струйные автогенераторные расходомеры, в т.ч. на пар)
7.   Кориолисовый метод (Кориолисовые массовые расходомеры)
8.   Термоанемометрический метод (Термоанемометрические (тепловые) расходомеры)
9.  Сравнительный анализ методов измерения расхода газа и видов расходомеров. Выводы и рекомендации.
Также рекомендуем ознакомиться с разделом Методы контроля и измерения расхода жидкости (воды, теплоносителя и пр.)

Метод переменного перепада давлений на базе стандартных сужающих устройств (СУ

Достоинства метода:
К достоинствам расходомеров следует отнести преобразователя расхода и возможность поверки бес проливным методом, т. е. при отсутствии расходомерных стендов. Данная возможность обусловлена наличием наиболее полной научно-технической, в том числе стандартизованной информации по данному методу измерения.

Недостатки метода:
Недостатками являются, во-первых, измерения (ранее не превышающий значения 1:3, а в настоящее время, с появлением многопредельных интеллектуальных датчиков давления, увеличившийся до 1:10).
Во-вторых, высокая чувствительность к неравномерности эпюры скоростей потока на входе в СУ (диафрагму), обусловленной наличием в подводящем и/или отводящем трубопроводах гидравлических сопротивлений (запорной арматуры,  регуляторов, фильтров, колен и т. д.). Данное обстоятельство определяет необходимость наличия перед указанными СУ прямых участков длиной не менее 10 диаметров условного прохода (Ду) трубопровода. В ряде случаев, например при установке СУ после гидравлических сопротивлений, таких как неполностью открытый вентиль, прямой участок перед СУ достигает длины 50 Ду и более).

2. измерения на базе мембранных и ротационных преобразователей расхода

Недостатками расходомеров являются ограниченная работоспособность на загрязненном газе, возможность поломки при резких пневмоударах и частичное перекрытие газопровода при поломке, связанной, например, с заклиниванием роторов ротационного счетчика газа, относительно большие габариты, а также стоимость (для ротационных счетчиков газа больших типоразмеров) по сравнению с приборами других типов.

Главным достоинством, многократно перекрывающим недостатки и сделавшим данный метод измерения самым распространенным по количеству установленных приборов, является то, что это единственный метод, обеспечивающий прямое, а не косвенное измерение объема проходящего газа. Кроме этого, нужно отметить полную нечувствительность к любым искажениям эпюр скоростей потока на входе и выходе, что позволяет отказаться от прямых участков и резко сократить габариты узла учета газа УУГ), а также дает возможность обеспечения самых широких диапазонов измерения — до 1:100 и более. Счетчики газа данного типа прекрасно подходят для случаев учета газа при его циклическом потреблении, например, котлами с импульсным режимом горения.

3. измерения на базе турбинных преобразователей расхода

Достоинствами расходомеров являются малые габариты и вес, относительно низкие стоимость и нечувствительность к пневмоударам, а также значительный диапазон измерения расхода (до 1:30), который существенно превосходит аналогичный показатель для СУ.

К недостаткам следует отнести некоторую чувствительность к искажениям потока на входе и выходе расходомера (хотя в современных приборах требования к длинам прямых участков до и после прибора минимальные и составляют, соответственно, всего 2 и 1 Ду), неработоспособность на малых расходах – менее 8 – 10 м3/ч, а также повышенную погрешность при измерении пульсирующих потоков газа.

Однако самым главным достоинством расходомеров объемного и скоростного типа является стабильность коэффициента преобразования в самом широком диапазоне числа Рейнольдса Re потока газа. Обусловлено это тем, что все выпускаемые как у нас в стране, так и в мире счетчики газа калибруются на воздухе при нулевом избыточном давлении, в то время как работают на газе при совершенно других значениях давления.
Обеспечить достоверную сходимость показаний для этих двух случаев возможно только, если расходомер изначально имеет стабильный коэффициент преобразования, т. е. постоянное отношение его естественного выходного сигнала к проходящему через прибор расходу воздуха или газа. Например, для турбинного или ротационного счетчика газа (после необходимых сокращений) данный коэффициент преобразования определяется как количество оборотов турбинки или роторов, соответствующее прохождению единицы объема газа.
Оппоненты могут возразить, что поскольку в узле учета газа кроме объемного расхода все равно необходимо измерять температуру и давление газа, то даже при отсутствии необходимой стабильности коэффициента преобразования у прибора всегда имеется возможность при проведении его калибровки линеаризовать его статическую характеристику. А при переходе к реальным условиям эксплуатации также внести соответствующие корректировки, рассчитав число Re для каждого случая измерения. Тем более что современная микроэлектроника позволяет решать и более сложные задачи при относительно небольших затратах.

Действительно, описанную выше задачу решить принципиально можно, но необходимо полностью сформулировать ее условия, а этого пока не удается. Дело в том, что при течении газа по трубопроводу, а особенно при его расширении или сжатии (что имеет место, например, при повороте трубопровода или обтекании потоком каких-либо препятствий), имеют место сложные аэро- и термодинамические процессы. Соответственно, зависят они не только от величины числа Re, но и от значений других аэро- и термодинамических критериев, в частности, чисел Струхаля St, Нусельта Nu, Фруда Fr. А для проведения коррекции с учетом этих значений, во-первых, отсутствует необходимый экспериментальный материал, а во-вторых, для их определения как минимум нужна непрерывная информация о составе газа, которая в случаях установки приборов учета газа у потребителей отсутствует.

4. Вихревые расходомеры

Несомненными достоинствами вихревых расходомеров являются их нечувствительность к пневмоударам и возможность работы на загрязненных газах.

К недостаткам относятся повышенная чувствительность к искажениям эпюры скоростей потока (примерно такая же, как и у стандартных сужающих устройств (СУ)) и относительно большие невозвратимые потери напора, связанные с интенсивным вихреобразованием при обтекании потоком плохо обтекаемого тела (так называемого тела обтекания). Кроме того, если узел съема сигнала расходомера термоанемометрический, прибор становится энергозависимым, а если он выполнен с использованием пьезоэлементов, возникают весьма серьезные проблемы с обеспечением помехозащищенности при наличии внешних механических вибраций газопровода.

Самым серьезным недостатком вихревых расходомеров является недостаточная стабильность коэффициента преобразования в необходимом диапазоне изменения расхода газа, что практически не позволяет рекомендовать приборы данного типа для коммерческого учета газа без предварительной калибровки изделия непосредственно в условиях эксплуатации или крайне близких к ним.

5.  Ультразвуковой метод (Ультразвуковые (акустические) расходомеры, в т.ч. на пар)

Достоинством ультразвуковых расходомеров является их наибольшая перспективность в коммерческом учете газа. Ранее их применение сдерживалось высокой стоимостью изготовления и недостаточной надежностью электронного блока. Однако в настоящее время с развитием микроэлектроники данный недостаток постоянно уменьшается. Приборы этого типа не имеют ни подвижных частей, ни частей, выступающих в поток. Соответственно, они практически не создают дополнительных потерь напора и могут потенциально иметь весьма высокую надежность. Также они могут обеспечивать измерения в широком диапазоне изменения расхода газа и быть , т. е. в течение длительного времени работать от встроенного автономного источника питания.  

Недостатком является необходимость применения многолучевых ультразвуковых расходомеров (2-лучевых и более) с последующей обработкой информации по весьма сложной программе для того, чтобы практически исключить влияние искажений потока газа на точность измерения. К сожалению, выпускаемые в России ультразвуковые счетчики газа по совокупности своих характеристик пока не отвечают всем необходимым требованиям к приборам коммерческого учета газа и, соответственно, могут найти весьма ограниченное применение.

6. Струйные автогенераторные расходомеры

Струйный автогенераторный метод есть смысл рассмотреть более подробно, т. к. в настоящее время счетчики газа, созданные на базе расходомеров данного типа, без необходимой метрологической экспертизы начали активно применяться для коммерческого учета газа. Расходомер представляет собой бистабильный струйный элемент, охваченный отрицательными обратными связями, выполненными в виде пневматических каналов, соединяющих выходные каналы струйного элемента с одноименными каналами управления (левый — с левым, правый — с правым). При наличии расхода газа через сопло питания струйного элемента его струя попадает в один из выходных каналов и создает в нем повышенное давление, которое через соответствующий канал обратной связи подается в одноименный канал управления и переключает струю, выходящую из канала питания, в другое устойчивое положение. Затем процесс переключения струи повторяется. Частота переключений пропорциональна расходу газа через сопло питания струйного элемента. Таким образом, в данном методе измерения имеет место создание аэродинамического генератора колебаний с частотой, пропорциональной расходу газа.

Струйному автогенераторному расходомеру присущи те же недостатки, которыми обладает вихревой расходомер, а именно: большие невозвратимые потери напора и повышенная чувствительность к искажениям эпюры скоростей потока (в варианте его применения в комплекте с СУ). Однако, к сожалению, есть и дополнительные минусы.
Во-первых, струйный элемент (основа данного прибора) имеет крайне по отношению к величине измеряемого расхода. Поэтому он, с одной стороны, может применяться только в качестве парциального расходомера, через который идет незначительная часть проходящего через измерительное сечение расхода газа (а это неминуемо снижает достоверность измерений), а с другой, существенно больше, чем вихревой расходомер, (т. е. не обладает одним из основных преимуществ вихревого расходомера).
Во-вторых, нестабильность коэффициента преобразования у данного прибора еще больше, чем у вихревого расходомера. Так, например, при испытаниях одного из видов струйного расходомера было установлено, что изменение коэффициента преобразования у различных модификаций прибора находится в диапазоне 14,5-18,5 % при изменении расхода через прибор в диапазоне не более 1-5.

Достоинства у струйного автогенераторного расходомера те же, что и у вихревого, за исключением работоспособности на загрязненных газах. Они могут применяться вместо датчиков перепада давлений на расходомерах переменного перепада. Принципиально это позволяет расширить диапазон измерения последнего. Однако отмеченные недостатки вряд ли позволяют рассчитывать на серьезное внедрение данного метода для коммерческого учета газа.

7. Кориолисовые расходомеры

Кориолисовые расходомеры являются одними из самых точных.
Кориолисовые Р. широко применяются для коммерческого учета жидкостей и сжатых газов. Наиболее типовое место применения в газовой промышленности – учет количества природного газа, отпускаемого на автомобильные газонакопительные компрессорные станции. В этом случае газ сжат до давления примерно в 20 МПа (200 бар) и имеет плотность, достаточную для применения данного метода.

Недостатками кориолисовых массовых расходомеров являются большая масса и габариты конструкции, относительно высокая цена, а также влияние внешней механической вибрации на показания прибора.

Кориолисовые расходомеры выпускаются многими ведущими производителями расходомерной техники (правда в основном иностранными), но показательных случаев применения для учета газа в сетях низкого и среднего давления неизвестно.

8. Термоанемометрические (тепловые) расходомеры

Достоинством является отсутствие подвижных частей и, соответственно, потенциально высокая надежность работы в условиях пневмоударов, перегрузок и т. д.

Основной недостаток термоанемометрических расходомеров, относящихся к классу тепловых, является следствием их принципа действия. Они фактически измеряют теплосъем с нагревательного элемента, который (при известной теплоемкости среды) однозначно связан с массовым расходом. Таким образом, приборы данного типа являются счетчиками массового расхода газа. Это могло стать достоинством, если бы расчет за газ производился с оплатой за единицу массы. Однако в нашей стране потребитель платит за объем газа, приведенный к нормальным условиям. Соответственно, для перехода от массового расхода к расходу природного газа при нормальных условиях требуется указанный массовый расход разделить на плотность газа при нормальных условиях. Однако плотность зависит от состава газа, а ее изменения в течение короткого времени могут достигать 10 % и более. В то же время состав газа самим прибором не измеряется и может вноситься вручную не чаще нескольких раз в сутки. Поэтому данные приборы вообще трудно отнести к приборам, пригодным для коммерческого учета газа.

9. Сравнительный анализ методов из измерения расхода газа и видов расходомеров. Выводы и рекомендации.

Проанализировав ситуацию на рынке приборов коммерческого учета газа, можно сформулировать следующие выводы:

1. Основным критерием применимости методов измерения для коммерческого учета газа является стабильность “естественного” (т. е. получаемого при градуировке без дополнительной коррекции по температуре и давлению газа) коэффициента преобразования в максимально широком диапазоне изменения режимов течения газа в трубопроводе. Только это позволяет с полным основанием производить градуировку и поверку приборов учета газа на воздушных расходомерных стендах с последующим распространением полученных результатов на случаи измерения природного и других газов, в том числе при давлении и температуре, отличающихся от условий градуировки или поверки.

2. Из появившихся в последние годы новых методов измерения расхода для коммерческого учета газа низкого и среднего давления потенциально применим только ультразвуковой метод измерения с преобразователями расхода в многолучевом исполнении.

3. Коммерческий учет газа в трубопроводах малого и среднего диаметров (Ду до 300 мм) при расходах газа до 6 000 м3/ч наиболее целесообразно производить с использованием диафрагменных (мембранных), ротационных и турбинных счетчиков соответственно увеличению диаметров трубопроводов и расхода газа.

4. Расходомеры переменного перепада наиболее целесообразно применять для коммерческого учета газа в газопроводах больших диаметров ( Ду свыше 400 мм), ограничивая по возможности диапазоны измерения расхода, например, создавая “гребенки” параллельно установленных расходомеров и подключая / отключая соответствующие каналы измерения при увеличении или уменьшении расхода газа через данный расходомерный узел.

Достоинства и преимущества тепловых расходомеров

Достоинствами данных устройств можно считать:

  • Независимость результатов измерения от теплоемкости веществ;
  • Высокое быстродействие;
  • Большой диапазон измеряемых скоростей;
  • Высокая чувствительность.
Оцените статью
Анемометры
Добавить комментарий

© 2024 Анемометры