Расходомеры-счетчики жидкости (воды), газа, пара. Ротаметры, регуляторы, реле. || ГК “Теплоприбор”

Бесконтактные

Бесконтактные датчики представляют собой такие устройства, которым для функционирования не требуется осуществлять физический контакт с измеряемой поверхностью. Такие устройства применяются в агрессивных жидких средах, где возможен быстрый износ элементов сенсора из-за влияния активных компонентов.

• Ультразвуковые – являются одним из наиболее распространенных типов бесконтактных датчиков уровня жидкости. Принцип действия основывается на  способности жидкости отражать ультразвуковой спектр излучения. Генератор ультразвука, неслышимого для человеческого уха, посылает сигнал от верхней точки к линии раздела сред. При столкновении с жидкостью сигнал отражается и возвращается к датчику, где он воспринимается сенсором. В зависимости от времени перемещения ультразвука делается заключение об уровне в резервуаре.
• Радарные микроволновые – аналогичен предыдущему варианту, за исключением того, что в качестве объекта измерения выступает не ультразвук, а микроволны.

Существенным недостатком датчиков радарного типа является восприимчивость к газовым подушкам, которые могут скапливаться над поверхностью жидкости.

• Радиоизотопные – используют гамма излучение для контроля уровня жидкости, частицы направляются в контролируемый резервуар.

В связи с опасностью воздействия на живые организмы является самым дорогим и наименее распространенным вариантом. При его использовании обязательно обеспечиваются дополнительные меры безопасности для обслуживающего персонала.

Видео о измерении расхода

При проведении измерения расхода, в некоторых случая используется понятие количества вещества – это количество жидкости или другой среды, проходящей через поперечное сечение трубопровода в течении определенного промежутка времени(за час, месяц, рабочую смену и т.д.)

Приборы для измерения количества вещества по аналогии с измерением расхода монтируются на – на трубопроводе, с выводом вторичного прибора к оператору.

Дополнительная информация, понятия и определения в расходометрии (контроль расхода жидкости, газа, пара)

Расход — это количество вещества (жидкости, газа, пара или сыпучих материалов), протекающее через поперечное сечение потока (трубопровода) в единицу времени.

Расход объемный — это объём вещества, проходящего через поперечное сечение потока за единицу времени. Единицы измерения  объемного расхода (объем/время): л/мин, л/с, м3/час и т.п.

Расход массовый — это масса вещества, проходящего через поперечное сечение потока за единицу времени. Единицы измерения массового расхода (масса/время): кг/мин, г/с, т/час и т.п.

Основные единицы измерения расхода, применяемые в промышленности:для жидкости — м3/ч (метр кубический в час);для газа и газовых смесей (воздух) — н.м3/ч (нормальный* метр кубический в час);для пара — кг/ч (килограмм (или тонна) в час);

*- Нормальный кубический метр (н.м3, жарг. «не сжатый» или «расширенный») — это внесистемная единица измерения количества вещества, которое в газообразном состоянии занимает один кубический метр при условиях, называемых «нормальными условиями» (давление 760 мм рт. ст., что соответствует 101325 Па, и температура 0 °С), что отличается от принятого ИЮПАК системного понятия «стандартных условий» (давление 105 Па, температура 273,15 К, или 0 °С). Обозначается как «н.м3».

Расходомер — прибор, измеряющий объемный расход или массовый расход вещества, т. е. количество вещества (объем, масса), проходящее через данное сечение потока, например, сечение трубопровода в единицу времени. Если прибор имеет интегрирующее устройство (счетчик) и служит для одновременного измерения и количества вещества, то его называют счетчиком-расходомером.

В данном разделе представлены следующие виды приборов и оборудования для контроля, измерения и регулирования объемного и массового расхода жидкостей, газов и пара:

1. Расходомеры-счетчики жидкости (в т.ч. воды).2. Расходомеры-счетчики газа и газовых смесей (в т.ч. воздуха).3. Расходомеры-счетчики пара.4. Регуляторы расхода и датчики-реле потока (протока).5.

Ротаметры и стандартные сужающие устройства (диафрагмы и сопла).6. Вспомогательное оборудование и запорно-регулирующая арматура (исполнительные механизмы, приводы, клапаны регулирующие и электромагнитные и пр.).

Вернуться в начало страницы

Использованная литература

• Хансуваров К. И., Цейтлин В. Г. «Техника измерения давления, расхода, количества и уровня жидкости, газа и пара» 1990
• Дж. Фрайден «Современные датчики. Справочник» 2005
• В. А. Ацюковский «Емкостные дифференциальные датчики перемещения» 1960
• Г. Виглеб «Датчики. Устройство и применение.» 1989
• В. И. Винокуров, С. И. Каплин, И. Г. Петелин. «Электрорадиоизмерения» 1986

Какой выбрать?

При выборе конкретной модели датчика уровня следует обратить внимание на следующие характеристики:

• Тип переключателя – различают твердотельные и электромеханические. Первый тип не имеет подвижных элементов и не подвержен изнашиванию. Второй, наоборот, оснащается подвижными контактами, чувствительными элементами и т.д.
• Логика работы – различают датчики уровня с нормально разомкнутыми и нормально замкнутыми контактами. Тот или иной тип выбирается в зависимости от схемы включения и поставленных задач контроля уровня.
• Количество полюсов и позиций – встречаются как однополюсные и двухполюсные датчики уровня, так и однопозиционные или двухпозиционные.

• Диапазон измерений – определяет допустимые пределы уровня, которые может зафиксировать датчик.

Контактные

Под контактным датчиком следует подразумевать такое устройство, которому для функционирования требуется физический контакт с измеряемой поверхностью. Как правило, такие датчики применяются в условиях воздействия факторов, которые существенно усложняют измерения – высокая температура или давление.

• Емкостные – состоят из двух пластин, погружаемых в жидкость. Измерения производятся по принципу конденсатора, у которого емкость будет изменяться в зависимости от высоты заполнения жидкостью пространства между обкладками конденсатора. Часто применяются для емкостей с небольшим объемом жидкости. Отличаются невысокой точностью замеров, но работают без подвижных частей, что существенно повышает их надежность.

• Гидростатические – основывается на законе Паскаля. Осуществляет измерение разности гидростатического давления в резервуаре, которое зависит исключительно от высоты столба жидкости. Обладают хорошей точностью, но могут применяться только в тех емкостях, где величина давления соизмерима с атмосферным. Они не подходят для жидкостей с переменной плотностью.

• Байпасные – используют принцип сообщающихся сосудов, в таких датчиках информация об уровне измеряемой жидкости отображается наиболее наглядно. При изменении высоты столба в основном резервуаре датчик отобразит эти данные на собственном уровнемере. Однако такие модели не используются в условиях более 250°С и в средах, повышающих собственную вязкость со снижением температуры.
• Магнитные – являются подвидом поплавковых датчиков, так как уровень жидкости измеряется поплавком, перемещающимся по герметично запаянной трубке. Внутри трубки располагается геркон, срабатывающий в случае приближения или удаления поплавка с магнитом.
• Рефлексные микроволновые – принцип действия таких датчиков основывается на технологии рефлектометрии в зависимости от временного промежутка. Направленный волновой излучатель посылает сигнал, а сенсор воспринимает скорость возвращения импульса.

Основным недостатком этих моделей является необходимость погружения устройства по всей глубине, что не всегда удобно для больших резервуаров.  Но, в отличии от других датчиков уровня жидкости, рефлексные модели не зависят от наличия или отсутствия пены, твердых частиц, плавающих в толще или на поверхности, диэлектрической проницаемости.

Приборы для измерения расхода жидкости

Трубчатые расходомеры

Одним из таких приборов является трубчатый расходомер или расходомер Вентури. Большим достоинством этого расходомера является простота конструкции и отсутствие в нем каких-либо движущихся частей.
Трубчатые расходомеры могут быть горизонтальными и вертикальными. Рассмотрим, к примеру, горизонтальный вариант.

Расходомер состоит из двух цилиндрических труб А и В диаметра d1, соединенных при помощи двух конических участков (патрубков) С и D с цилиндрической вставкой E меньшего диаметра d2. В сечениях 1-1 и 2-2 расходомера присоединены пьезометрические трубки a и b, разность уровней жидкости h в которых показывает разность давлений в этих сечениях.

Расход жидкости в этом случае определяется по тарировочным кривым, полученным опытным путем и дающим для данного расходомера прямую зависимость между показаниями манометра и измеряемыми расходами жидкости. Пример такой кривой на картинке рядом

Расходомерная шайба

Другим широко распространенным прибором для измерения расхода является расходомерная шайба (или диафрагма), обычно выполняемая в виде плоского кольца с круглым отверстием в центре, устанавливаемого между фланцами трубопровода

Края отверстия чаще всего имеют острые входные кромки под углом 45° или закругляются по форме втекающей в отверстие струи жидкости (сопло). Два пьезометра a и b (или дифференциальный манометр) служат для измерения перепада давления до и после диафрагмы. В основе метода положен принцип неразрывности Бернулли.

Расход в этом случае определяется по замеренной разности уровней в трубках. Трубки подсоединяют к датчикам, замеряющим перепад давления. Датчик перепада давления преобразует перепад в электрический сигнал, который отправляется на компьютер.

Крыльчатый расходомер

Расходы могут быть вычислены также в результате измерения скоростей течения жидкости и живых течений потока.

Одним из широко распространенных приборов, применяемых для этой цели является гидрометрическая вертушка. Современный турбинный расходомер устанавливают только на горизонтальном участке трубопровода. Лопасти крыльчатки колеса турбины изготавливают из не магнитного материала.

Вертушка состоит из крыльчатки А, представляющей собой колесо с винтовыми лопастями, насаженное на горизонтальный вал С. Когда она установлена в потоке, крыльчатка под действием протекающей жидкости вращается, причем число её оборотов прямо пропорционально скорости течения. Число импульсов за один оборот крыльчатки равно числу лопастей, а значит частота импульсов пропорциональна расходу.

При вращении лопасти поочередно пересекают магнитное поле, которое наводит электродвижущую силу в катушке в виде импульса. От вертушки вверх выводятся провода В, подающему сигнал к специальному счетчику, автоматически записывающему число оборотов и время.

Приборы для измерения расхода жидкости в этом случае называют турбинными расходомерами

Ультразвуковой метод измерения расхода

Ультразвуковой расходомер работает по принципу использования разницы по времени прохождения ультразвукового сигнала в направлении потока и против него.

Расходомер формирует электрический импульс, поступающий на пьезоэлемент П1, который излучает электромеханические колебания в движущуюся среду. Эти колебания воспринимаются через некоторое время пьезоэлементом П2, преобразуются им в электрический импульс, попадающий в электронное устройство и снова направляемый им на пьезоэлемент П1 и т.д.

Такой контур П1-П2 характеризуется частотой f1 повторений импульсов, прямо пропорциональной расстоянию между пьезоэлементами и обратно пропорциональной разности между скоростью распространения звука в контролируемой среде и скоростью самой среды.

Аналогично электронное устройство подает импульсы в обратном направлении, т.е. от пьезоэлемента П2 к пьезоэлементу П1. Контур П2-П1 характеризуется своей частотой f2 повторений импульсов, прямо пропорциональной расстоянию между пьезоэлементами и обратно пропорциональной сумме скоростей распространения звука в среде и самой среды.

Следующим шагом является определение разности Δf указанных частот, которая пропорциональна расходу среды. Приборы для измерения расхода жидкости называются ультразвуковые расходомеры.

Вихревой метод измерения расхода

В основу работы вихревых расходомеров положена зависимость между расходом и частотой возникновения вихрей за твердым телом (например, металлическим прямоугольным стержнем), которое расположено в потоке жидкости или газа.

Принцип действия преобразователя основан на ультразвуковом детектировании вихрей, образующихся в потоке жидкости, при обтекании жидкостью специальной призмы, расположенной поперек потока.

В зависимости от конструкции датчика чувствительные тепловые элементы устанавливаются непосредственно в теле датчика или вихревой дорожке.

Если в тело образующее вихри, установить магнит, то он может служить датчиком. Реакция, возникающая при срыве вихрей, заставляет помещённый в поток цилиндр колебаться с частотой вихреобразования.
Достоинством вихревых расходомеров является, обеспечение низкой зависимости качества измерений от физико-химических свойств жидкости, состояния трубопровода, распределения скоростей по сечению потока и от точности монтажа первичных преобразователей на трубопроводе. Приборы для измерения расхода жидкости называются вихревые расходомеры.

Разновидности по типу

Существует широкий спектр критериев, по которым можно разделить датчики уровня. Начиная от принципа действия и, заканчивая, способом передачи сигнала. Однако все сенсоры условно можно подразделить на две большие группы – контактные и бесконтактные.

Разновидности по функционалу

Помимо отличий в отношении принципа взаимодействия с измеряемой средой и принципа действия датчики уровня жидкости могут отличаться и по способу передачи сигнала. Все устройства касательно принципа сигнализации об изменении положения уровня подразделяют на уровнемеры и сигнализаторы.

Уровнемеры.

Под уровнемерами подразумеваются такие приборы, которые осуществляют постоянный контроль за текущим положением верхней кромки измеряемой среды. В виду чего они постоянно передают сигнал о проведенных измерениях или выдают данные по шкале. В зависимости от способа отображения информации они бывают цифровыми и аналоговыми.

Сигнализаторы.

Сигнализаторы, в отличии от уровнемеров, не производят постоянный контроль уровня жидкости, а срабатывают исключительно при достижении определенного порогового значения. В таких устройствах жидкость, опускаясь или поднимаясь, перемещает чувствительный элемент. Который в определенной позиции производит срабатывание реле, переключателя или микроконтроллера.

Устройство и принцип действия

На сегодняшний день существует огромное количество датчиков уровня жидкости, которые отличаются как конструкцией, так и способом выполнения замера. В виду чего рассмотрим устройство на примере наиболее простой поплавковой модели уровнемера. Конструктивно поплавковый датчик уровня жидкости состоит из следующих компонентов:

• поплавок 1 – предназначен для взаимодействия с поверхностью жидкости;
• сильфон 2 – представляет собой чувствительный гофрированный элемент, способный сохранять свои свойства при многократных механических деформациях;
• фланец 3 – используется для соединения с монтажной поверхностью, позволяет увеличить плотность крепления
• микропереключатель 4 – срабатывает от перемещения поплавка в геометрической плоскости, для предотвращения взаимодействия с влагой помещается в герметичный корпус.
• прокладка 5 – используется для герметизации отверстия, предотвращает протекание жидкости из емкости.

Принцип действия такого датчика основывается на архимедовой силе любой жидкости.

При помещении датчика в емкость с жидкостью происходит взаимодействие поплавка с поверхностью. За счет архимедовой силы поплавок выталкивается наружу и находится в том же положении, что и уровень.

При среднем положении жидкости 1 поплавок останется в нейтральном положении, сигнал от переключателя не поступает на пульт управления или панель сигнализации. В случае наполнения резервуара до позиции 2 поплавок поднимется выше и переведет микропереключатель в соответствующее положение.

Если жидкость в резервуаре опустится ниже номинального уровня, поплавок переместится в нижнюю позицию 3 и переведет контакты микропереключателя.  Каждый раз на выходе датчика будет появляться соответствующий сигнал о степени наполнения, однако принцип действия будет отличаться в зависимости от типа устройства.