Расход вещества измеряется с помощью расходомеров, представляющих собой средства измерений или измерительные приборы расхода. Многие расходомеры предназначены не только для измерения расхода, но и для измерения массы или объема вещества, проходящего через средство измерения в течение любого, произвольно взятого промежутка времени. Расходомеры, наиболее широко распространенные в пищевой промышленности, по принципу действияразделяются на следующие основные группы: переменного перепада давления; обтекания — постоянного перепада давления; тахометрические; электромагнитные; переменного уровня; тепловые; вихревые; акустические. Кроме того, известны расходомеры, основанные на других принципах действия: резонансные, оптические, ионизационные, меточные и др. Однако многие из них находятся в стадии разработки и широкого применения пока не получили.
1. Расходомеры переменного перепада давления (с сужающими устройствами; с гидравлическими сопротивлениями; центробежные; с напорными устройствами; струйные), преобразующие скоростной напор в перепад давления. 2. Расходомеры обтекания (расходомеры постоянного перепада-ротаметры, поплавковые, поршневые, гидродинамические), преобразующие скоростной напор в перемещение обтекаемого тела. 3. Тахометрические расходомеры (турбинные с аксиальной или тангенциальной турбиной; шариковые), преобразующие скорость потока в угловую скорость вращения обтекаемого элемента (лопастей турбинки или шарика). 4. Электромагнитные расходомеры, преобразующие скорость движущейся в магнитном поле проводящей жидкости в ЭДС. 5. Ультразвуковые расходомеры, основанные на эффекте увлечения звуковых колебаний движущейся средой. 6. Инерциальные расходомеры (турбосиловые; кориолисовы; гигроскопический), основанные на инерционном воздействии массы движущейся с линейном ускорением жидкости.
7. Тепловые расходомеры (калориметрические; термоанемометрические), основанные на эффекте переноса тепла движущейся средой от нагретого тела. 8. Оптические расходомеры, основанные на эффекте увлечения света движущейся средой (Физо-Френели) или рассеяния света движущимися
частицами (Лонплера). 9. Меточные расходомеры (с тепловыми, ионизационными, магнитными, концентрационными, турбулентными метками), основанные на измерении скорости или состоянии метки при прохождении ее между двумя фиксированными сечениями потока. Первичный прибор в расходомере может быть – сопло или диафрагма. Недостаток – высокая погрешность.
Необходимость автоматического контроля массовых расходов нестационарных потоков относится к тем областям промышленности, где вес (масса) рабочего агента является критерием оценки качественных и технико-экономических показателей различных промышленных процессов. Например, при непрерывных химических процессах получение химического продукта с требуемыми физико-химическими свойствами возможно лишь при точном весовом соотношении составляющих его компонентов. В нефтяной промышленности, где товарная продукция нефтедобывающих скважин представляет собой смесь нефти и газов, в физико-химических процессах, где имеют место кипящие жидкости, многофазные пульпы, эмульсии, пылевые потоки, также необходимо производить измерение и автоматический контроль массовых расходов.
В последнее время возникла необходимость осуществления автоконтроля полей массовых скоростей (расходов) на ряде объектов, на которых имеют место нестационарные монолитные или разделенные потоки многофазных сред или сред, представляющих собой растворы и смеси веществ, имеющих различные удельные веса. Проблема осуществления автоконтроля таких потоков сводится в основном к проблеме создания соответствующих датчиков.
В зависимости от возможности универсального измерения массовых расходов различных веществ массовые расходомеры различных принципов действия могут быть разделены на две группы. К расходомерам первой группы относятся такие устройства, в которых измерение массового расхода является следствием используемого принципа измерения. В таких устройствах измеряется непосредственно массовый расход вне зависимости от физической сущности и свойств измеряемого вещества и его параметров. Такие расходомеры универсальны и могут быть применены для измерения расхода любых веществ. Примерами таких устройств являются турборасходомеры, расходомеры с определением расхода по усилию Кориолиса, гироскопические расходомеры.
К расходомерам второй группы относятся устройства, которые по своему принципу действия не являются измерителями массового расхода, но благодаря применению специальных датчиков и корректирующих схем могут определять массовый расход вне зависимости от физической сущности измеряемого вещества и изменения его свойств и параметров под влиянием внешних условий. Однако, как правило, такие устройства предназначены для определения расходов сравнительно небольшого диапазона веществ, так как определенные физические параметры вещества все-таки оказывают «влияние на точность измерения таких расходомеров. К таким устройствам, в первую очередь, относятся различные скоростные расходомеры, снабженные датчиками плотности и соответствующими корректирующими схемами, а также ультразвуковые и некоторые тепловые расходомеры.
Рациональность применения того или иного типа массовых расходомеров определяется эксплуатационными требованиями. В тех случаях, когда необходимо измерять расходы весьма разнообразных веществ, наиболее рациональным является применение расходомеров первой группы.
Универсальные массовые расходомеры являются единственно пригодными устройствами для измерения многокомпонентных потоков, состоящих из двух (или более) несмешивающихся веществ (например, жидкие потоки с газовыми включениями). При наличии двух и более компонентов в контролируемом потоке, весовые соотношения, удельные веса и вязкости которых могут изменяться в широких пределах, удовлетворительный контроль может быть выполнен только с помощью универсальных массовых расходомеров. Это объясняется тем, что с помощью датчика плотности, корректирующего показания расходомера, не представляется возможным с удовлетворительной точностью проводить непрерывный контроль плотности многокомпонентного потока.
Ввиду того, что в целом ряде объектов приходится выполнять автоматический контроль именно таких многокомпонентных потоков, в настоящее время ощущается острая потребность в массовых расходомерных системах универсального применения.
Принцип действия универсальных расходомеров основан на том, что потоку измеряемого вещества сообщается дополнительное движение, чтобы создать в потоке инерционные эффекты, по которым судят о величине массового расхода. В связи с этим данные расходомеры называют ещё инерционными. В зависимости от того, какое именно дополнительное движение сообщается потоку (при помощи вращающегося или колеблющегося звена), на чувствительном элементе прибора возникает или усилие Кориолиса, или гироскопический, или инерционный момент.
Существуют инерционные расходомеры двух типов: расходомеры с вращающимся или колеблющимся участком трубопровода сложной конфигурации. К ним относятся гироскопические и кориолисовы расходомеры; турборасходомеры.
МАССОВЫЕ ТУРБОРАСХОДОМЕРЫ Данные приборы из-за простоты конструкции и достаточно высокой точности измерения массового расхода получили широкое применение за рубежом и успешно осваиваются отечественной промышленностью.
Принципиальная схема массового турборасходомера одной из наиболее распространенной конструкции приведена на рисунке 3.8. Прибор работает следующим образом: ведущая турбинка 6, принудительно вращаемая с постоянной угловой скоростью двигателем 7, закручивает поток измеряемого вещества, создавая в нем инерционный момент, пропорциональный массовому расходу Закрученный поток, проходя через ведомую турбинку 5, жестко связанную с упругим элементом 2, поворачивает ее на определённый угол.Кроме того, на показания турборасходомеров влияет изменение вязкости измеряемой среды, а их надежность ограничивается наличием изнашивающихся опор.
Технические устройства, предназначенные для измерения массового или объемного расхода, называют расходомерами. При этом в зависимости от того, для измерения какого (объемного или массового) расхода предназначены расходомеры, их подразделяют на объемные и массовые.
Существует много различных признаков, по которым можно классифицировать расходомеры (например, по точности, диапазонам измерений, виду выходного сигнала и т. п.). Однако наиболее общей является классификация по принципам измерений, по тем физическим явлениям, с помощью которых измеряемая величина преобразуется в выходной сигнал первичного преобразователя расходомера.
По принципу измерений расходомеры классифицируют по следующим основным группам (указываемый для каждой классификационной группы расходомеров принцип преобразования относится к их первичным преобразователям — датчикам).
1. Расходомеры переменного перепада давления (с сужающими уст
ройствами; с гидравлическими сопротивлениями; центробежные; с на
порными устройствами; струйные), преобразующие скоростной напор в
перепад давления.
2.Расходомеры обтекания (расходомеры постоянного перепада—ро
таметры, поплавковые, поршневые, гидродинамические), преобразующие
скоростной напор в перемещение обтекаемого тела.
3.Тахометрические расходомеры (турбинные с аксиальной или тан
генциальной турбиной; шариковые), преобразующие скорость потока
в угловую скорость вращения обтекаемого элемента (лопастей турбинки
или шарика).
4.Электромагнитные расходомеры, преобразующие скорость движу
щейся в магнитном поле проводящей жидкости в ЭДС.
5.Ультразвуковые расходомеры, основанные на эффекте увлечения
звуковых колебаний движущейся средой.
6.Инерциальные расходомеры (турбосиловые; кориолисовы; гиг
роскопический) , основанные на инерционном воздействии массы движу
щейся с линейным или угловым ускорением жикости.
7.Тепловые расходомеры (калориметрические; термоанемометри-
ческие), основанные на эффекте переноса тепла движущейся средой от
нагретого тела.
8.Оптические расходомеры, основанные на эффекте увлечения света
движущейся средой (Физо-Френели) или рассеяния света движущимися
частицами (Допплера).
9.Меточные расходомеры (с тепловыми, ионизационными, магнит
ными, концентрационными, турбулентными метками), основанные на
измерении скорости или состоянии метки при прохождении ее между
двумя фиксированными сечениями потока.
Естественно, приведенная классификация, не полная и неисчерпывающая, поскольку с каждым годом появляются новые методы и средства измерений расхода.
В отечественной практике наибольшее распространение получили расходомеры первых пяти групп (переменного и постоянного давления, тахометрические, электромагнитные и ультразвуковые). Эти расходомеры выпускаются серийно и находят применение практически во всех отраслях народного хозяйства. Расходомеры остальных групп используются пока, в основном, для решения специальных измерительных задач (при научных исследованиях, в медицине, криогенике, при измерениях агрессивных и токсичных сред и т. п.), изготовляются единичными экземплярами или малыми партиями и являются на сегодняшний день нестандартизованными средствами измерений.
Современная измерительная практика предъявляет все более высокие требования к точности, надежности, быстродействию, функциональности расходомеров. Следует отметить, что в большинстве случаев эти требования противоречивы, т. е. улучшение одних характеристик, как правило, достигается за счет недореализации возможностей улучшения других. Так, увеличение функциональных возможностей приборов за счет усложнения снижает их надежность вследствие возрастания числа подверженных отказам элементов. Увеличение быстродействия снижает эффективность систем автоматической компенсации медленно меняющихся погрешностей, вызванных влиянием внешней среды, параметров измеряемых объектов и т. п. Поэтому развитие измерительной техники, в том числе и расходоизмерительной, сопровождается постоянным поиском разумного компромисса между реализуемыми свойствами приборов, техническими возможностями и экономической целесообразностью. При этом следует иметь в виду, что и „грубые”, относительно низкоточные, но недорогие средства измерений всегда будут иметь достаточно большой промышленный спрос, поскольку способны удовлетворить определенный класс практических измерительных задач. Однако резкое повышение точности измерений было и остается важнейшей задачей развития расходоизмерительной техники.
Значительная часть серийно выпускаемых расходомеров имеет класс точности (приведенную погрешность) 1—1,5 %. Если принять, что измерения преимущественно проводятся в середине шкалы, относительная погрешность этих юмерении составляет 2—3 %. С учетом же влияния различных дестабилизирующих факторов действительная погрешность будет еще больше.
В то же время для эффективного управления технологическими процессами в нефтяной, газовой, химической отраслях промышленности, энергетическими и транспортными установками, для учетных операций уже сегодня требуется на порядок более высокая точность юмерении расхода. Именно это обстоятельство обусловливает необходимость создания и внедрения расходомеров, имеющих класс не хуже 0,1—0,3 %.
Характерная особенность расходоизмерительной практики — чрезвычайно широкая номенклатура измеряемых веществ, имеющих различные
физико-химические свойства — плотность, вязкость, температуру, фазовый состав и структуру. Поэтому в этой области измерений особенно остро стоит проблема создания приборов инвариантных (малочувствительных) к физико-химическим свойствам измеряемых сред, к неинформативным параметрам входного сигнала.
Изыскание новых принципов стабилизации функции преобразования, использование систем автоматической коррекции показаний, введения поправок — таковы основные направления технического поиска решения этой проблемы.
Обратите внимание
Классификация средств измерения расхода, их устройство, область применения, преимущества и недостатки.
Совместное регулирование температуры и соотношения расходов газа и воздуха в пламенных печах.
Принцип действия ротаметров лежит вертикальное перемещение чувствительного элемента (поплавка) под действием потока среды (рис.4). В этих приборах в следствии
изменения проходного сечения (расстояние между поплавком и внутренней стенкой конической трубки) разность давлений на поплавок (перепад давлений) в момент равновесия остается величиной постоянной.
Таким образом, положение поплавка относительно шкалы ротаметра является мерой расхода. При вертикальном перемещении поплавка момент равновесия наступает тогда, когда силы, действующие на поплавок сверху вниз (сила тяжести Fm и сила от действия потока на верхнюю плоскость поплавка Fпв) и снизу вверх (сила действия потока на нижнюю часть поплавка Fпи и сила трения потока о поплавки Fтр), уравновешиваются, т.е. когда Fm + Fпв = Fпи +Fтр, положение у поплавка соответствует определенная величина расхода. После выражения сил, действующих на поплавок, через физические параметры поплавка и среды, а также геометрические размеры поплавка и площадь сечения струя уравнения объемного расхода жидкости при определенном положении поплавка имеет вид:
Qo = Sk √ 2gVn(Pn-P)
где Qо – объемный расход измеряемой среды, м3/с;
– коэффициент расхода;
Sk – площадь сечения струи, образованного телом поплавка и внутренней стенкой конической трубки, м3;
g – ускорение свободного падения, м/с2;
Pn – плотность материала, из которого изготовлен поплавок, кг/м3;
Vn – объем поплавка, м3;
Р – плотность измеряемой среды, кг,м3;
Sn – площадь сечения верхней части поплавка, м2.
Коэффициент расхода зависит от конусности трубки, неравномерности в распределении скоростей в кольцевом сечении, потерь на местные сопротивления внутри прибора, геометрической формы и размеров поплавка и прочее.
Ротаметры изготавливают со стеклянными и металлическими трубками, последние снабжаются измерительными преобразователями сигналов и работают в комплекте с измерительными приборами.
Наибольшее распространение получили ротаметры для местного измерения расхода жидкости. Это стеклянная коническая трубка, зажатая между патрубками с фланцами. Патрубки соединены посредством стоек арматуры (тягами), которые являются ребрами жесткости. Внутри трубки имеется поплавок, перемещающейся под действием жидкости или газа потока. Поплавок плавно перемещается за счет вращательного движения и устанавливается в середине потока. Внутри нижнего патрубка имеется седло, на которое опускается поплавок при отсутствии расхода. Верхний патрубок имеет ограниченность хода. Шкала ротаметра наносится непосредственно на стеклянную трубку. Указателем расхода у таких ротаметров служит верхнее горизонтальная плоскость поплавка.
В технологических схемах пищевых производств широко используются трубопроводы, по которым подаются жидкости, газы, проводы и сборники. Трубопроводы и
сборники являются весьма распространенными объектами
регулирования при автоматизации пищевых производств.
РАСХОДОМЕРЫ ИНЕРЦИОННЫЕ
Инерционные расходомеры позволяют осуществлять измерения многокомпонентных жидких сред, а также имеющих непостоянную плотность. При этом на показания прибора не влияют колебания температуры, давления, вязкости.
Принцип их действия основан на придании контролируемому веществу дополнительного движения от вращательного или колебательного элемента. Чувствительный преобразователь воспринимает воздействие, пропорциональное массовому расходу контролируемой среды.
Момент силы, которая возникает на валу крыльчатки, вращающейся в потоке, пропорционален массовому расходу:
В турбинных расходомерах-счетчиках (рис. 4.8.1) протекающей жидкости придается вращательное движение с помощью крыльчатого ротора от вспомогательного электродвигателя. При этом вектор скорости направлен по оси потока и
и момент силы
Чувствительным элементом тахометрического шарикового расходомера является шарик, вращающийся под действием потока. При этом частота вращения пропорциональна расходу жидкости.
Жидкость поступает во внутреннюю полость через тангенциальные отверстия. Частота вращения шарика:
– число отверстий.
Частота вращения шарика определяется по числу его прохождений мимо катушки магнитоиндукционного тахометрического преобразователя с выходным сигналом 0–5 мА.
Они пригодны для измерения расхода жидкостей с твердыми включениями, а также насыщенных газами. Диаметр условного прохода
