Засоби вимірювання витрат та кількості речовини

У відповідності  зі схемою в конічній трубці 1 розміщений поплавець 2, при підйомі якого  нагору під дією потоку збільшується площа прохідного кільця між поплавцем  і стінкою конічної трубки, що приводить  до зменшення сили, створюваної потоком, яка діє на поплавець. Речовина, протікаючи через прорізи, надає поплавцю обертання, і він центрується в середині потоку. При рівновазі сил, які  діють на поплавець, він установлюється на висоті, що відповідає вимірюваному значенню витрати. Аналогічно збільшується кільцевий перетин між конічним клапаном 2 і циліндричним сідлом 1 (рис.6.11,б). У схемі рис.6.11,в при підйомі поршня 1 збільшується площа вихідного бічного отвору 3 у стінці циліндра 2.

Витратоміри обтікання, які застосовуються для  вимірювання витрати рідин і  газів, мають кілька різновидів. Найпоширеніші  з них наведені на рис.6.12.

У ротаметрах зі скляною конічною трубкою 1 (рис.6.12,а), призначених для вимірювання  газів або прозорих рідин, шкала 4 нанесена безпосередньо на зовнішній  поверхні скла. Покажчиком служить  верхня горизонтальна площина обертового поплавця 2. На нижньому патрубку є сідло, на яке опускається поплавець  при нульовій витраті речовини. На верхньому патрубку є обмежник ходу поплавця 3.

Для вимірювання витратинепрозорих рідин (рис.6.12,б) застосовують циліндричну скляну трубку 3 і циліндричний поплавець 1 з отвором посередині, через який проходить нерухомий стрижень 2 конічного перетину.

Рисунок 6.12 - Конструктивні схеми ротаметрів

При переміщенні  уздовж трубки 1 поплавець одночасно  обертається, а кільцевий змінний  отвір для потоку створюється  між поплавцем і стрижнем 2. Ротаметри  зі скляними трубками виготовляють на максимальний тиск 0,6 МПа.

Для вимірювання  витрати газів і рідин на технологічних  потоках застосовуються ротаметри, постачені передавальними перетворювальними  елементами з електричним (рис.6.12,в) або пневматичним вихідним сигналом.

Ротаметр, показаний на рис.6.12,в, складається  з металевого корпусу 3, усередині якого при зміні витрати переміщається обтічне тіло — клапан 1 конічного профілю. Між робочою поверхнею клапана 1 і кільцевою діафрагмою 2 створюється змінний прохідний отвір. Із клапаном 1 за допомогою штока 4 зв'язаний сердечник 5 диференційно-трансформаторного перетворювального елемента 7, катушка якого намотана на трубку 6 з немагнітної сталі. Клас точності цих ротаметрів у комплекті із вторинним приладом - 2,5.

У поршневому витратомірі постійного перепаду тиску (рис.6.12,в) маса поршня 2 з вантажами 1 і штока із сердечником 3 урівноважується  перепадом тиску до і після  вихідного прямокутного отвору 6 у  бічній стінці циліндра. Передавальний  перетворювач тут виконаний у  вигляді сердечника 3 з м'якої сталі, що переміщається усередині немагнітної  трубки, на якій установлена індукційна катушка 4. Чим більше витрата речовини, тим вище піднімається поршень і відкривається прохідний перетин у бічній стінці. Тиск за отвором 6 через канал 5 передається у верхню частину поршня. Таким чином, перепад тиску на отворі і на поршні той самий. Цей перепад створює підйомну силу поршня, що врівноважується вагою рухливої системи. Змінюючи вагу рухливої системи за допомогою змінних вантажів 1, змінюють межу вимірювання витратоміра.

Електромагнітні (індукційні) витратоміри

Розглянуті  вище методи вимірювання витрати  і кількості речовини характеризуються тим, що чутливий елемент приладу  перебуває безпосередньо у вимірювальному середовищі, тобто піддається механічному  і хімічному її впливу і спричиняє втрату тиску потоку. Безперервна дія вимірювального середовища на чутливий елемент робить із часом негативний вплив на точність, надійність і термін служби приладу.

Для вимірювання  витрати хімічно агресивних (кислоти, луги), абразивних (пульпи) і інших  рідин, які пошкоджують матеріал дотичних з ними частин витратоміра, описані вище методи і прилади  взагалі непридатні.

Існує ряд приладів для вимірювання  витрати рідини, чутливий елемент  яких не має безпосереднього з  нею контакту, що дозволяє застосовувати  їх при агресивних середовищах. До числа  таких приладів відносяться електромагнітні (індукційні) витратоміри,

Електромагнітні витратоміри застосовуються для  вимірювання витрати електропровідних рідин. Застосовуються для вимірювання  в трубопроводах об'ємної витрати  водопровідної води, різних розчинів (солей, кислот), пульп, розплавлених металів  і інших електропровідних рідин, електрична провідність яких повинна  бути не менше електропровідності водопровідної  води.

Таким чином, електромагнітний витратомір являє  собою невеликий гідродинамічний  генератор змінного струму, що виробляє е.р.с., пропорційну середньої швидкості  потоку, а отже, і витраті рідини.

Вимір витрати рідини електромагнітним методом  здійснюється при використанні як постійного магніту, так і магніту зі змінним  магнітним полем. Зазначені способи  створення магнітного поля мають свої позитивні і негативні сторони.

Схема електромагнітного витратоміра  з постійним магнітним полем  зображена на рис.6.13, а. Корпус 1- це відрізок труби, виконаний з немагнітного матеріалу і покритий зсередини електричною ізоляцією (гумою, емаллю, фторопластом і ін.), розташований між полюсами магніту 2. Магнітні силові лінії спрямовані перпендикулярно вектору швидкості руху рідини. Через стінку труби ізольовано від неї введені електроди 3, які перебувають у контакті з рідиною. Вся інформація надходить у вимірювальний пристрій 4.

 

 

 

 

 

Рисунок 6.13 - Схема електромагнітного витратоміра а) – з постійним магнітним полем; б) – зі змінним магнітним полем.

Перевагою електромагнітних витратомірів з постійним магнітним

полем є те, що значно зменшується проблема, пов'язана з перешкодами від зовнішніх змінних електромагнітних полів, особливо при застосуванні в промислових умовах, де працюють електромотори, магнітні крани, трансформатори і інше електротехнічне устаткування. До числа переваг таких витратомірів варто віднести відсутність необхідності в джерелі живлення чутливих елементів, тобто самих електродів, розташованих на трубопроводі, що забезпечує безпеку його роботи і ряд інших факторів.

Основним  недоліком магнітних витратомірів з постійним магнітним полем  є поляризація електродів, тобто  виникнення у позитивного електрода  негативних іонів, а у негативного  електрода позитивних іонів. Тому електромагнітні  витратоміри з постійним магнітним  полем не застосовуються для рідин  з іонною провідністю (кислоти, солі, водяні розчини різних речовин і  ін.). Такі витратоміри набули застосування для вимірювання витрати рідких середовищ із електронною провідністю, до яких відносяться розплавлені  рідкі метали (натрій, ртуть, залізовуглецеві  розплави і ін.) і у яких відсутнє явище поляризації. Можливе застосування таких витратомірів - атомні реактори з розплавленим металевим теплоносієм, плавильні і ливарні агрегати на металургійних заводах і ін.

Для вимірювання  витрати середовищ із іонною провідністю  застосовуються витратоміри зі змінним  магнітним полем, створюваним електромагнітом (рис.6.13, б). При досить високій частоті електромагнітного поля поляризація електродів практично відсутня.

Електромагнітні витратоміри різних модифікацій  мають вбудований у вимірювальний  блок мікропроцесорний пристрій, що обробляє інформацію від датчика витрати, встановленого на трубопроводі, реєструє значення миттєвої витрати і кількості  за певний проміжок часу, має можливість передачі даних на ЕОМ по інтерфейсу і інші операції.

Електромагнітні витратоміри, які мають клас точності 0,5...1,0, застосовуються на трубопроводах  практично будь-яких діаметрів без  обмеження верхньої межі по витраті. Їх показання не залежать від в'язкості  і щільності середовища. Датчик витрати (чутливий елемент), практично безінерційний, перебуває поза середовищем, що рухається, і, таким чином, не створює втрати тиску. Витратоміри, які використовують такий принцип вимірювання, знаходять  застосування для вимірювання витрати  агресивних, абразивних і в'язких  рідин і пульп, розплавлених металів, тобто в тих випадках, коли застосування витратомірів інших типів неприйнятне.

Переваги  електромагнітних витратомірів:

• незалежність показань від в'язкості і густини вимірювального середовища;
• можливість застосування в трубах будь-якого діаметра;
• відсутність втрат тиску в потоці;
• необхідність у менших довжинах прямих ділянок труб;
• висока швидкодія.

До  основних недоліків електромагнітних витратомірів можна віднести:

• непридатні для вимірювання витрати газу і пари;
• непридатні для вимірювання витрати рідин-діелектриків (спирт, нафтопродукти і т.п)

Теплові витратоміри

Принцип дії теплових витратомірів заснований на нагріванні потоку речовини і вимірюванні  різниці температур до і після  нагрівача (калориметричні витратоміри) або на вимірюванні температури  нагрітого тіла, яке поміщене в потік (термоанемометричні витратоміри). Останні не мають самостійного застосування в технологічних вимірюваннях.

Схема калориметричного витратоміра показана на рис.6.15. У трубопроводі 1 встановлений нагрівач потоку 3, на рівних відстанях  від центра нагрівача — термоперетворювачі 2 і 4 (при цьому нагрівання їх від  випромінювання однаковий), що вимірюють  температуру потоку до і₁ і після нагрівання ї₂.

Для нерухомого середовища розподіл температури в  ній симетрично щодо осі нагрівача  і тому різниця температур Аґ=ґ₁-ґ₂=0. При деякій малій швидкості потоку розподіл температури несиметричний і трохи зміщається по потоку. У місці термоперетворювача 2 температура падає внаслідок надходження холодної речовини, а в місці термоперетворювача 4 температура ї₂ або трохи зростає, або ж не змінюється, внаслідок чого при малих витратах Аї збільшується з ростом витрати. При подальшому збільшенні витрати при постійній потужності нагрівача ї₂ стане зменшуватися, у той час як ї₁ практично постійна, тобто буде зменшуватися Аї. Таким чином, при більших витратах різниця температур Аї обернено пропорційна витраті.

Як  перетворювачі температури в  калориметричних витратомірах можуть бути використані різні термоприймачі (термоелектричні перетворювачі, термоперетворювачі опору і ін.). Термоперетворювачі опору характеризуються тою перевагою, що їх можна виконувати у вигляді  рівномірної сітки, що перекриває весь перетин, і в такий спосіб вимірювати середню по перетину температуру.

Калориметричні  витратоміри, що градируються індивідуально, мають класи точності 0,5...1. Калориметричні витратоміри в основному застосовують для вимірювання малих витрат чистих газів. Для вимірювання витрати  рідин калориметричні витратоміри  не знайшли практичного застосування через велику споживану потужність. Основна і важлива перевага калориметричних  витратомірів полягає в тому, що вони забезпечують вимірювання масової  витрати газу без вимірювання його параметрів стану (тиск, температура, густина).

Пошуки  підвищення експлуатаційної надійності калориметричних витратомірів привели  до створення теплових витратомірів, у яких нагрівач і термоперетворювачі розміщають на зовнішній стінці труби, і передача теплоти до потоку здійснюється через стінку труби і далі - через  прикордонний прошарок.

Ультразвукові витратоміри

Розглянуті  вище методи вимірювання витрати  мають важливий недолік, пов'язаний з тим, що чутливі елементи (діафрагма, сопло, напірна трубка) перебувають  безпосередньо у потоці, і піддаються впливу середовища на конструктивні  частини чутливого елемента. З  іншого боку, самі чутливі елементи, перебуваючи в потоці, впливають  на його аеродинамічні характеристики, що приводить до появи додаткової похибки вимірювання.

Останнім  часом почали широко застосовуватися  методи вимірювання витрати, у яких чутливі елементи перебувають поза середовищем, що рухається, це дозволяє розширити кількість видів обмірюваних  середовищ (розплавлені метали, кислоти, луги, агресивні і токсичні рідини і гази і ін.). В одному з таких  методів вимірювання витрати  використовується ультразвукова хвиля, що подає інформацію про швидкість  і витрату середовища, що рухається, у закритих і відкритих каналах.

В ультразвукових витратомірах використовуються різні  ефекти, пов'язані із проходженням ультразвуку  через середовище, що рухається: зміна  швидкості ультразвуку в поздовжньому напрямку потоку; відхилення ультразвукової хвилі при поперечному проходженні  в потоці; ефект Доплера і ін.

Найбільше поширення одержав метод вимірювання  витрати, заснований на вимірюванні  різниці часів проходження ультразвуку  по напрямку і проти напрямку потоку середовища.

Показання частотного витратоміра не залежить від швидкості проходження ультразвуку в середовищі, що є важливою перевагою такого методу вимірювання витрати рідких і газоподібних середовищ.

В інших  типах витратомірів ультразвукова  хвиля направляється перпендикулярно  осі труби і по величині відхилення ультразвукової хвилі від перпендикуляра визначається витрата або середня  швидкість потоку. У міру збільшення середньої швидкості потоку V напрямок ультразвукового сигналу зі швидкістю з усе більше відхиляється по напрямку швидкості потоку.

У фазових  ультразвукових витратомірах використовується ефект Доплера, тобто вимірюється  різниця фаз ультразвукових коливань, які розповсюджуються по потоку і  проти нього. Недоліком таких  витратомірів також є залежність показань від зміни швидкості  ультразвуку в середовищі.

Розроблені  різні модифікації ультразвукових час-імпульсних і доплеровських (фазових) витратомірів, які застосовуються в  нафтовій, металургійній, хімічній і  інших областях промисловості для  вимірювання витрати мазуту, нафти, нафтопродуктів і інших рідин, у  тому числі середовищ, забруднених твердими і газоподібними включеннями. Перевагою таких витратомірів є широкий діапазон вимірювальних витрат від 0,45 до 110000 м³/год для трубопроводів діаметром від 40 до 1800 мм із похибкою вимірювання не більше 2%.