Засоби вимірювання витрат та кількості речовини

Сучасні ультразвукові витратоміри комплектуються вбудованими мікропроцесорами, які  забезпечують обробку інформації, що надходить від датчиків, вимірювання  і індикація витрати середовища (за годину, добу, місяць), виготовлення уніфікованого струмового сигналу  при використанні системи автоматичного  регулювання, введення необхідних коригувальних  і керуючих команд і ін.

На  практиці одержали розповсюдження і  переносні ультразвукові витратоміри, які мають такі ж метрологічні характеристики, як і стаціонарні. У  комплект приладу входить безпосередньо  витратомір, портативна ЕОМ, багатофункціональний блок живлення з вбудованим акумулятором, монтажні пристрої для швидкого і правильного розташування датчиків на поверхні трубопроводу. Такі прилади використовуються для оперативного контролю витрати обраного типу середовища на різних ділянках трубопроводів, які мають різний діаметр і товщину стінки.

Ультразвукові витратоміри є найбільш перспективними приладами для вимірювання витрати  різних рідких і газоподібних середовищ. Найбільшу точність вимірювання  показують одноканальні ультразвукові  витратоміри з врізаними датчиками, похибка яких не перевищує 0,3%.

Силові витратоміри

Ці  витратоміри засновані на залежності від масової витрати ефекту силового впливу, який придає потоку прискорення  того або іншого роду. Таке прискорення  виникає в процесі надання  потоку якого-небудь руху (наприклад, закручування).

Додаткове прискорення пропорційно масовій  витраті. Тому силові витратоміри вимірюють  масову витрату, що є їхньою істотною перевагою. Крім того, завдяки малій  залежності від профілю швидкостей, у них немає жорстких вимог  до прямої ділянки труби перед  перетворювачем витрати.

Силові  витратоміри знаходять застосування для вимірювання витрати як однофазних, так і двофазних середовищ, сипучих  речовин і пульпових матеріалів (наприклад, шламу).

У всіх останніх випадках знайшли застосування тільки кориолісові силові витратоміри. Турбосилові витратоміри, досить зручні для вимірювання, витрати однофазних середовищ, не придатні для двофазних, тому що при закручуванні потоку відбувається сепарація фаз під впливом  відцентрової сили. Це порушує рівномірний  розподіл фаз по перетину і змінює величину вимірювального моменту. У  кориолісових витратомірів вимірювальна речовина рухається перпендикулярно, а не паралельно осі обертання  потоку.

Ваговий метод вимірювання витрати сипучих  середовищ

Ваговий метод вимірювання масової витрати  сипучої речовини полягає в періодичному або безперервному вимірюванні  сили ваги, створюваної вагою окремих  порцій або ділянок потоку сипучої  речовини.

Витратоміри, що реалізують цей принцип вимірювання, є автоматичними вагами. Останні  розділяються на дві великі групи: ковшові і конвеєрні. Перші є витратомірами періодичної дії. Вони вимірюють вагу послідовних порцій маси сипучої речовини. Другі - безперервної дії. Вони вимірюють вагу маси сипучої речовини, що перебуває на тій ділянці конвеєра, що рухається, яка проходить у цей момент над пристроєм для вимірювання ваги.

Вимірювання витрати багатофазних середовищ. Загальна характеристика багатофазних потоків

Багатофазні потоки дуже широко поширені. Навіть звичайні потоки рідини, газу або пари, що течуть у трубах і які приймаються  за однофазні, насправді в дуже багатьох випадках містять тією чи іншою мірою  домішки іншої фази. Так, разом  з газом звичайно рухається в  невеликій кількості вода, що конденсується  при зниженні температури з водяного пару. Водяні ж потоки нерідко містять  повітря, що захоплює цим потоком. Однак, при вимірюванні витрати подібних середовищ особливих труднощів  не виникає і їх при цьому можна  розглядати як однофазні.

Інше  положення спостерігається при  вимірюванні витрати дійсно багатофазних середовищ. Тут нерідко виникають  дуже великі труднощі, що залежать як від  роду цих середовищ, так і від  процентного вмісту окремих фаз, а також характеру їхнього  розподілу в потоці. Багатофазні  середовища розділяються на дво- і трифазні. Перші залежно від роду фаз  можуть бути трьох, типів: суміш рідини і твердої фази, суміш газу і твердої фази і суміш рідини з газом або парою.

Особливо  часто зустрічаються двофазні середовища першого типу. Вони мають місце  при гідротранспорті всіляких твердих  і волокнистих речовин. Іноді  гідросуміші називають пульпами: металургійної, кам'яновугільної, целюлозно-паперової і т.д. Властивості гідросумішей визначаються концентрацією, гранулометричним складом і властивостями твердої фази.

Прикладом двофазного середовища, що представляє  суміш твердої і газоподібної фаз, є пиловугільне паливо. Вугілля, попередньо розмелене до порошкоподібного стану, захоплюється повітряним потоком, створюваним повітродувкою, і подається  в топку парового казана. Подібні  ж двофазні суміші мають місце  при пневмотранспорті борошна, цементу  і інших речовин.

Дуже  важливе значення в техніці має  третій тип двофазних середовищ, а саме суміші рідини з газом або  парою. Нафта зі свердловини завжди надходить із газом. При цьому  виникає досить важливе завдання вимірювання витрати двофазних  нафтогазових сумішей. Крім того, у  багатьох технологічних процесах, наприклад  при сушінні, а також в опалювальних системах широко застосовується волога насичена пара. Вимірювання її витрати  також є актуальним завданням.

У ряді випадків виникає необхідність вимірювання  витрати трифазної або трикомпонентної  суміші. Так, у багатьох гідросумішах поряд із твердою і рідкою фазами є ще і газова фаза - повітря. Подібні  речовини називають газованими пульпами. Продукт вихідний з нафтових свердловин, як правило, складається не тільки з  нафти і газу, але і супутньої  їм води, тобто є трикомпонентним.

Структури багатофазних потоків

Структури потоків, що є сумішшю рідини з  газом або парою, досить різноманітні. Ця розмаїтість залежить від процентного  вмісту тієї або іншої фази, а  також від швидкості потоку і  у деяких випадках від розташування трубопроводу в просторі і від  його діаметра.

Якщо  концентрація однієї з фаз мала, то маємо дисперсну структуру, при  якій краплі рідини (або пухирці  газу) порівняно рівномірно розподілені  в парі (або рідини відповідно). Подібну  структуру іноді називають краплинною.

Зі  збільшенням змісту рідини в парі (газі) починає утворюватися розшарування або роздільний потік, характер якого  залежить від розташування труби. При вертикальному положенні труби рідина поступово розташовується у вигляді кільцевого шару уздовж стінок, а в середній частині ще зберігається краплинна структура. Ця перехідна форма потоку називається дисперсійно-кільцева. При подальшому збільшенні частки рідини в суміші наступає повністю розшарований потік, що у вертикальній трубі має кільцеву структуру (рис.6.18,г). При цьому кільцевий шар рідини стає все товстіше, а центральна стрижнева частина заповнена один паром (газом). У похилих і горизонтальних трубах при розшарованому потоці немає кільцевого шару рідини. Остання під дією сили ваги опускається вниз і рухається по нижній частині трубопроводу, у той час як пара або газ переміщаються по його верхній частині.

Зі  збільшенням швидкості потоку і  одночасному зростанні частки рідини на поверхні розділу фаз починають  виникати хвильові гребені. Це має місце  як у вертикальних, так і в горизонтальних трубах. Хвильові гребені ростуть  зі збільшенням швидкості і починають  розсікати на окремі частини безперервний потік пари або газу, що рухається  в центрі вертикальної труби або  у верхній частині горизонтального  каналу. Так виникає пробкова або снарядна структура потоку, При такій структурі пар або газ переміщується у вигляді окремих пробок, які ростуть і стискуються в процесі руху, перекриваючи собою повністю або частково поперечний переріз каналу.

У міру подальшого росту частки рідини в  потоці газові пробки зменшуються в  розмірі і поряд з ними вже  рухаються дрібні газові пухирці. Подібна  структура при ще більшому зменшенні  частки газу переходить у пузиркову структуру. У вертикальній трубі ці пухирці рівномірно розподілені по її перетині, а в горизонтальній або похилій вони рухаються у верхній частині труби.

Найпоширенішої  в промислових трубопроводах  є пробкова структура газорідинного  потоку. При такій структурі може виникнути припущення, що швидкість  обох фазоднакова. Насправді, внаслідок  хвильового характеру руху, при якому  швидкість поширення хвилі дорівнює середньої швидкості газу, останній переміщається в западинах хвиль,що утворяться в рідинних пробках. У результаті середня швидкість газової фази при пробковій структурі виявляється більше середньої швидкості рідини. Помітимо, що коркова структура може супроводжуватися великомасштабними пульсаціями швидкості, тиски і концентрації фаз.

Розглянуті  структури газорідинного потоку можуть бути у відомій мірі поширені і на інші двофазні потоки, що є сумішшю  газу або рідини із твердою фазою. Але, при цьому треба враховувати  ступінь дисперсності і однорідності твердої фази, а також форму  і розмір твердих часток.

Під впливом  гравітаційних сил у горизонтальних трубах зростає концентрація твердої  фази в нижній частині труби в  порівнянні з верхньою тим більше, чим крупніше розмір твердих часток. Це порушує осьову симетрію профілю  швидкостей, характерну для сталого  однофазного потоку, тому що швидкість  суміші в нижній частині труби  зменшується в порівнянні з верхньою. У вертикальних трубах цього немає. У розглянутих потоках зустрічаються  як дисперсний, так і розшарований режими потоку. При останньому режимі в горизонтальних трубах, коли рідина протікає над шаром твердих часток, можливе утворення хвиль або дюн, що переміщаються в напрямку руху потоку. При цьому концентрація твердої фази періодично змінюється уздовж труби. Зустрічаються і агрегативні потоки, коли частки прагнуть до утворення конгломератів або пластівців, або ж коли більше легкий компонент - газ утворить пухирці, не утримуючих твердих часток.

Загальна характеристика методів  вимірювання витрати багатофазних середовищ

Багатофазні і багатокомпонентні середовища відрізняються дуже більшою розмаїтістю, що залежить, насамперед, від роду окремих  фаз і компонентів, а потім  від ступеня їхньої дисперсності і характеру розподілу в суміші, причому на останнє впливає величина середньої швидкості потоку і  розташування трубопроводу: горизонтальне, вертикальне або похиле (під кутом). Далі досить істотним для потоку багатофазної речовини є різниця швидкостей між  окремими фазами. Більше легка фаза, як правило, випереджає у своєму русі більше важку. Це викликає необхідність розрізняти істинні і витратні концентрації фаз, а також істинна і витратна щільність суміші. Все сказане створює додаткові труднощі при вимірюванні витрати багатофазних середовищ у порівнянні з однофазними. Проте, у цей час є можливість вимірювати витрату як більшості багатофазних середовищ, так і витрату того або іншого компонента або фази (наприклад, твердої фази при гідро- або пневмотранспорті).

Застосовувані для цих вимірювань методи і прилади  можуть бути розділені на три групи.

До  першої групи відносяться різні методи і засоби, розроблені для вимірювання витрати однофазних середовищ. У деяких випадках ці засоби застосовуються без усякої зміни, наприклад витратоміри змінного рівня, у яких здійснюється розподіл рідкої і газоподібної фаз. Але в більшості випадків буває необхідно враховувати специфіку вимірювальної двофазної речовини. Наприклад, у витратомірах із звужуючими пристроями при вимірюванні гідросумішей застосовуються тільки труби Вентурі, причому зі змінною горловиною, виконаної зі зносостійкого матеріалу, а при вимірюванні витрати вологої пари лише діафрагми, що практично не реагують на присутність важкого компонента - вологи. Те ж ставиться і до силових витратомірів, з яких для двофазних речовин знаходять застосування лише кориолісові витратоміри. Ці витратоміри зручні для вимірювання витрати пульп і шламів і в них немає сепарації фаз при вимірюванні витрати газорідинних сумішей.

До другої групи можна віднести методи, засновані на спільному застосуванні деяких витратомірів, наприклад електромагнітних або ультразвукових, розроблених для однофазних речовин і приладів, що служать для вимірювання щільності двофазного потоку, а в деяких випадках ще і приладів, що вимірюють концентрацію окремих компонентів. Ці методи застосовуються при вимірюванні витрати трифазних речовин, а також при гідро- і пневмотранспорті.

Третю групу становлять методи і прилади, розроблені спеціально або переважно, для вимірювання витрати багатофазних речовин. Таких методів поки ще небагато. До їхнього числа варто віднести насамперед флуктуаційний метод, придатний для вимірювання досить широкого кола різних двофазних і двокомпонентних потоків. У відомій мірі до цієї ж групи можуть бути віднесені вібраційні витратоміри, розроблені для вимірювання нафтогазових потоків.

Переходячи  до оцінки досягнутої точності вимірювання  багатофазних середовищ, варто сказати, що вона поки що досить обмежена. У більшості  випадків відносна наведена похибка  вимірювання становить ±(3...5)%, а  в деяких випадках і більше, особливо, якщо мова йде про похибки вимірювання  витрати окремо кожного з компонентів  багатофазного потоку.

Вимірювання двофазних  потоків витратомірами змінного перепаду тиску

Для вимірювання  витрати однофазних потоків саме широке розповсюдження одержали витратоміри  змінного перепаду тиску із звужуючими пристроями як перетворювачі витрати. Тому природно, що при вирішенні  проблеми вимірювання витрати багатофазних речовин, нерідко прибігали і  прибігають до витратомірів цього ж  типу.