фильтрации измеряемой среды от механических примесей, а также
высокий уровень акустического шума. Диапазон измерений объемных
шестеренчатых счетчиков составляет от 0,01 до 250 м3/ч.
Для измерения количества нефтепродуктов, минеральных масел
и ряда агрессивных жидкостей используются объемные лопастные
счетчики (рис. 6.2).
Счетчик представляет собой цилиндрический корпус 1 с подвижным
барабаном 2, внутри которого расположен неподвижный кулачок 3.
На кулачок опираются четыре ролика 4 с закрепленными на них
лопастями 5. В пространстве между внутренней поверхностью кор-
пуса и внешней поверхностью барабана движется измеряемая жид-
кость. Барабан вращается за счет давления поступающей жидкости,
действующей на лопасти. При вращении барабана ролики катятся по
кулачку, при этом лопасти поочередно занимают место снаружи и
внутри барабана. Вращение барабана передается на счетный меха-
низм. За один оборот барабана через счетчик проходит объем жид-
кости, соответствующий кольцевому пространству между корпусом
и барабаном. Перетеканию жидкости из входа на выход препятству-
ет вкладыш 6. Верхний предел измерений объемных лопастных счет-
чиков 300 м3/ч.
6.3. Турбинные (скоростные) расходомеры
и счетчики
Турбинные расходомеры (счетчики) применяются для определения
объемного расхода (количества) измеряемой среды. Турбинные счет-
чики в отличие от объемных не имеют измерительных камер и про-
изводят косвенное измерение объема. Чувствительным элементом
турбинных расходомеров является турбина, приводимая во вращение
потоком жидкости, протекающим через расходомер. Число оборотов
турбины п в единицу времени пропорционально скорости омываю-
щего ее потока:
где к — коэффициент пропорциональности, зависящий от вида тур-
бины; W— скорость потока в некотором сечении F расходомера.
Объемный расход Q через расходомер равен
Подставив в это выражение значение расхода из выражения (6.2)
и проинтегрировав полученную зависимость в интервале времени
t2—t1, получим
где N2-N 1 — разность показаний счетчика в интервале времени
t2-t1.
Если турбинный счетчик снабжен тахометром, то он измеряет
объемный расход потока.
Существуют турбины двух видов: аксиальная и тангенциальная.
Аксиальная турбина представляет собой многозаходный винт, ось
вращения которого параллельна измеряемому потоку. Тангенциальная
турбина представляет собой турбину с лопастями, ось вращения ко-
торой перпендикулярна измеряемому потоку. Вращение обеих турбин
в счетчиках через передаточный механизм передается счетному устрой-
ству. Турбинные счетчики с аксиальной турбиной (рис. 6.3, а, б) ис-
пользуются для измерения объема неагрессивных жидкостей и газов
в трубопроводах диаметром 50... 300 мм. Диапазон измерений по рас-
ходу составляет 3... 1 300 м3/ч. Турбинные счетчики с тангенциальной
турбиной (рис. 6.3, в) используются для измерения объема неагрес-
сивных жидкостей (в основном воды) в трубопроводах диаметром
15... 40 мм. Диапазон измерений по расходу составляет 3... 20 м3/ч.
Недостатком турбинных счетчиков (расходомеров) является за-
висимость показаний от вязкости измеряемой среды.
6.4. Расходомеры переменного перепада давления
(дроссельные)
Одним из самых распространенных принципов измерения рас-
хода жидкостей, газов и паров является принцип переменного пере-
пада давления на сужающем устройстве. В трубопроводе устанав-
ливается сужающее устройство. При протекании измеряемого потока
через отверстие этого устройства скорость потока увеличивается по
сравнению со скоростью до сужения. Благодаря этому давление по-
тока на выходе из сужающего устройства уменьшается, и на нем соз-
дается перепад давления, который зависит от скорости в сужении,
т. е. от расхода потока. На рис. 6.4 показаны схема дроссельного рас-
ходомера и график изменения давления по длине трубопровода. Из-
меряемая среда протекает через отрезок трубопровода 1, в котором
установлено сужающее устройство 2. На рис. 6.4 видно, что давление
среды Р непосредственно перед сужающим устройством несколько
возрастает Р,, затем после него падает Р2, далее достигает минимума
и снова возрастает. Перепад давления на сужающем устройстве
(∆Р = Р1 - Р2) измеряется дифманометром (ДМ). Также можно уви-
деть, что установившееся значение давления после сужающего устрой-
ства не достигает своего первоначального значения. Эта потеря
давления δР, называемая безвозвратной потерей давления, связана с
затратой части энергии потока на вихреобразования за сужающим
устройством и на трение.
Выражения для объемного Q и массового G расходов среды, про-
текающей через сужающее устройство, имеют вид
где α — коэффициент расхода; ε — поправочный множитель на рас-
ширение измеряемой среды (для сжимаемых сред ε < 1, а для несжи-
маемых ε = 1); d — диаметр входного отверстия сужающего устройства;
∆Р = Р1 - Р2 — разность давлений до и после сужающего устройства;
ρ — плотность среды; F0 — площадь сечения входного отверстия
сужающего устройства.
В дроссельных расходомерах в качестве сужающих устройств ис-
пользуются диафрагмы (рис. 6.5, а), сопла (рис. 6.5, б), трубы Вен-
тури (рис. 6.5, в) и различные их модификации. Характерной осо-
бенностью сопл и труб Вентури является меньшая, чем для диафрагм,
безвозвратная потеря давления.
6.5. Расходомеры постоянного перепада давления
(ротаметры)
Ротаметр (рис. 6.6) представляет собой вертикальную конусную
трубку 1, в которой находится поплавок 2. Измеряемый поток, про-
ходя через ротаметр снизу вверх, создает перепад давлений до и
после поплавка. Этот перепад давлений, в свою очередь, создает
подъемную силу, которая уравновешивается весом поплавка (в слу-
чае произвольного направления потока — силой противодействую-
щей пружины).
Если расход через ротаметр изменится, то изменится и перепад
давлений. Это приведет к изменению подъемной силы и, соответ-
ственно, к нарушению равновесия поплавка. Поплавок начнет пере-
мещаться; так как трубка ротаметра конусная, то при этом будет
изменяться площадь проходного сечения в зазоре между поплавком
и трубкой.
В результате произойдет изменение перепада давлений, а следо-
вательно, и подъемной силы. Когда перепад давлений и подъемная
сила снова вернутся к прежним значениям, поплавок уравновесится
и остановится. Таким образом, каждому значению расхода через
ротаметр соответствует определенное положение поплавка. Во из-
бежание трения и удара поплавка о стенку трубки в его верхнем обо-
де выполнены наклоненные к вертикали прорези 3. Вещество, про-
текая через прорези, придает поплавку вращение, и он центрируется
в середине потока.
Уравнение объемного расхода для ротаметра имеет вид
где α — коэффициент расхода; FK — площадь кольцевого отверстия
между верхней частью поплавка и конусной трубкой; g - ускорение
свободного падения; V— объем поплавка; ρп — плотность материала
поплавка; ρ — плотность вещества потока; ƒ — площадь наибольше-
го поперечного сечения поплавка.
Из этого выражения следует, что если коэффициент расхода а при-
нять постоянным, то расход вещества может быть определен по зна-
чению площади кольцевого отверстия FK. Учитывая, что FK — функция
положения поплавка, значение высоты его подъема служит мерой рас-
хода.
Ротаметры выпускаются со стеклянными и металлическими труб-
ками. У ротаметров со стеклянной трубкой шкала нанесена прямо на
поверхности трубки. Такие ротаметры предназначены для измерения
газов или прозрачных жидкостей. Указателем служит верхняя гори-
зонтальная плоскость вращающегося поплавка. В ротаметрах с ме-
таллической трубкой используется дистанционное измерение поло-
жения поплавка при помощи преобразователей линейного переме-
щения в унифицированный электрический или пневматический
сигнал.
Ротаметры имеют большой диапазон измерения (отношение верх-
него предела измерения к нижнему 10:1) и сохраняют точность из-
мерений даже при очень малых расходах; используются для измерения
объемного расхода плавно меняющихся однородных потоков чистых
и слабозагрязненных жидкостей и газов.
6.6. Электромагнитные (индукционные)
расходомеры
Принцип действия электромагнитных расходомеров (ЭМР) осно-
ван на законе электромагнитной индукции, согласно которому в
проводнике, движущемся в магнитном поле, индуцируется ЭДС,
пропорциональная скорости движения проводника. Роль проводни-
ка в данном случае выполняет электропроводная жидкость, проте-
кающая по трубопроводу и пересекающая магнитное поле. При этом
на измерительных электродах наводится ЭДС, пропорциональная
скорости движения жидкости, следовательно, и ее расходу. Отрезок
металлической немагнитной трубы /, которая устанавливается меж-
ду фланцами трубопровода с измеряемым потоком жидкости, рас-
полагается между полюсами магнита 2, перпендикулярно направле-
нию магнитных силовых линий (рис. 6.7). Внутренняя поверхность
трубы покрыта электроизоляционным материалом (эмаль, стекло-
пластик, резина и др.). Выходной сигнал снимается с двух изолиро-
ванных электродов 3, установленных в стенке трубопровода и под-
ключенных к измерительному прибору 4 (милливольтметру или по-
тенциометру).
ЭДС Е, индуцируемая в проводнике, движущемся в постоянном
магнитном поле, равна
откуда следует, что при постоянной магнитной индукции измеряемая
ЭДС линейно зависит от объемного расхода жидкости.
При использовании постоянного магнитного поля за счет поля-
ризации измеряемой среды на электродах возникает паразитная ЭДС,
уменьшающая индуцируемую ЭДС и приводящая к значительным
погрешностям измерения. Для ее устранения используются электро-
магниты, питаемые переменным током и создающие переменное
магнитное поле.
ЭМР обладают рядом достоинств: 1) возможность измерения рас-
хода агрессивных, абразивных и вязких жидкостей (степень агрессив-
ности измеряемых сред определяется материалом изоляции трубы и
электродов); 2) на показания не влияют взвешенные в жидкости
частицы и пузырьки газа, а также такие параметры измеряемого по-
тока жидкости, как давление, температура, вязкость, плотность и т. п.;
3) ЭМР позволяют проводить измерения без потери давления; 4) ЭМР
практически безынерционны и поэтому могут быть использованы
при измерении быстро меняющихся потоков. Недостатком является
возможность измерения расхода только электропроводных жидкостей.
Верхний предел измерения ЭРМ — 2 500 м3/ч.
6.7. Тепловые расходомеры
Существует несколько разновидностей тепловых расходомеров.
Наиболее распространены тепловые калориметрические расходо-
меры, принцип действия которых основан на нагреве потока вещества
и измерении разности температур до и после нагревателя. На рис. 6.8
показаны схема такого расходомера и кривые распределения темпе-
ратуры среды до и после нагревателя при его постоянной выделяемой
тепловой мощности.
В трубопроводе 1 установлен нагреватель потока 2. На равных
расстояниях от центра нагревателя расположены термопреобразова-
тели 3, измеряющие температуру потока до и после нагрева. Для
неподвижной среды распределение температуры в ней (на графике —
сплошная линия) симметрично относительно оси нагревателя, и
поэтому разность температур ∆ t = t2 – t1 = 0. При некоторой малой
скорости потока распределение температуры (на графике — штрихо-
вая линия) несимметрично и несколько смещается вправо. При малых
расходах температура падает вследствие поступления холодного
вещества, а температура t2 возрастает, вследствие чего ∆t увеличива-
ется с ростом расхода. С дальнейшим увеличением расхода при по-
стоянной мощности нагревателя t2 станет убывать, в то время как t,
практически постоянна, т.е. ∆ t будет уменьшаться. Таким образом,
при малых расходах разность температур ∆t прямо пропорциональна
расходу, а при больших — обратно пропорциональна.
Зависимость между массовым расходом G и разностью темпера-
тур ∆t при больших расходах определяется уравнением теплового
баланса:
где N— мощность нагревателя; к — поправочный множитель на не-
равномерность распределения температур по сечению трубопровода;
с — теплоемкость вещества при температуре (t1 + t2)/2.
Отсюда следует, что измерение массового расхода может быть
осуществлено двумя способами: 1) по значению подаваемой к на-
гревателю мощности N, обеспечивающей постоянную заданную
разность температур ∆t; 2) по значению разности ∆t при постоян-
ной N.
В соответствии с первым способом расходомер работает как регу-
лятор температуры нагрева потока. При изменении ∆t мощность N
автоматически изменяется до тех пор, пока ∆t не достигнет заданно-
го значения. Массовый расход при этом определяется по шкале ватт-
метра в цепи нагревателя. Для уменьшения расходуемой мощности
обычно ограничивают заданное значение ∆t в пределах 1... 3 °С.
По второму способу, когда к нагревателю подводится постоянная
мощность, расход определяют по прибору, измеряющему разность
температур. Недостатком этого способа является гиперболический
характер шкалы, а значит, и падение чувствительности при увеличе-
нии расхода.
В качестве преобразователей температуры в калориметрических
расходомерах могут быть использованы термоэлектрические преоб-
разователи, термопреобразователи сопротивления и др.
Калориметрические расходомеры в основном применяют для из-
мерения малых расходов чистых газов. Основное преимущество этих
расходомеров — измерение массового расхода газа без измерения его
давления и плотности.
Существуют тепловые расходомеры, у которых нагреватель и тер-
мопреобразователи размещают на наружной стенке трубы и пере-
дача теплоты к потоку осуществляется через стенку трубы.
6.8. Ультразвуковые расходомеры
Принцип действия ультразвуковых расходомеров основывается на
изменении скорости распространения ультразвуковых колебаний
(УЗК) в неподвижной и подвижной среде. Существует три метода
измерения расхода вещества с помощью ультразвука: 1) по разности
времен распространения УЗК, направленных по потоку и против
него; 2) по степени отклонения УЗК, направленных перпендикуляр-
но к потоку, от первоначального направления; 3) метод, основанный
на эффекте Доплера (доплеровские расходомеры). В качестве
излучателей-приемников УЗК во всех методах используются пьезо-
электрические преобразователи.
В соответствии с п е р в ы м методом излучатели (они же являют-
ся и приемниками) УЗК располагаются диаметрально противопо-
ложно с внешней стороны трубопровода таким образом, чтобы их
плоскости были расположены под некоторым углом 9 к оси трубы
(рис. 6.9, а). УЗК под углом а = 90° - 9 к оси трубопровода проходят
в измеряемом веществе путь длиной L. Если W— скорость движения
вещества, с — скорость распространения УЗК в неподвижном из-
меряемом веществе, то значения времени прохождения УЗК указан-
ного пути по направлению движения потока t, и против него t2 будут
равны соответственно
Таким образом, разность At зависит от скорости движения веще-
ства, следовательно, от объемного расхода. Она может быть измерена
одним из трех способов: 1) время-импульсным, основанным на из-
мерении собственно ∆t; 2) фазовым, при котором измеряется разность
фазовых сдвигов УЗК, направленных по потоку и против него; 3) ча-
стотным, при котором измеряется разность частот повторения корот-
ких импульсов или пакетов УЗК, направленных по потоку и против
него. Последний метод получил наибольшее распространение.
В соответствии со в т о р ы м методом измерения расхода вещества
с помощью ультразвука УЗК излучает лишь один пьезоэлемент, а вос-
принимаются они одним или двумя пьезоэлементами (рис. 6.9, б). Угол
отклонения УЗК от перпендикулярного направления р определяется
уравнением
где x: — линейное отклонение луча на приемном пьезоэлементе; D —
диаметр трубы.
Следовательно,
т.е. линейное отклонение пропорционально скорости, или объемно-
му расходу.
Величина линейного отклонения определяется по выходному сиг-
налу усилителя, на который поступает сигнал с приемного пьезоэле-
мента. При одном приемном пьезоэлементе количество акустической
энергии, поступающей на него, будет уменьшаться с ростом скорости,
и выходной сигнал усилителя будет падать. Поэтому используется
схема с двумя приемными пьезоэлементами, расположенными сим-
метрично относительно излучателя, так как в этом случае выходной
сигнал дифференциального усилителя возрастает с ростом скорости
потока.
Третий метод измерения расхода вещества с помощью ультра-
звука основывается на зависимости от расхода доплеровской разно-
сти частот, возникающей при отражении УЗК от неоднородностей
потока. В соответствии с этим методом излучатель и приемник УЗК
размещают на одной стороне трубопровода (рис. 6.9, в). Доплеровская
разность ∆ƒ исходной ƒ1 и отраженной ƒ2 частот УЗК определяется
выражением
т. е. доплеровская разность частот пропорциональна скорости, или
объемному расходу.
Сигнал с приемного пьезоэлемента поступает на фильтр-выпря-
митель, далее на усилитель и, наконец, на измеритель доплеровского
сдвига частот.
Достоинством ультразвуковых расходомеров является возможность
установки прибора на трубопроводах диаметром от 10 мм и более, а
также измерение расхода любых жидких сред, в том числе неэлектро-
проводных. Недостатки: необходимость индивидуальной градуиров-
ки; зависимость от профиля скоростей, который меняется с измене-
нием расхода; влияние на показания изменений физико-химических
свойств вещества и его температуры, от которых зависит скорость
ультразвука.
6.9. Расходомеры Кориолиса
Принцип действия кориолисовых расходомеров основан на обе-
спечении условий возникновения в трубопроводах с потоком жид-
кости силы Кориолиса, которая пропорциональна массовому рас-
ходу жидкости, с последующим преобразованием этой силы в дефор-
мацию, временной интервал или разность фаз двух сигналов.
Сила Кориолиса действует на тела, которые участвуют одновре-
менно в двух движениях: вращательное движение и прямолинейное
движение, в частности по радиусу вращательного движения. Направ-
ление силы Кориолиса зависит от направления прямолинейного
движения: если оно направлено по радиусу от центра вращательного
движения, сила Кориолиса направлена против направления враще-
ния, а если прямолинейное движение направлено к центру, эта сила
направлена по направлению вращательного движения. Сила Корио-
лиса лежит в плоскости вращательного движения и перпендикулярна
к скорости прямолинейного движения.
Как же создают условия возникновения силы Кориолиса при из-
мерении расхода? Прямолинейное движение — это движение жидкости
по трубопроводу. Вращать трубопровод с потоком жидкости нереально,
поэтому на практике реализуют так называемые «малые вращения» —
колебания (вибрации) определенной части трубопровода относительно
жестко закрепленной другой части. Таким образом, оба условия воз-
никновения силы Кориолиса оказываются выполненными. Вибрирую-
щую часть трубопровода обычно выполняют в виде U-образной трубки,
концы которой жестко закреплены (рис. 6.10, а). Поток жидкости вте-
кает в точке крепления во входную трубку, а после изгиба трубки вы-
текает по выходной трубке также в точке крепления.
Рассмотрим, как направлены силы Кориолиса, действующие на
входную и выходную трубки при «малых вращениях» (вибрациях) за-
кругленной части U-образной трубки относительно точек крепления.
Пусть закругленная часть U-образной трубки движется вверх
(рис. 6.10, б). Во входной трубке жидкость движется от центра «малых
вращений», следовательно, сила Кориолиса направлена против направ-
ления вращения, т. е. вниз. Поток жидкости через выходную трубку
направлен к центру «малых вращений», поэтому сила Кориолиса на-
правлена по направлению вращения, т.е. вверх. При движении закру-
гленной части вниз силы Кориолиса направлены в противоположные
стороны.
Таким образом, во входной половине трубки сила Кориолиса пре-
пятствует смещению трубки, а в выходной половине — способствует.
Это приводит к отставанию колебаний входной трубки от выходной
во времени (по фазе). Запаздывание во времени (по фазе) колебаний
входной и выходной трубок прямо пропоционально силе Кориолиса,
следовательно, массовому расходу. В существующих расходомерах,
как правило, измеряют не время запаздывания, а пропорциональную
ему разность колебаний входной и выходной трубок. Для этого при-
меняются два индуктивных датчика положения, преобразующие
механические колебания входной и выходной трубок в электрические
колебания с последующим определением их разности фаз.
Помимо расходомеров с изогнутыми трубками выпускаются рас-
ходомеры с прямыми трубками, которые работают по тому же прин-
ципу. В первой половине расходомера жидкость разгоняется под воз-
действием собственной инерции, а затем снижает скорость в его
второй половине. Инерция жидкости создает силу Кориолиса, которая
незначительно искривляет измерительную трубку. Степень искривле-
ния пропорциональна массовому расходу. Для определения степени
искривления также используются датчики положения. Кориолисовые
расходомеры используются для измерения расхода жидкостей и газов
на трубопроводах диаметром, как правило, до 60 мм. Они могут при-
меняться для измерения расхода жидкостей с изменяющейся плотно-
стью, как электропроводных, так и неэлектропроводных.
6.10. Вихревые расходомеры
Принцип действия вихревых расходомеров основан на зависимо-
сти от расхода частоты колебаний давления, возникающих в потоке
в процессе вихреобразования или колебания струи. Существует не-
сколько разновидностей вихревых расходомеров, наиболее распро-
страненными из которых являются расходомеры, имеющие в первич-
ном преобразователе неподвижное тело, при обтекании которого с
обеих его сторон попеременно возникают срывающиеся вихри, соз-
дающие пульсации давления (рис. 6.11, а).
В этом расходомере вихри образуются по причине того, что непо-
средственно за телом, находящимся в потоке, давление потока умень-
шается, и пограничный слой, обтекающий тело, отрываясь от него,
изменяет направление своего движения. Этот процесс происходит с
обеих сторон тела. Но так как развитие вихря с одной стороны пре-
пятствует такому же развитию с другой стороны, то образование
вихрей с двух сторон тела происходит поочередно. При этом за телом
образуется так называемая вихревая дорожка Кармана. Частота сры-
ва вихрей пропорциональна объемному расходу вещества.
Для тела цилиндрической формы, помещенного в потоке, связь
частоты срыва вихрей ƒ и объемного расхода Q устанавливается вы-
ражением
где S — площадь наименьшего поперечного сечения потока вокруг ци-
линдра; d — диаметр цилиндра; Sh — число Струхаля, характеризующее
периодические процессы, связанные с движением жидкости или газа.
Число Струхаля постоянно в определенном диапазоне измерений
расхода.
Однако преимущественное применение в вихревых расходомерах
нашли тела необтекаемой формы, в основном призмы с прямо-
угольным, треугольным или трапецеидальным основанием, причем
основания треугольников и призм обращены навстречу потоку
(рис. 6.11, б). Такие тела образуют сильные и регулярные вихревые
колебания, хотя и создают большую потерю давления. При необхо-
димости усиления выходного сигнала иногда применяют два тела
обтекания, расположенные на некотором расстоянии друг от друга.
Преобразование вихревых колебаний, представляющих собой
пульсации давления и скорости потока, в выходной сигнал осуществ-
ляется с помощью преобразователей давления (например, пьезо-
элементов или тензорезисторов), ультразвуковых преобразователей
скорости и т.п., которые размещаются в обводной трубке, находя-
щейся снаружи трубопровода, или в сквозном отверстии тела обте-
кания, просверленного перпендикулярно потоку (рис. 6.11, в).
Работу вихревого расходомера могут нарушать акустические и
вибрационные помехи, создаваемые насосами, компрессорами, ви-
брирующими трубами и т.п. Влияние частоты вредных вибраций
устраняется с помощью электрических фильтров. К достоинствам
вихревых расходомеров относятся отсутствие подвижных частей, не-
зависимость показаний от давления и температуры и высокая точ-
ность, а к недостаткам — значительная потеря давления, непригод-
ность применения при малых скоростях потока и возможность при-