Измерение расхода газов и жидкостей

Расход вещества определяется его количеством, проходящим в единицу времени через данное сечение канала (например, трубопровода). Различают массовый расход QM и объемный расход, обозначаемый через Q0 (или Qv).

Массовый расход определяют как массу вещества, проходящего через поперечное сечение потока в единицу времени. В системе СИ единицей массового расхода является килограмм в секунду (кг/с), равный массовому расходу, при котором через определенное сечение за время 1 с равномерно перемещается вещество массой 1 кг.

Объемный расход определяют как объемное количество вещества в м3, проходящее через сечение потока в единицу времени. В системе СИ единицей объемного расхода является кубический метр в секунду (м3/с), равный объемному расходу, при котором через определенное сечение за время 1 с равномерно перемещается вещество объемом 1 м3. Внесистемными единицами, широко распространенными на практике, для массового расхода служат килограмм в час (кг/ч) и тонна в час (т/ч), а для объемного — кубический метр в минуту (м3/мин), кубический метр в час (м3/ч), литр в секунду (л/с), литр в минуту (л/мин) и литр в час (л/ч).

Соотношения между единицами расхода следующие:

массовый — 1 кг/с = 3,60 • 103 кг/ч = 3,60 т/ч;

объемный — 1 м3/с = 60 м3/мин = 3,60 • 103 м3/ч = 103 л/с = = 3,60 • 103 л/ч.

Для получения сравнимых результатов измерений объемный расход газа приводят к нормальным условиям, которыми при промышленных измерениях считаются: температура Гном = 293,15 К (или /ном = 20 °С); давление/>ном = 101 325 Па (1,0332 кгс/см2); относительная влажность <р = 0.

Объемный расход газа, приведенный к нормальному состоянию, обозначают через 0НОМ и выражают в м3/ч. Недопустимо выражать расход вещества в кг/с, Н/с, дин/с (т.е. единицах силы в единицу времени), в нм3/ч (т.е. в так называемых нормальных кубических метрах в единицу времени). Указание на вид измеряемой величины — объемный расход газа при нормальных условиях — должно входить в наименование этой величины (например, Оном)’ а не в обозначение единицы величины. Для перевода массового расхода в объемный и объемного в массовый используют выражения

где р — плотность вещества, кг/м3.

Устройство для измерения количества вещества, протекающего через сечение трубопровода за некоторый промежуток времени (смену, сутки и т.д), называют счетчиком количества. При этом количество вещества определяется как разность двух показаний счетчика — в начале и в конце этого промежутка. Показания счетчика выражаются в единицах объема, а иногда — в единицах массы.

Устройство для измерения расхода, т. е. количества вещества, протекающего через данное сечение трубопровода в единицу времени — час (ч), называют расходомером, а для измерения расхода и количества вещества одновременно — расходомером со счетчиком. Счетчики (интегрирующие устройства) могут быть встроены практически во все приборы, измеряющие расход.

Для измерения расхода и количества жидкостей и воздуха применяют расходомеры, которые можно разделить на следующие группы: переменного перепада давления в сужающем устройстве; постоянного перепада давления (обтекания); электромагнитные и переменного уровня. При напорном движении измеряемой среды, когда поток со всех сторон ограничен жесткими стенками, применяют первые две группы расходомеров.

Работа расходомеров переменного перепада давления основана на зависимости перепада давления, создаваемого установленным в трубопроводе неподвижным сужающим устройством, от расхода вещества. Принцип измерения по методу переменного перепада давления основан на известном в физике принципе неразрывности установившегося движения жидкости и уравнении Бернулли для жидкости:

где [(р/у) + z] — удельная потенциальная энергия (давление) жидкости; v2/2g — удельная кинетическая (скоростная) энергия.

Согласно принципу неразрывности поток протекающего в трубопроводе вещества во всех сечениях одинаков, следовательно, в один и тот же момент протекают одинаковые количества этого вещества. Если на каком-то участке сечение сужается, то в этом месте скорость потока должна возрасти.

Согласно уравнению Бернулли устанавливается постоянство суммы удельных кинетической (скорость) и потенциальной (давление) энергии в любом сечении потока. Следовательно, увеличение скорости вызывает уменьшение статического давления. Сужающее устройство выполняет функции первичного преобразователя и создает в трубопроводе местное сужение, вследствие чего при протекании через него вещества скорость в суженном сечении v2 повышается по сравнению со скоростью потока до сужения у,. Увеличение скорости, а следовательно и кинетической энергии, вызывает уменьшение потенциальной энергии потока в суженном сечении. Соответственно, статическое давление в суженном сечении будет меньше, чем в сечении до сужающего устройства.

Таким образом, при протекании вещества через сужающее устройство создается перепад давления Ар = р] - р2 (рис. 14, а), зависящий от скорости потока и, значит, расхода среды. Следова-

Характер потока и распределения статического давления при установке в трубопроводах диафрагмы (а), сопла (б) и сопла Вентури (

Рис. 14. Характер потока и распределения статического давления при установке в трубопроводах диафрагмы (а), сопла (б) и сопла Вентури (

тельно, перепад давления, создаваемый сужающим устройством, может служить мерой расхода вещества, а численное значение этого расхода может быть определено по перепаду давления Ар, измеренному дифманометром. В качестве сужающих устройств для измерения расхода жидкостей, газов и пара применяют стандартные и нестандартные устройства.

К стандартным (нормализованным сужающим устройствам) относятся диафрагмы, сопла, сопла и трубы Вентури, удовлетворяющие требованиям «Правил измерения расходов газов и жидкостей стандартными сужающими устройствами РД 50-213—80» и применяющиеся для измерения расхода веществ без их индивидуальной градуировки. К нестандартным сужающим устройствам относятся сегментные диафрагмы, диафрагмы с коническим входом, сопла с профилем «четверть круга» и другие, применяемые в особых случаях (например, для загрязненных сточных вод и их осадков) и требующие индивидуальной градуировки, так как на их использование нет утвержденных норм.

Диафрагма (рис. 14, а) представляет собой тонкий плоский диск 1 с круглым отверстием, центр которого лежит на оси трубы. Отверстие имеет цилиндрическую и конусную части. Диафрагма всегда устанавливается цилиндрической частью (острой кромкой) против потока измеряемой среды. Сужение потока начинается до диафрагмы, и на некотором расстоянии за ней поток достигает минимального сечения. Затем поток постепенно расширяется до полного сечения трубопровода. Кривая, характеризующая распределение давлений вдоль стенки трубопровода, представлена сплошной линией (рис. 14, а), а кривая распределения давлений по оси трубопровода — штрихпунктир- ной линией. Как видно, давление за диафрагмой полностью не восстанавливается.

При протекании вещества через диафрагму за ней в углах образуется «мертвая зона», в которой вследствие разности давлений возникает обратное движение жидкости, называемое вторичным потоком. Двигаясь в противоположных направлениях, струйки основного и вторичного потоков вследствие вязкости среды свертываются в виде вихрей. На вихреобразование за диафрагмой затрачивается значительная часть энергии, а следовательно, имеет место и значительная потеря давления. Измерение направления струек перед диафрагмой и сжатие струи после нее на величину давления оказывают незначительное влияние. Отбор давлений /?, и р2 производится через расположенные непосредственно до и после диска диафрагмы два отдельных отверстия 2 (или специальные камеры), к которым подключают импульсные соединительные линии, идущие к измерительному прибору.

Сопло (рис. 14, б) представляет собой насадку с круглым концентрическим отверстием, имеющим плавно сужающуюся часть на входе и развитую цилиндрическую часть на выходе. Профиль сопла обеспечивает достаточно полное сжатие струи, поэтому площадь (сечение) цилиндрической части сопла может быть принята равной наименьшему сечению струи (F0 = F2). Вихреобразо- вание за соплом вызывает меньшую потерю энергии, чем у диафрагмы. Отбор давлений рх и р2 осуществляется так же, как и у диафрагмы.

Сопло Вентури (рис. 14, в) конструктивно состоит из цилиндрического входного участка, плавно сужающейся части, переходящей в короткий цилиндрический участок, и из расширяющейся конической части — диффузора. При такой форме сужающего устройства в основном благодаря наличию выходного диффузора потеря давления значительно меньше, чем у диафрагмы и сопла. Отбор давлений рх и р2 осуществляется с помощью двух кольцевых камер, каждая из которых соединена с внутренней полостью сопла Вентури группой равномерно расположенных по окружности отверстий. Труба Вентури отличается от сопла Вентури тем, что входной цилиндрический участок переходит во входной конус, затем идут короткий участок (горловина) и диффузор.

Принцип измерения расхода вещества по перепаду давления, создаваемому сужающим устройством, и основные уравнения одинаковы для всех типов сужающих устройств, различны лишь некоторые коэффициенты в этих уравнениях, определяемые экспериментальным путем. В общем виде массовый (кг/с) и объемный (м3/ч) расходы газов и жидкостей вычисляют по формулам:

где Ар=рх2 перепад давления в сужающем устройстве, Па; d — диаметр отверстия сужающего устройства при температуре измеряемой среды, мм; р — плотность среды в рабочих условиях, кг/м3; а — коэффициент расхода, определяемый в зависимости от типа сужающего устройства (величина безразмерная); ? — безразмерный поправочный множитель на расширение измеряемой среды, определяемый экспериментально (для несжимаемой жидкости 8=1).

Для контроля за расходом жидкостей в открытых каналах по методу переменного уровня применяется нормализованный лоток Вентури (рис. 15), в котором расход, как и в других случаях, измеряется дифманометрами.

В расходомерах постоянного перепада давления, называемых расходомерами обтекания, чувствительным элементом (рис. 16) является поплавок /, воспринимающий динамическое давление обтекающего его потока. Принцип действия таких расходомеров заключается в том, что при движении измеряемой среды снизу вверх чувствительный элемент (поплавок) перемещается, изме-

Схемы измерения расхода жидкости в лотке Вентури

Рис. 15. Схемы измерения расхода жидкости в лотке Вентури:

а — с пневматическим контролем уровня; б — с гидравлическим контролем уровня;

  • 7 — лоток; 2 — измерительная камера; 3 — приборное помещение; 4 — дифманометр; 5 — пьезотрубка; 6 — отстойник;
  • 7 — уравнительный сосуд няя площадь проходного отверстия, до тех пор, пока вертикальная составляющая силы, действующей на поплавок, не уравновесится его весом. При этом разность давлений на чувствительный элемент (перепад давления по обе стороны поплавка) останется постоянной. Таким образом, противодействующей силой в расходомерах этого вида является сила тяжести чувствительного элемента, выполняемого в виде поплавка. Сила любого сопротивления чувствительного элемента определяется зависимостью

где ? — коэффициент лобового сопротивления; S — площадь гидродинамического сечения чувствительного элемента; v — скорость движения среды относительно чувствительного элемента; р — плотность измеряемой среды.

Расходомер постоянного перепада давления (ротаметр)

Рис. 16. Расходомер постоянного перепада давления (ротаметр)

Расходомер постоянного перепада давления с поплавком 1 (см. рис. 16), перемещающимся вдоль длинной конической трубки 2, называется ротаметром. Трубка ротаметров для местного измерения расхода выполняется из стекла или металла, а значение расхода отсчитывается непосредственно по шкале, нанесенной на ее стенке (соответственно ротаметры стеклянные типа PC и металлические типа РМ). У ротаметров с дистанционной передачей поплавок связан с передающим преобразователем (пневматическим или электрическим). Например, в электрических ротаметрах типа РЭ и РЭВ широко используются дифференциальнотрансформаторные преобразователи.

Для измерения расхода загрязненных жидкостей (в частности, природных и сточных вод) применяются электромагнитные и щелевые расходомеры. Принцип действия электромагнитных расходомеров основан на законе электромагнитной индукции, по которому проведенная в проводнике электродвижущая сила (ЭДС) пропорциональна скорости его движения в магнитном поле. Таким движущимся в магнитном поле проводником является электропроводная жидкость, протекающая через первичный электромагнитный преобразователь расхода, установленный в трубопроводе. Измеряя ЭДС, наведенную в электропроводной жидкости, которая при своем движении пересекает магнитное поле первичного преобразователя, можно определить среднюю скорость текущей жидкости, а вместе с ней и объемный расход. При круглом сечении трубопровода величина этой ЭДС равна

где v — средняя скорость потока жидкости; В — индукция магнитного поля; d — внутренний диаметр трубопровода.

Магнитное поле электромагнитного расходомера типа ИР (рис. 17, а) внутри участка трубы 7, выполненной из немагнитного материала и покрытой изнутри электроизоляционным слоем, создается электромагнитом 2. В пересекающей магнитное поле жидкости наводится ЭДС. В одном поперечном сечении трубопровода диаметрально противоположно установлены два электрода 3. Снимаемая с них разность потенциалов подается на вход промежуточного преобразователя Пр, где преобразуется в выходной сигнал, пропорциональный расходу. Электромагнитные расходомеры могут применяться на жидкостях с удельной электрической проводимостью не менее 1(Г3 см/м. Отсутствие в измерительном канале каких-либо сужающих устройств и движущихся деталей позволяет измерять расходы как однородных жидкостей, так и суспензий и пульп, твердая фаза которых не содержит ферромагнитных частиц.

Принцип действия щелевых расходомеров переменного уровня со сливом типа ЩРП (рис. 17, б) основан на зависимости уровня жидкости над сливной стенкой 5 от ее объемного расхода Qq. Для прямоугольного слива с тонкой стенкой справедливо соотношение

Расходомеры жидкостей и пульп

Рис. 17. Расходомеры жидкостей и пульп:

а — электромагнитный; б — переменного уровня (щелевой)

где а — коэффициент расхода, учитывающий потерю напора и эффект бокового сжатия струи; b — ширина сливной стенки; g — ускорение силы тяжести; h — уровень жидкости над сливной стенкой.

Расходомер состоит из расходомерной емкости 6 и уровнемера Пр, являющегося измерительным преобразователем расхода. К расходомерной емкости 6 суспензия подводится по патрубку 4, а отводится в сливную коробку 7 через отверстие 8. Для измерения высоты суспензии h используются поплавковые, пьезометрические и электроконтактные уровнемеры.

Для измерения количества вещества в СВВ применяют тахо- метрические счетчики количества, состоящие из тахометрического преобразователя расхода и счетного суммирующего механизма.

Тахометрическим преобразователем расхода называют первичный преобразователь, в котором скорость движения чувствительного элемента, взаимодействующего с потоком вещества, пропорциональна объемному расходу. По принципу действия тахо- метрические счетчики разделяют на скоростные и объемные.

В скоростных счетчиках (типа УВК, ВК, МС) в качестве рабочего элемента применяют вертушки (крыльчатки, турбинки или другие тела) с вертикальной (рис. 18) или горизонтальной осью вращения. Под действием потока вещества вертушка 4 на опорном шипе совершает непрерывное вращательное движение с угловой скоростью, пропорциональной скорости потока, а следовательно, и расходу. Число оборотов вращающегося элемента суммируется счетным механизмом 7, с которым вертушка соединяется с помощью передаточного механизма (редуктора) 5. Редуктор и счетный механизм соединены между собой осью с сальниковым уплотнением 6. Счетный механизм отделен от проточной части прибора герметичной перегородкой, в которой установлен сальник передаточной оси 8. На входном патрубке счетчика устанавливаются металлическая сетка 7, предохраняющая прибор от попадания в него посторонних тел, и струевыпрямитель 2.

В объемных счетчиках вещество измеряется отдельными равными по объему дозами. В поршневом счетчике (рис. 19, а) жидкость из трубы 7 через распределительный четырехходовой клапан 2 поступает под поршень 3 и поднимает его. Поршень, перемещаясь вверх, вытесняет жидкость, находящуюся в верхней полости цилиндра, через распределительный клапан в трубу 4. Когда поршень достигнет верхнего крайнего положения, четырех-

Схема устройства скоростного счетчика количества жидкости с вертикальной осью вращения вертушки

Рис. 18. Схема устройства скоростного счетчика количества жидкости с вертикальной осью вращения вертушки

Схема объемных счетчиков ходовой кран, связанный специальным механизмом 5 со штоком поршня, перемещается в положение, показанное на рис

Рис. 19. Схема объемных счетчиков ходовой кран, связанный специальным механизмом 5 со штоком поршня, перемещается в положение, показанное на рис. 19, б пунктиром. Вследствие этого жидкость из трубы 1 будет поступать в верхнюю полость цилиндра, поршень начинает перемещаться вниз и из нижней полости жидкость вытесняется через четырехходовой кран и трубу 4. С момента достижения поршнем крайнего положения цикл повторяется.

Число доз за определенный промежуток времени суммируется счетным механизмом, связанным со штоком поршня с помощью передаточного механизма, а количество жидкости, равное сумме объемов протекших доз, показывается счетным указателем (на рис. 19 счетный механизм и указатель не показаны). В СВВ применяются счетчики типа СМ для измерения объемного количества жидкостей. Для измерения объемного расхода и учета объемного количества газа используются счетчики типа «Тургас», состоящие из турбинного преобразователя (датчика) объемного расхода ПРГ и электронного блока измерения.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >