6.3.2. Объемные методы измерения расхода

Объемные методы измерения расхода предусматривают последовательное суммирование порций контролируемой среды, образующихся при прохождении через измерительные камеры определенного объема или при вытеснении из камер, или при непрерывном вращении лопастей счетчика, помещенных в измеряемый поток. Объемные счетчики расхода делятся на счетчики непосредственного действия и бескамерные.

В объемных счетчиках непосредственного действия последовательно отмеряется порция контролируемого вещества и с помощью счетного механизма подсчитывается прошедшее через счетчик число порций.

В бескамерных счетчиках объем определяется различными косвенными методами, например, путем измерения скорости потока. Погрешность измерения у лучших моделей счетчиков составляет менее 1 %. В качестве примера подобных счетчиков рассмотрим счетчики с овальными шестернями и роторные.

С

Рис. 6.12. Принцип действия счетчика с овальными

шестернями

четчики с овальными шестернями (рис. 6.12), предназначенные для измерения расхода жидкостей, состоят из измерительной камеры, в которой находятся две сцепленные между собой овальные шестерни, обкатывающие друг друга под действием поступающего в камеру потока жидкости.

За каждый оборот шестерен через камеру будет проходить определенный объем жидкости, а по числу оборотов определяют суммарный объемный расход. Счетчики с овальными шестернями – быстродействующие, при небольших конструктивных размерах они позволяют измерять значительные объемные расходы и легко могут быть использованы для дистанционной передачи информации к системам контроля или регулирования расхода, поскольку расход пропорционален количеству оборотов шестерен или связанномус ним количеству импульсов.

Недостатком рассмотренных расходомеров является наличие утечек через зазоры между шестернями, поэтому их нельзя применять для измерения малых расходов. Роторные счетчики (рис. 6.13) по принципу действия аналогичны рассмотренным, но применяются для измерения расхода газов.

Р

Рис 6.13. Принцип действия роторного счетчика

оторные счетчики состоят из камеры и двух роторов лемнискатной (гантелеобразной) формы. Зазор между поверхностями роторов составляет 0,05 – 0,1 мм. Роторные счетчики обеспечивают погрешность измерения расхода газов менее 1 %. Применяются при измерении расхода при низком давлении и малом расходе. Чаще всего используют для учета расхода дорогостоящих газов.

В рассмотренных выше счетчиках (объемных непосредственного действия) каждому повороту чувствительного элемента соответствовал точно ограниченный объем контролируемой среды. В турбинных счетчиках, обеспечивающих косвенное определение расхода, в качестве чувствительного элемента применена турбинка с лопастями, вращаемыми контролируемым потоком (рис. 6.14).

Рис. 6.14. Схема турбинного счетчика

В качестве вторичного преобразователя можно применять частотомер, проградуировав его непосредственно в единицах расхода. Кроме того, число оборотов турбинки JV пропорционально объему V протекающей жидкости: N ~ V, т. е. можно определить количество вещества, прошедшее через счетчик, простым подсчетом числа оборотов турбинки. В качестве счетчика оборотов применяются как механические, так и бесконтактные с электронным преобразованием сигнала. Погрешность турбинных расходомеров обычно имеет порядок 0,3 – 1,5 %, хотя отдельные приборы имеют погрешность 0,1 %. Применяются турбинные расходомеры для измерения расхода чистых жидкостей, поскольку наличие твердых примесей увеличивает погрешность прибора, они пригодны для измерения расхода переменных и пульсирующих потоков.

Принцип действия индукционного расходомера основан на том, что в потоке электропроводной жидкости (рис. 6.15), движущейся в трубопроводе 1 из немагнитного материала, между полюсами 2 и 3 электромагнита, питаемого переменным током, возникает ЭДС, величина которой пропорциональна скорости потока. Эта ЭДС снимается с помощью электродов 4 и 5, изолированных от трубопровода. Индукционные расходомеры применяют как в трубопроводах, так и в открытых руслах. Диаметр трубопровода может быть от нескольких миллиметров до двух метров.

УС

Рис. 6.15. Принцип действия индукционного расходомера

Индукционные расходомеры практически безынерционны и позволяют измерять расходы переменных потоков. Они измеряют расходы вязких, агрессивных и сильно загрязненных жидкостей, а также расплавленных металлов. Принцип действия индукционных (электромагнитных) расходомеров [8] основан на законе электромагнитной индукции, который устанавливает, что при движении проводника в магнитном поле в этом проводнике возникает электродвижущая сила (ЭДС). Закон электромагнитной индукции может быть записан в виде:

(6.2)

где Е – величина ЭДС индукции; D – диаметр трубы; В – величина магнитной индукции; V – скорость потока жидкости.

Понятно, что применение электромагнитных расходомеров возможно только для электропроводящих жидкостей. В силу этого их использование, например, в нефтеперерабатывающем комплексе весьма ограничено, так как практически все продукты нефтепереработки неэлектропроводны.

Электромагнитные расходомеры удобны для измерения расхода воды, водных растворов и других электропроводящих жидкостей. Естественно, что применение таких расходомеров для измерения расхода различных газов невозможно.

Для измерения расхода жидкости в напорных трубопрово­дах в настоящее время очень часто используют бесконтактные ультразвуковые врезные расходомеры. Однако все врезные расходомеры требуют остановки техпроцессов, перекрытия вентилей. Контактные методы приводят к падению давления, следовательно, приборы влияют на поток. В последние десять лет были созданы достаточно надежные и точные (погрешность – не более 2 – 5 %) бесконтактные расходомеры [7]. Эти приборы отличают простота установки, возможность переноса, экономия средств при монтаже и демонтаже.

Действие современных накладных расходомеров основано на трех различных методах измерения скорости потока: корреляционном, с использованием эффекта Доплера и времяимпульсном.

При корреляционном методе УЗ-колебания направлены перпендикулярно оси потока. На показания влияют различные скорости в различных слоях потока, что увеличивает погрешности, поэтому данный метод не получил широкого применения. Метод на основе эффекта Доплера заключается в изменении частоты сигнала, отраженного от движущегося объекта. Чем больше инородных включений в жидкой среде, тем точнее результат измерений.

Времяимпульсный метод основан на разности скоростей распространения УЗ-колебаний вдоль направления движения потока жидкости и навстречу ему. Данный метод получил наибольшее применение.