3.2. Средства для измерения скоростей и расходов жидкостей и газов

Расходом называется объем или масса вещества, проходящего через сече-ние трубопровода в единицу времени.

Выделяют объемный (подача) и массовый расходы жидкости или газа. Объемный V и массовый G расходы жидкости или газа могут быть выражены в единицах м³/с, м³/ч, л/ч и кг/с, кг/ч, т/ч соответственно. Для получения сопоставимых результатов объемный расход должен быть приведен к нормальным условиям (t_H = 0°С, р_Н = 760 мм рт, ст. =101325 Па). В этом случае объемный расход обозначается через Т₁ . В качестве измерителей расхода в настоящее время используются различные напорные трубки, суживающие устройства, ротаметры, а также различного типа счетчики и электромагнитные расходомеры. Напорные трубки используются также для измерения скоростей жидкостей и газов. Принцип действия напорных трубок основан на равенстве разности полного и статического давлений кинетической энергии потока, в соответствии с уравнением Бернулли:

, (3.8)

получается, что

, (3.9)

где – скорость потока, м/с;– плотность жидкости, кг/м³; ,,– полное, статическое и динамическое давление, Па, соответственно.

Рисунок 3.14 – Схема измерения динамического давления (динамического напора) в канале: 1 – трубка полного давления; 2 – трубка статического давления; 3 – соединительные шланги; 4 – дифференциальный микроманометр; 5 – эпюра изменения скорости по сечению канала (,– осевая и средняя скорости, соответственно)

Рисунок 3.14 иллюстрирует измерение динамического давления в канале. Полное давление измеряется с помощью напорной трубки 1 (рисунок 3.14), а статическое давление посредством отбора через отверстие в стенке канала, расположенного в плоскости измеряемого сечения, трубкой 2.

Динамический напор может быть измерен дифференциальным манометром, микроманометром, измерительным комплексом Testo.

Для определения расхода необходимо знать среднюю скорость газа по сечению канала. Сначала определяется осевая скорость по формуле (3.9), которая справедлива для относительно небольших скоростей (,– число Маха, представляющее собой отношение скорости течения в данной точке газового потока к местнойскорости распространения звука в движущейся среде). Далее рассчитывается число Рейнольдса по формуле:

(3.10)

где – осевая скорость, м/с;– диаметр круглого канала, м;– кинематический коэффициент вязкости газа, м²/с.

По по зависимости скоростного коэффициентаm (см. приложение 4) от числа определяется средняя скорость газа в канале.

Технические устройства, предназначенные для измерения массового или объемного расхода, называют расходомерами. При этом в зависимости от того, для измерения какого (объемного или массового) расхода предназначены расходомеры, их подразделяют на объемные и массовые.

По принципу измерений расходомеры классифицируют по следующим основным группам (указываемый для каждой классификационной группы расходомеров принцип преобразования относится к их первич­ным преобразователям – датчикам):

1. Расходомеры переменного перепада давления (с сужающими устройствами; с гидравлическими сопротивлениями; центробежные; с напорными устройствами; струйные), преобразующие скоростной напор в перепад давления.

2. Расходомеры обтекания (расходомеры постоянного перепада – ротаметры, поплавковые, поршневые, гидродинамические), преобразующиескоростной напор в перемещение обтекаемого тела.

3. Тахометрические расходомеры (турбинные с аксиальной или тангенциальной турбиной; шариковые), преобразующие скорость потока в угловую скорость вращения обтекаемого элемента (лопастей турбинки или шарика).

4. Электромагнитные расходомеры, преобразующие скорость движущейся в магнитном поле проводящей жидкости в ЭДС.

5. Ультразвуковые расходомеры, основанные на эффекте увлечения звуковых колебаний движущейся средой.

6. Инерционные расходомеры (турбосиловые; кориолисовы; гигроскопический), принцип действия которых, основан на инерционном воздействии массы движущейся с линейным или угловым ускорением жидкости.

7. Тепловые расходомеры (калориметрические; термоанемометрические), основанные на эффекте переноса тепла движущейся средой от нагретого тела.

8. Оптические расходомеры, основанные на эффекте увлечения света движущейся средой (Физо-Френели) или рассеяния света движущимися частицами (Допплера).

9. Меточные расходомеры (с тепловыми, ионизационными, магнитными, концентрационными, турбулентными метками), основанные на измерении скорости или состоянии метки при прохождении ее между двумя фиксированными сечениями потока.

Приведенная выше классификация, не является полной или исчерпывающей, так как с развитием науки и техники открываются новые методы и средства измерений расхода.

Принцип действия расходомера переменного перепада давления иллюстрируется рисунке. 3.15.

Рисунок 3.15 – Расположение диафрагмы в трубе, вид в разрезе: 1 – кольцевые камеры, 2 – диафрагма, 3 – отдельные отверстия для отбора давления, 4 – выводы импульсных трубок

При протекании жидкого или газообразного вещества через сужающее устройство (диафрагму 2, см. рисунок 3.15) вследствие перехода части потенциальной энергии давления в кинетическую энергию средняя скорость потока в суженном сечении повышается. В результате этого статическое давление потока после сужающего устройства (диафрагмы 2) становится меньше, чем перед ним. Разность этих давлений (перепад давления), измеряемая манометром, соединенным с отборами 3, зависит от расхода протекающего вещества и может служить мерой расхода. Рассматриваемый метод измерения расхода применим при соблюдении следующих условий измерения:

а) измеряемое вещество заполняет все поперечное сечение трубопровода;

б) поток вещества является практически установившимся, т. е. скорость потока и давление в одном и том же месте могут лишь медленно изменяться во времени;

в) фазовое состояние вещества не должно меняться при протекании вещества через сужающее устройство, т. е. жидкость не испаряется, пар остается перегретым, растворенные в жидкости газы не выделяются.

Настоящий метод применим для измерения расхода коллоидальных растворов, когда по степени дисперсности и физическим свойствам эти растворы лишь незначительно отличаются от жидкости, находящейся в одной фазе.

В настоящее время для измерения расхода газов и жидкостей широкое распространение получили ультразвуковые портативные расходомеры (рисунок 3.17).

Рисунок 3.17 – Общий вид портативного ультразвукового расходомера PortaFlow220 А: 1 – комплект для переноса прибора; 2 – прибор PortaFlow220 А; 3 – трубопровод; 4 – датчики прибора

Характеристики прибора PortaFlow220 А:

• используется для трубопроводов с наружным диаметром от 13 до 115 мм;

• диапазон измерения расхода: от 0,1 до 20 м/сек в обоих направлениях;

• имеет графический дисплей 64 x 240 пикселей;

• прибор программируется посредством панели управления из 16 клавиш;

• работает от встроенной аккумуляторной батареи или от сети

• время работы от батареи: до 20 часов, в зависимости от нагрузки

• источник питания: блок питания, работающий от сети переменного тока 110 – 240 (+/-10%) в

• погрешность измерения при внутреннем диаметре трубы > 75 мм: ±0,5…±2% от измеренного расхода при скорости потока >0,2 м/сек

• погрешность при внутреннем диаметре трубы 13-75 мм: ±3% от измеренного расхода при скорости потока >0,2 м/сек

Подводя итог обзора средств и методов измерений следует отметить, что пользователь выбирает то средство или метод, который обеспечивает заданную точность измерений с минимальными капитальными затратами при условии достаточной простоты эксплуатации.