расходомеры постоянного перепада, электрические

РАСХОДОМЕРЫ ПОСТОЯННОГО ПЕРЕПАДА,
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ, ТАХОМЕТРИЧЕСКИЕ И УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ.
ТЕПЛОМЕРЫ
http://cityshot.by.ru/kiplit/kipia/rashod.htm
Рассмотренные в предыдущей лекции расходомеры переменного перепада
давления (с сужающими устройствами) находят наибольшее распространение в
промышленности. Однако из-за существующих ограничений на их применение
стандартные сужающие устройства могут быть использованы не всегда. В этих
случаях используются другие типы расходомеров, наиболее употребительные из
которых рассмотрены ниже.
Ротаметры
Ротаметры используются в промышленных и лабораторных условиях для
измерения небольших объемных расходов жидкостей (верхние пределы
измерения ротаметров по воде находятся в пределах от 0,04 до 16 м 3/ч) или
газов (верхние пределы
измерения ротаметров по воздуху находятся в пределах
от 0,063 до 40 м3/ч) в вертикальных трубопроводах диаметром 4—100 мм.
В простейшем виде ротаметр представляет собой вертикальную коническую
(расходящуюся вверх) стеклянную трубку 1 (рис. 13.1), внутри которой
располагается поплавок 2. Поплавки могут иметь различную форму. Одной из
форм является цилиндрическая с нижней конической частью и верхним бортиком
с вырезанными на нем косыми канавками. Контролируемая среда при протекании
через эти канавки обеспечивает вращение поплавка, при этом он центрируется по
оси трубки и устраняется его трение о стенки.
Между бортиком поплавка и стенкой трубки образуется кольцевой зазор fк, при
прохождении через который жидкость сужается и, таким образом, возникает ра а
зность между давлением р 1 в сечении АА до начала сужения и давлением р2 в
самом узком сечении ВВ кольцевой струи. С подъемом поплавка площадь fк
увеличивается, что в случае неизменного расхода приведет к уменьшению разности
р1—р2.
Принцип действия ротаметра основан на уравновешивании при любом расходе
силы тяжести поплавка силами, действующими на
него
со
стороны
жидкости. При этом вертикальное положение поплавка будет однозначно
связано с расходом.
Рис. 13-1 Схема ротаметра
1
Рассмотрим подробнее силы, действующие на поплавок. На поплавок, имеющий
объем V, наибольшее сечение f , среднюю плотность ρп,
сверху вниз действует сила тяжести
G = Vρп g
Снизу вверх на поплавок действует:
1. сила, обусловленная разностью статических давлений р1—р2,
возникающая вследствие ускорения потока в кольцевом зазоре между стенкой
и поплавком,
Р=(р1—р2) f ;
2. динамический напор W = φ (ρv2 /2)f
где φ — коэффициент сопротивления поплавка, зависящий от его формы; ρ —
плотность среды; v — ее скорость в сечении А А;
3. сила трения потока о боковую поверхность поплавка
N = kvnkfб
где k — коэффициент, зависящий от числа Рейнольдса и степени шероховатости
поплавка; vк —средняя скорость потока в кольцевом зазоре; п — показатель
степени, зависящий от скорости; fб — площадь боковой поверхности поплавка.
Поплавок будет неподвижно висеть в потоке жидкости или газа, если будет
соблюдаться равенство сил, действующих на него сверху и снизу:
G = (р1-р2)f + W + N
(13.1)
Отсюда можно получить уравнение
p 1 -р 2 = (G – W –N)/ f (13.2)
Если пренебречь силами W и N, то можно записать
p1 - p2 = G /f
(13.3)
т. е. перепад давления на поплавке оказывается не зависящим от расхода
(в действительности из-за увеличения W и N перепад с увеличением расхода
несколько уменьшается). Поэтому ротаметры относятся к группе расходомеров постоянного перепада. Действие ротаметра можно пояснить, используя
выражение (13.3).
Предположим, что при исходном расходе Qо поплавок занимает исходное
положение, характеризующееся площадью кольцевого зазора fк1 При этом на
поплавок действует перепад p 1—р2 при котором выполняется равенство (13.3).
При увеличении расхода в первый момент положение поплавка и fк неизменны, в
силу чего р1—р2 начнет увеличиваться. При этом нарушается равенство (13.3) и
поплавок начнет подниматься вверх. При этом f к будет увеличиваться (из-за
конусного профиля трубки), что приведет к уменьшению р1—р2. Подъем поплавка
2
будет осуществляться до тех пор, пока вновь не восстановится равенство
(13.3). Очевидно, что любому расходу будет соответствовать определенная
площадь fк кольцевого зазора, т.е. определенное положение поплавка. Уравнение,
связывающее Qо и fк, обычно записывается в виде, аналогичном уравнению
расхода для расходомеров переменного перепада:
Qo = α fк √ 2gv (ρп - ρ ) / ρf
(13.4)
Из (13.4) следует, что при α = соnst существует линейная зависимость между
Qо и fк. Однако при конической форме трубки линейной зависимости между (Qо и
перемещением поплавка Н не будет из-за нелинейной зависимости fК = Φ(H).
Кроме того, в реальных условиях при перемещении поплавка несколько
изменяется а. Поэтому использование равномерной шкалы для ротаметров
обусловливает определенную долю в общей погрешности измерения.
Из (13,3) следует также, что положение поплавка зависит не только от расхода,
но и от плотности контролируемой среды, т. е. градуировка ротаметра должна
производиться с учетом ее. Из-за большого разнообразия контролируемых сред
ротаметры подразделяются на две группы:
1. для жидкостей, которые градуируются на воде,
2. для газов, которые градуируются на воздухе.
Если такие ротаметры используются для измерения расхода других сред, то .их
показания нужно умножать на поправочный множитель к. Если вязкости
измеряемой и градуировочкой сред близки, то
k = √(ρгр(ρп - ρ)) /(ρ(ρп - ρгр))
где ргр и р — градуировочная и действительная плотность среды.
Обычно для газов ρ<<ρп, и в этом случае к= √ρг р / ρ
Переградуировка ротаметра в соответствии с (13.4) может быть осуществлена
изменением ρп, например путем изготовления поплавка из другого материала или
пустотелым.
Погрешность измерения расхода ротаметром может быть определена через
погрешности величин, составляющих формулу (13.4).
Наибольшее влияние на погрешность оказывает:
1. изменение α (например, из-за изменения структуры потока вследствие
турбулентности),
2. погрешность определения плотности среды,
3.
отличие действительных размеров трубки и поплавка от расчетных,
4.
отличие массы поплавка от расчетного.
Эти погрешности имеют достаточно высокие значения, причем некоторые из них
возрастают к началу шкалы.
Это обусловливает,
3
во-первых, невысокий класс ротаметров общепромышленного назначения
во-вторых, минимальный измеряемый расход Qмин, равный обычно 0,2 (Qв.п [т. е.
диапазон измерения равен (0,2 - 1)Qв.п. Погрешность ротаметров может быть
уменьшена в 2—3 раза индивидуальной градуировкой.
Обычно в ротаметрах используются стеклянные конические трубки, на наружной поверхности которых нанесена шкала. Указателем служит верхняя горизонтальная плоскость поплавка. Ротаметры со стеклянной конусной трубкой
применяются для измерения расхода газов или прозрачных
жидкостей,
находящихся под давлением не более 0,6 МПа (6 кгс/см 2).
Для измерения расхода сред под избыточным давлением до 6,4 МПа (64
кгс/см2) используются ротаметры с металлической конической трубкой.
Обычно такие ротаметры снабжаются дифференциально - трансформаторными
или пневматическими преобразователями для дистанционной передачи показаний.
Материал поплавков: сталь, алюминий, бронза, эбонит, пластмассы — не
должен подвергаться коррозии в контролируемой среде.
Ротаметры обладают рядом достоинств:
- простота устройства;
- возможность измерения малых расходов
- и на трубопроводах малых диаметров;
- практически равномерная шкала.
Недостатками ротаметров являются:
- необходимость установки только на вертикальных участках
- трудности дистанционной передачи показаний и записи;
трубопроводов;
- непригодность для измерения расхода сред с высокими давлением и
температурой.
Тахометрические расходомеры
Тахометрическими называются расходомеры, в которых скорость движния
рабочего тела пропорциональна объемному расходу измеряемой среды.
В большинстве случаев рабочее тело – преобразователь расхода (турбинка,
шарик и т. п.) — под воздействием потока вращается. В зависимости от
устройства тахометрические
расходомеры подразделяются на турбинные,
шариковые и камерные.
Тахометрические
преобразователи расхода могут использоваться как в
счетчиках количества, так и в расходомерах.
В первом случае преобразователь расхода (например, турбинка ) связан со
счетным механизмом. Тахометрические
расходомеры
содержат
электрические
тахометрические
преобразователи
частоты
вращения
чувствительного
элемента в электрический сигнал, измеряемый затем
показывающим прибором. Такие электрические преобразователи скорости
оказывают незначительное тормозящее действие на подвижный элемент
(по сравненению с механической
передачей в счетчиках), в силу чего
точность тахометрических
расходомеров
выше точности счетчиков с
4
механическим редуктором.
Тахометрические
приборы
измеряют объемные расходы. При
необходимости измерения массовых расходов они должны снабжаться
плотномерами и вычислительным устройством.
Тахометрические расходомеры применяются для измерения расхода различных
жидкостей (реже газов), причем некоторые их разновидности могут
использоваться на загрязненных жидкостях.
Погрешность измерения и потери статического давления на расходомере
зависят от расхода и вязкости жидкости. Поэтому важными техническими
данными таких приборов являются минимальный измеряемый расход
(нижий предел измерения) и потеря давлениия на них.
Турбинные расходомеры применятся для измерения
жидкостей за исключением очень вязких и загрязненных.
Устройство турбинных преобразователей расхода:
расхода
различие
Для них важной является смазывающая способность измеряемой среды,
поэтому наиболее целесообразно их использование для измерения расходов
нефтепродуктов.
Для измерения расхода газа турбинные расходомеры применяются редко.
Это связано с тем, что из-за малой плотности газа достаточно большой
вращающий момент получается только при больших расходах. Это уменьшает
диапазон измерения расходомера и повышает порог чувствительности. Кроме
того, в газовой среде ускоряется износ подшипников.
На рис. 13.2, а схематично показано устройство турбинного преобразователя
расхода жидкости. Корпус преобразователя 1 представляет собой отрезок трубы
с двумя фланцами для прсоединения его к трубопроводу. Внутри корпуса
установлены струевыпрямители 2 и 3, соединенные неподвижной осью, на
которой расположена турбинка. 4.
В расходомерах частота вращения турбинки, пропорциональная объемному
расходу, с помощью тахометрического преобразователя 5 (см. рис. 13.2, а)
преобразуется в частоту выходного напряжения и затем с помощью специальной
схемы — в аналоговый выходной сигнал.
В счетчиках количества частота вращения турбины, пропорциональная
количеству протекшего вещества, измеряется счетным механизмом, соединенным
с осью турбинки шестеренчатым редуктором и магнитной муфтой.
Турбинки тахометрических расходомеров подразделяются на аксиальные и
тангенциальные. У первых ось совпадает с направлением потока, у вторых она
перпендикулярна потоку. Аксиальные турбинки имеют лопасти винтовой формы
(на рис. 13.2, а показана четырехлопастная турбинка). При малом диаметре
5
турбинок число лопастей мало (4—6), но они имеют большую длину. При
больших диаметрах турбинки число лопастей велико (до 20), но их высота и
длина невелики (относительно диаметра).
Конструкции тангенциальных турбинок разнообразны. В качестве примера на
рис. 13.2, б показана турбинка серийно выпускаемых одноструйных
водосчетчиков.
При незначительных нагрузках на турбинку ее частота вращения ω пропорциональна объемному расходу Q0; однако на характер этой зависимости
влияют:
- вязкость ν
- плотность ρ измеряемой среды,
- момент сопротивления Мс от трения в опорах
- и реакции тахометрического преобразователя частоты вращения (поз. 5 на
рис. 13.2, а) или механического счетчика,
- конструктивные параметры турбинки.
Примером турбинного тахометрического расходомера – Minol, Sensus для
измерения воды. См. счетчики на странице http://www.tepso.ee/tooted.php?cat=37 или
http://www.sensus.com/Module/Catalog/WaterCatalog
Следует отметить, что в настоящее время турбинные тахометрические
расходомеры являются одними из наиболее точных. Существуют серийно
выпускаемые расходомеры с основной погрешностью 0,5%. Эта погрешность
может быть уменьшена индивидуальной градуировкой.
Достоинством турбинных расходомеров
является возможность измерения
расходов в широком диапазоне (5-10-9—2 м3/с) на трубопроводах диаметром
4—750 мм при давлениях до 250 МПа и температурах от —240 до +700 с С, а
также большой диапазон измерения. При больших скоростях и диаметрах труб
диапазон измерения (Q в.п/Qмин достигает 15—20, при малых скоростях и малых
диаметрах труб 5—10. Кроме того, такие расходомеры обладают малой
инерционностью.
Однако тахометрические турбинные расходомеры имеют и недостатки,
ограничивающие их применение:
- влияние вязкости контролируемой среды,
- износ опор (нельзя, например, измерять расход сред, содержащих взвешенные
частицы, особенно если они обладают абразивными свойствами).
Шариковыми называются тахометрические расходомеры, подвижным элементом
которых является шарик, непрерывно движущийся в одной плоскости по
внутренней поверхности трубы под воздействием предварительно закрученного
потока. Скорость движения шарика по окружности трубы пропорциональна
объемному расходу жидкости. Схема шарикового преобразователя для средних
и больших расходов представлена на рис. 13.3, а. Поток жидкости, закрученный
формирователем 1 в винтовом направлении, вызывает движение шарика 2 по окружности. От перемещения вдоль трубы
шарик
удерживается
ограничительным кольцом 3, за которым располагается струевыпрямитель 4 для
выпрямления закрученного потока. На внешней стороне немагнитного корпуса
располагается тахометрический преобразователь 5 для преобразования частоты
вращения шарика в частотный электрический сигнал.
6
Рис. 13.3. Схема шариковых преобразователей расхода:
а — для больших расходов; б — для малых расходов
Для небольших расходов применяется конструкция, представленная на
рис. 13.3,б. Здесь нет специального формирователя для закручивания по тока, а движение шарика по окружности вызывается тангенциальным подводом жидкости. В шариковых расходомерах применяются тахометрические
преобразователи скорости, аналогичные преобразователям турбинных расходомеров. Шар (рис. 13.3, а) под действием центробежной силы прижимается к внутренней поверхности трубы, а под действием осевой составляющей скорости потока—к ограничительному кольцу, т. е. шару кроме сил
вязкого трения жидкости необходимо преодолевать силы трения о
поверхности трубы и ограничительного кольца. Это вызывает отставание
окружной скорости шара υ ш от окружной скорости потока υ, которое
оценивается коэффициентом скольжения
S = ( υ - υш ) / υ_, откуда υ ш = υ ( 1 – S) .
Частота f импульсов тахометрического преобразователя связана со скоростью
шара соотношением
f = υ ш / ( 2πr)
где r — радиус вращения центра шара.
Учитывая, что υ = кQ0,
где к — коэффициент пропорциональности, можно получить
импульсов
частоту
f = k Q о (1—S)/ (2πr ).
Таким образом, для обеспечения однозначной зависимости между f и
объемным расходом Q0 надо иметь постоянство S.
Этот коэффициент
меньше всего изменяется в области значений чисел
Рейнольдса от 103 до 105, поэтому шариковые расходомеры проектируются для
работы в этом диапазоне.
Кроме того, для уменьшения скольжения масса шарика делается по
возможности малой. Согласно стандарту шариковые расходомеры могут применяться для измерения
расхода жидкостей с плотностью 700—1400 кг/м3
-6 2
вязкостью 0,3 – 12 х 10 м /с.
Из-за отсутствия опор у подвижного элемента расходомеры могут использоваться
на жидкостях с твердыми включениями (ограниченной крупности) и
агрессивных. Диапазон измерения шариковых расходомеров обычно равен (0,21) Qв.п. однако в диапазоне (0,2 - 0,3) Q в.п они обладают повышенной
погрешностью по сравнению с диапазоном (0,3 - 1) Q В.П. Приведенная
погрешность обычно равна ± 1,5 % в интервале (0,3 - 1) Q В.П и 2, 5 % в
интервале (0,2 - 0,3) Q В.П .
На АЭС используются шариковые расходомеры.
7
Камерными называются тахометрические расходомеры и счетчики, имеющие
один или несколько подвижных элементов, которые при движении отмеривают
определенные объемы жидкости. Обычно эти подвижные элементы движутся
непрерывно со скоростью, пропорциональной объемному расходу.
В промышленности в подавляющем большинстве случаев применяются
камерные счетчики.
Достоинствами их является:
- высокая точность измерения (0,5—1 % для жидкостей и 1—1,5 % для
газов),
- достаточно большой диапазон измерения,
- слабое влияние вязкости измеряемой среды. Последнее обстоятельство
позволяет применять камерные счетчики для жидкостей вязкостью до 3-10-4 м2 /с
.
Одним из приборов камерного типа являются счетчики жидкости с овальными
шестернями. Такие счетчики предназначены
для
измерения количества жидкостей,
-6
-4
2
имеющих вязкость от 55·10
до
3·10
м
/с
,
температуру от —40 до + 120 оС
и давление до 64 кгс/м 2 в трубах диаметром до 100 мм. Такие счетчики имеют
основную погрешность 0,5%. Схема преобразователя с овальными шестернями
показана на рис. 13.4
13.4. Схема счетчика с овальными шестернями
В положении шестерен по рис. 13.4, а под действием разности давлений р1—р2
возникает вращающий момент, вращающий левую шестерню против часовой
стрелки. Правая шестерня при этом будет ведомой и за счет зубчатого сцепления
будет поворачиваться по часовой стрелке. Через полоборота шестерни
установятся в положение рис. 13.4,б. При этом вращающий момент будет
создаваться на правой шестерне, левая становится ведомой. За полный оборот
измерительные камеры (на рис. 13.4 заштрихованы) дважды наполняются и
опорожняются, т. е. за один оборот объем пропускаемой жидкости равен
четырем объемам одной измерительной камеры. На счетный механизм
передается движение одной из шестерен посредством магнитной муфты или
тахометрического
дифференциально-трансформаторного
преобразователя
скорости. Сильное изменение вязкости жидкости увеличивает погрешность
измерения счетчика.
Электромагнитные расходомеры
Принцип действия электромагнитных расходомеров основан на законе
электромагнитной индукции, в соответствии с которым в электропроводной
8
жидкости, пересекающей магнитное поле, индуктируется ЭДС, пропорциональная скорости движения жидкости.
http://www.tepso.ee/tooted.php?cat=37
Серийные электромагнитные расходомеры предназначены для измерения
расхода жидкостей с электропроводностью не менее 10 -3 См/м (соответствует
электропроводности водопроводной воды). Имеются специальные расходомеры,
позволяющие измерять расход жидкостей с электропроводностью до 10-5 См/м.
Рис. 13.5. Схема электромагнитного расходомера:
а —с внешним магнитом; б —с внутренним магнитом
На рис. 13.5, а показана принципиальная схема электромагнитного расходомера. Корпус 1 преобразователя, изготовленный из немагнитного материала
и покрытый изнутри электрической изоляцией 2 (резиной, эмалью,
фторопластом и т.д.), расположен между полюсами магнита (на рис. 13.5, а
изображен постоянный магнит). Через стенку трубы изолированно от нее по
диаметру введены электроды 3, находящиеся в электрическом контакте с
жидкостью. Силовые линии магнитного поля направлены перпендикулярно
плоскости, проходящей через ось трубы и линию электродов.
В соответствии с законом электромагнитной индукции при осесимметричном
профиле скоростей в жидкости между электродами будет наводиться ЭДС
E = B ·D· υ
где В — индукция магнитного поля; υ — средняя скорость жидкости; D —2
длина жидкостного проводника, равная диаметру трубы. Учитывая, что Qо = πD
/4, получаем
E = 4 B Qo / (πD)
Отсюда следует, что ЭДС Е прямо пропорциональна измеряемому объемному
расходу.
Измерение наведенной ЭДС осуществляется измерительным прибором ИП, к
которому предъявляются жесткие требования по значению его входного
сопротивления ZИ. Для обеспечения малого влияния внутреннего
сопротивления преобразователя ZП необходимо выполнение соотношения:
ZИ / ZП = 100 ÷ 500
( 13.5)
Внутреннее сопротивление преобразователя растет с уменьшением элек-
9
тропроводности жидкости, что вызывает необходимость увеличения ZИ, однако
этому препятствует емкостное сопротивление соединительных проводов,
включенных параллельно ZП. Поэтому необходимость выполнения условия
(13.5) накладывает ограничения на минимальную электропроводность измеряемой жидкости.
Применение постоянных магнитов в расходомерах позволяет облегчить борьбу с
помехами от внешних электромагнитных полей, увеличить быстродействие
прибора.
Основным недостатком их использования является поляризация электродов:
концентрация у положительного электрода отрицательных ионов, а у
отрицательного положительных. Вследствие этого на границах электродов
создаются ЭДС, которые в сумме образуют ЭДС поляризации, направленную
против основной измеряемой ЭДС, что изменяет градуировочную
характеристику прибора и делает невозможной его стабильную работу. Поэтому
электромагнитные расходомеры с постоянным магнитным полем не
применяются для жидкостей с ионной проводимостью. Широкое
распространение они получили для измерения расхода расплавленных металлов,
в которых отсутствует явление поляризации. Типичная область применения
таких
расходомеров
—
ядерные
энергетические
установки
с
жидкометаллическим теплоносителем.
Для измерения расхода сред с ионной проводимостью применяются
расходомеры с переменным магнитным полем, создаваемым электромагнитом:
(рис. 13.6).
Рис. 13.6. Схема электромагнитного расходомера с переменным магнитным полем
При синусоидально изменяющейся магнитной индукции, имеющей
амплитудное значение В м и частоту f , выражение для ЭДС имеет вид
Е = 4В М Q0 [ sin ( 2πft ) / (πD)
( 13.6)
При достаточно высокой частоте f поляризация
электродов практически
отсутствует, однако использование переменного магнитного поля имеет свои
недостатки. Наиболее серьезным них является
появление
паразитной
трансформаторной ЭДС Е т . Эта ЭДС наводится рабочим магнитным полем В
= Вм sin(2πft) в контуре (рис. 13.5,a)
провод
A— электрод — жидкость — электрод — провод
Б — вход
измерительного прибора ИП. В соответствии с законом электромагнитной
индукции:
ET = - dФ /dt = - S dB/dt = - 2πfSBM · cos (2πft)
( 13.7)
где Ф — магнитный поток, пронизывающий контур; S — площадь проекции
контура, пронизываемого магнитным полем на плоскость, проходящую через
ось трубы и линию электродов. Сравнением
(13.6) и
(13.7)
легко
установить, что Е и Е T сдвинуты по фазе на 90°, кроме того, ЕT от расхода не
зависит и существует даже при Q0 =0. Обе эти особенности используются
10
для уменьшения влияния Е т на показания прибора.
1.Значение ЕT можно уменьшить, располагая провода А (рис. 13.5, а)
одной плоскости, параллельной силовым линиям магнитного поля.
в
2. Обычно для ослабления влияния ЕT (паразитной индукции) используется
схема рис. 13.6. В этой схеме от одного из электродов отходят два провода,
симметрично охватывающих трубопровод с обеих сторон и замыкающихся
на резистор R. Измерительный прибор подключается к движку
этого
резистора и по второму электроду. При нулевом расходе перемещением
движка необходимо
добиться
минимального
сигнала на входе
измерительного прибора.
Оба описанных приема не устраняют трансформаторную ЭДС полносгью.
В
современных
расходомерах для полного устранения ее используется
сдвиг по фазе на 90° между Е и Е T.
В этом случае измерительная схема содержит два канала, один из которых
предназначен для измерения полезного сигнала, второй—для компенсации
трансформаторной ЭДС. С помощью фазочувствительных детекторов
по
первому каналу пропускается только полезный сигнал, который затем измеряется показывающим или регистрирующим прибором. По второму каналу
проходит только сигнал, пропорциональный ЕT, который затем по цепи
отрицательной обратной связи поступает на вход схемы и компенсирует
трансформаторную ЭДС.
Электромагнитные расходомеры имеют много достоинств.
1.Они могут
применяться на трубопроводах
практически
любых
диаметров без ограничения верхнего предела по расходу.
2. Их показания не зависят от вязкости и плотности среды.
3.Шкала прибора линейная, диапазон измерения обычно равен (0,1 — 1
)Qв.п..
4. Преобразователь расхода практически безынерционный,
5. не имеет частей, выступающих внутрь трубы, и, таким образом, практически
не создает потери давления.
6. Влияние местных сопротивлений значительно меньше, чем у расходомеров с
сужающими устройствами, поэтому требуемая длина прямых участков для них
меньше (обычно считается достаточной длина прямых участков до
преобразователя, равная 10 D).
В принципе возможно создание расходомера с таким профилем магнитного
поля, при котором необходимость в прямых участках до и после
преобразователя отпадает вообще.
Электромагнитные расходомеры могут быть использованы в ряде случаев, когда применение расходомеров других типов затруднено или невозможно
вовсе: при измерении расхода агрессивных, абразивных и вязких жидкостей
и пульп, измерении расхода жидких металлов.
К числу недостатков электромагнитных расходомеров следует отнести :
- требования к минимальному значению электропроводности измеряемой среды,
что сужает круг использования таких расходомеров.
- сложность, измерительной схемы, подверженность ее влиянию многих помех,
что затрудняет изготовление расходомеров класса более 1 и усложняет
эксплуатацию.
Ультразвуковые расходомеры
11
Ультразвуковой метод измерения расхода основан на зависимости скорости
ультразвука относительно трубы от скорости потока.
http://www.ecomatic.ee/ee/tooted/kulumootjad-arvestid/soojusenergia-arvestid
Основные трудности использования ультразвукового метода связаны с тем,
что,
во-первых, скорость звука в среде зависит от ее физико-химических свойств,
температуры, давления,
во-вторых, скорость звука значительно больше скорости среды, так что
действительная скорость ультразвука в движущейся среде мало отличается от
скорости в среде неподвижной.
Эти обстоятельства обусловливают необходимость применения специальных
методов компенсации погрешностей, что сильно усложняет измерительные
схемы.
Следует отметить также, что ультразвуковые расходомеры применяются
главным образом для измерения расхода жидкостей из-за малой интенсивности ультразвуковой волны и большого коэффициента поглощения ультразвука
в газах.
Основными элементами преобразователей ультразвуковых расходомеров
являются излучатели и приемники ультразвуковых колебаний.
Ультразвуковые колебания, попадающие на приемник, вызывают его механическую деформацию в виде перио дических сжатий и растяжений, которые
преобразуются в переменное электрическое напряжение.
Ультразвуковые расходомеры можно подразделить на две группы.
К первой группе относятся расходомеры с излучением, перпендикулярным
потоку.
Расходомеры с такой схемой просты по устройству, но обладают ограниченной
точностью из-за малого отклонения луча.
Поэтому наибольшее распространение получили расходомеры второй группы,
основанные на измерении скорости прохождения ультразвуковых импульсов
между излучателем и приемником в направлении потока контролируемой среды и
против него (расходомеры с излучением по потоку). При этом обычно
векторы средней скорости потока υср и скорости ультразвука в неподвижной
среде с направлены под углом друг к другу, причем чем меньше α , тем
чувствительнее расходомер.
Расходомеры могут выполняться по одноканальной (рис. 13.8, а, б) или
двухканальной (рис. 13.8, б, г) схеме.
Рис. 13.8. Схемы преобразователей ультразвуковых расходомеров с излучением по потоку: а, в —
одноканальные; б, г — двухканальные
В одноканальной схеме каждый пьезоэлемент работает попеременно в режиме
излучателя и в режиме приемника, что обеспечивается системой
12
переключателей. В двухканальной схеме каждый пьезоэлемент
работает
только одном определенном режиме. Очевидно, что двухканальные
схемы
проще одноканальных
(нет сложных схем переключения), но точность их
меньше, вследствие возможной акустической несимметрии обоих каналов.
Для чистых сред пьезоэлементы могут устанавливаться
в
специальных
карманах (рис. 13.8, а, б). Для загрязненных сред применение карманов
нежелательно. В этом случае либо карманы заполняются твердым
материалом — звукопроводом (рис. 13.8, в), либо применяются излучатели и
приемники, не требующие нарушения целостности трубы (рис. 13.8, г). В по
следних двух схемах ультразвуковой луч преломляется на границах сред,
что в ряде схем используется для компенсации влияния изменений температуры среды
на показания.
ПРИНЦИП действия расходомеров с излучением по потоку заключается в
использовании разницы времени прохождения ультразвуковых импульсов по
потоку и против него.
Действительно, если обозначить расстояние между излучателем и приемником через
L и угол между векторами скоростей потока υср и ультразвука с через α, то время
распространения импульса по потоку:
τ1 = L / ( c + υL cosα) ≈ L/c ( 1 - υL cosα /c)
где υL - скорость среды, усредненная по длине пути луча от излучателя до приемника.
Время прохождения импульса против потока :
τ2 = L / ( c - υL cosα) ≈ L/c ( 1 + υL cosα /c)
Следовательно, разность времен прохождения импульсов
∆τ = τ1 – τ2 = 2L cosα υL/ c2
(13.8)
Таким образом, показания ультразвуковых расходомеров зависят от скорости
потока υL , усредненной по ходу луча, а не по диаметру трубы, что является
характерной особенностью расходомеров с излучением по потоку.
В то же время для
определения объемного расхода требуется измерение
скорости υср, усредненной по диаметру трубы.
Для трубопроводов круглого сечения даже для осесимметричных потоков υср ≠ υL
и соотношение между ними зависит от эпюры скоростей потока. Это
обстоятельство является недостатком ультразвуковых расходомеров,
определяющим наиболее существенную составляющую методической погрешности.
В общем случае υL и υср
υL = k υср
связаны соотношением
( 13.9)
При установившемся турбулентном движении и осесимметричном потоке k
зависит от числа Rе, так как с изменением Rе изменяется характер рас-
13
пределения скоростей. Это является причиной принципиальной нелинейности
статических характеристик ультразвуковых расходомеров при их
индивидуальной градуировке.
По методу определения ∆τ ультразвуковые расходомеры подразделяются на
время-импульсные, частотные и фазовые.
Во время-импульсных расходомерах периодически производится измерение
разности ∆τ времен прохождения очень коротких импульсов длительностью
0,1—0,2 мкс, по которой затем в соответствии с (13.8) и (13.9) определяется
объемный расход Q0.
Измеряемое время ∆τ очень мало (10-б—10-7 с) даже при максимальном
расходе, причем измерять его необходимо с погрешностью 10-8—10-9с. Это
вызывает необходимость применения сложных электронных схем. Кроме того,
показания таких расходомеров зависят от изменения с. Эти обстоятельства
объясняют редкое применение таких расходомеров по сравнению с другими
типами.
В частотных расходомерах каждый последующий импульс посылается излучателем только после достижения предыдущим импульсом приемного
пьезоэлемента. Очевидно, что если время между импульсами равно τ, то
частота следования их f = 1/τ. Разность частот следования импульсов по
потоку и против него определяется дифференциальной схемой и связана со
скоростью и объемным расходом. Показания частотных расходомеров не
зависят от скорости распространения ультразвука в неподвижной среде, а
следовательно, и от физико-химических свойств среды. Это является важным достоинством частотных расходомеров.
В фазовых расходомерах измеряется разность фаз ∆φ ультразвуковых
колебаний частотой f , распространяющихся по потоку и против него. Недостатком этих расходомеров является зависимость показаний от изменения с.
Приведенное выше описание принципа действия ультразвуковых расходомеров
выявляет основные их недостатки. Наиболее серьезным из них является
зависимость показаний от профиля скоростей, который изменяется с
изменением расхода. Погрешность увеличивается при искаженном профиле
скоростей из-за наличия, например, вблизи преобразователя местных
сопротивлений. Отсюда вытекает необходимость прямых участков трубы до и
после расходомеров.
Другим серьезным недостатком является влияние на показания прибора изменения
физико-химических свойств контролируемой среды и ее температуры, влияющих на
скорость ультразвука с.
Ультразвуковые расходомеры являются перспективными для многих отраслей
промышленности в силу следующих достоинств:
1) возможности использования на трубопроводах различных диаметров (от 10 мм
и выше);
2) возможности бесконтактного измерения расхода любых сред, в том числе и
неэлектропроводных.
Основная погрешность ультразвуковых расходомеров без коррекции на скорость
звука находится в пределах ± (2—4) % . Одноканальные расходомеры с коррекцией на
скорость звука позволяют снизить эту погрешность до ±1 %. В отдельных разработках
основная погрешность не превышает ±0,3 %.
14