ВИМІРЮВАННЯ ВИТРАТИ І КІЛЬКОСТІ РЕЧОВИНИ

 

Одиниці і методи вимірювання витрати і кількості речовини

 

Необхідність підвищення якості продукції, що випускається, і ефективності автоматизованих систем керування технологічними процесами придає питанням точного вимірювання кількості і витрати різних речовин винятково важливе значення. До засобів, що вимірюють кількість і витрату речовин пред'являються високі вимоги по точності.

Різноманіття вимірювальних середовищ, що характеризуються різними фізико-хімічними властивостями, а також різні вимоги, пропоновані промисловістю до метрологічних характеристик і надійності вимірників витрати, привели до створення засобів вимірювання витрати, заснованих на різних принципах і методах вимірювання.

Витрата речовини - це кількість речовини, що проходить в одиницю часу по трубопроводу, каналу і т.п. Кількість і витрата речовини виражають в об'ємних або масових одиницях вимірювання. Об'ємними одиницями кількості звичайно служать літр (л) і кубічний метр (м3), а масовими — кілограм (кг) і тонна (т). Об'ємна кількість газу іноді для порівняння представляють наведеним до нормального стану — абсолютному тиску 101325 Па, температурі 20°С и відносної вологості 0%.

Найпоширенішими одиницями об'ємної витрати є л/год, м3/с и м3/год, а масового — кг/с, кг/год и т/год.

Прилади, що вимірюють витрату, називаються витратомірами. Залежно від роду вимірювальної речовини вони діляться на витратоміри води, пари, газу та ін. Витратоміри бувають що показують і самописними. Часто вони забезпечуються вбудованим рахунковим механізмом (інтегратором).

До приладів, що вимірюють кількість, відносяться лічильники і ваги. За їхньою допомогою визначається кількість речовини, яка пройшла по тракту за відомий проміжок часу, для чого відраховують показання приладу на початку і кінці періоду вимірювання і обчислюється різниця цих показань.

Для визначення витрати і кількості рідини, газу, пари і сипучих тіл найчастіше застосовуються наступні основні методи вимірювання: змінного перепаду тиску, швидкісній, об'ємний і ваговий. В окремих випадках використовуються і інші методи вимірювання.

Метод змінного перепаду тиску, що має велике практичне значення, заснований на зміні статичного тиску середовища, що проходить через штучно звужений перетин трубопроводу.

Швидкісний метод — на визначенні середньої швидкості руху потоку.

Об'ємний і ваговий методи — на визначенні об'єму і маси речовини.

Перевагами перших двох методів вимірювання є порівняльна простота і компактність вимірювальних приладів, а останніх двох - більше висока точність вимірювання.

Відповідно до застосовуваних методів вимірювання витрати і кількості речовини вимірювальні прилади розділяються в основному на наступні групи:

 

 

Витратоміри із звужуючим пристроєм

 

Принцип дії витратомірів із звужуючим пристроєм заснований на зміні потенційної енергії вимірювальної речовини при протіканні через штучно звужений перетин трубопроводу. Широке використання цього принципу пов'язане з рядом властивих йому переваг. До їхнього числа відносяться: простота і надійність, відсутність частин, що рухаються, легкість серійного виготовлення засобів вимірювання практично на будь-які тиски і температури вимірювального середовища, низька вартість, можливість вимірювання практично будь-яких витрат і, що особливо істотно, можливість одержання градированої характеристики витратомірів розрахунковим шляхом, тобто без використання дорогих метрологічних установок.

Витратомір складається із звужуючого пристрою, змонтованого в трубопроводі для створення місцевого стиску потоку (первинний перетворювач), диференціального манометра, призначеного для вимірювання різниці статичних тисків середовища, що протікає, до і після звужуючого пристрою (вторинний прилад) , і сполучних ліній (двох трубок) , що зв'язують між собою обидва прилади.

Звужуючий пристрій звичайно має круглий отвір, розташований концентрично щодо стінок труби, діаметр якого менше внутрішнього діаметра трубопроводу.

Диференціальний манометр (дифманометр-витратомір) виконується таким, що показує або самописним, і додатково може мати вбудований інтегратор. Шкала промислового дифманометра-витратоміра градирується в об'ємних або масових одиницях витрати.

Витратомір із звужуючим пристроєм, що має електричну дистанційну передачу показань містить, як правило, безшкальний витратомір-витратомір-дифманометр-витратомір (проміжний перетворювач), у комплекті з показуючим або самописним вторинним приладом.

Витратоміри із звужуючим пристроєм придатні для вимірювання речовини, що протікає по трубопроводу, за умови заповнення нею усього поперечного перерізу труби і встановленого в ній звужуючого пристрою.

При проходженні потоку через звужуючий пристрій відбувається зміна потенційної енергії речовини, частина якого внаслідок місцевого стиснення потоку і відповідного збільшення швидкості потоку перетворюється в кінетичну енергію. Зміна потенційної енергії приводить до появи різниці статичних тисків (перепаду тиску), що визначається за допомогою дифманометра.

 

Рисунок 6.1 - Характер потоку при встановлені звужуючого пристрою

 

 

На рис.6.1 показана схема встановлення в трубопроводі найбільш простого звужуючого пристрою (діафрагми) у вигляді тонкого диска із круглим отвором посередині і зображення характеру потоку. Там же даний розподіл статичного тиску Р по довжині потоку /. Стиснення потоку починається перед діафрагмою і завдяки дії сил інерції досягає найбільшої величини на деякій відстані за нею, після чого потік знову розширюється до повного перетину трубопроводу. Перед діафрагмою і за нею в кутах утворяться зони з вихровим рухом, причому зона вихрів після діафрагми більше значна, чим до неї. Тиск потоку біля стінки трубопроводу (суцільна лінія) трохи зростає за рахунок підпору перед діафрагмою і знижується до мінімуму за діафрагмою в точці найбільшого звуження потоку, де перетин потоку менше, ніж отвір діафрагми. Далі в міру розширення потоку тиск біля стінки знову підвищується, але не досягає колишнього значення на величину РП через наявність безповоротних втрат на завихрення, удар і тертя. Зміна тиску потоку по осі трубопроводу практично збігається зі зміною тиску біля його стінки, за винятком ділянки перед діафрагмою і безпосередньо в ній, де тиск потоку по осі труби знижується (пунктирна лінія). При протіканні вимірювального потоку через отвір звужуючого пристрою збільшується швидкість потоку в порівнянні з його швидкістю до звуження. Завдяки цьому тиск потоку на виході із звужуючого пристрою зменшується і на звужуючому пристрої створюється перепад тиску, вимірювальний дифманометром, який залежить від швидкості у звуженні або від витрати потоку.

Якщо через звужуючий пристрій протікає стисливе середовище (газ або пара), то внаслідок зниження тиску збільшується її об'єм. Це приводить до того, що швидкість потоку зростає і стає більше швидкості нестисливого середовища. У результаті на звужуючому пристрої збільшується перепад тиску. Врахування зазначеного явища виконується введенням у рівняння витрат (6.3) додаткового коефіцієнта є<1, називаного поправочним множником на розширення вимірювального середовища.

Рівняння (6.3) і (6.4) є основними рівняннями витрати як для стисливих, так і нестисливих середовищ, при цьому для останніх є=1.

 

Рисунок 6.2 - Схеми стандартних звужуючих пристроїв

 

Звужуючі пристрої. Для вимірювання витрати середовища одержали поширення три види нормалізованих звужуючих пристроїв: витратомірна діафрагма (рис.6.2,а), витртомірне сопло (рис.6.2,6) і сопло Вентурі (трис.6.2,в) і труби Вентурі (рис.6.2,г), які мають посередині круглий отвір. Дослідним шляхом для цих звужуючих пристроїв знайдені точні значення коефіцієнта витрати а, що дозволяє застосовувати їх без попередньої градировки. На рис.6.2 показані місця відбору тисків Р1 і Р2 від звужуючих пристроїв до дифманометра. Характерною рисою звужуючих пристроїв (рис.6.2, б, в, г) є менша, чим для діафрагми, безповоротна втрата тиску.

Втрата тиску при використанні діафрагми або сопла практично та сама. У соплах Вентурі втрата тиску значно менше, що фізично пояснюється наявністю дифузора на виході, завдяки якому йде відновлення потенційної енергії.

За способом відбору тиску до дифманометра витратомірні діафрагми і сопла діляться на камерні і безкамерні (із точковим відбором). Більше удосконаленими з них є камерні пристрої. У камерній діафрагмі тиски до дифманометра передаються за допомогою двох кільцевих зрівняльних камер, розташованих у її корпусі перед і за диском з отвором, з'єднаних з порожниною трубопроводу двома кільцевими щілинами або групою рівномірно розташованих по окружності радіальних отворів (не менш чотирьох з кожної сторони диска). Кільцева камера перед диском називається плюсовою, а за ним - мінусовою. Наявність у діафрагмі кільцевих камер дозволяє усереднити тиск по окружності трубопроводу, що забезпечує більше точний вимір перепаду тиску.

Відбір перепаду тиску в безкамерній діафрагмі виконується за допомогою двох окремих отворів у її корпусі або у фланцях трубопроводу перед і за диском. У цьому випадку вимірювальний перепад тиску є менш точним, чим при кільцевих камерах.

Точність вимірювання витрати за допомогою діафрагм залежить від ступеня гостроти вхідної крайки отвору, що впливає на значення коефіцієнта витрати а. Для виготовлення проточної частини діафрагм і сопел застосовуються матеріали стійкі проти корозії і ерозії, тобто нержавіюча сталь, а в деяких випадках - латунь або бронза. У якості звужуючого пристрою найчастіше застосовується діафрагма. Сопло вибирається у випадках, коли необхідно зменшити вплив корозії і ерозії звужуючого пристрою на результати вимірювання

Діафрагми і сопла більше вивчені і тому дають більше високу точність вимірювання, чим сопла Вентурі. Основна похибка діафрагм і сопел становить ±0,6-2,5%. Великий вплив на точність вимірювання роблять умови монтажу звужуючих пристроїв у трубопроводах. При неправильній установці похибка вимірювання значно зростає.

До і після звужуючого пристрою необхідно мати прямі заспокійливі ділянки трубопроводу постійного діаметра, тому що різні місцеві опори (коліна, вентилі, засувки і т.п.) приводять до перекручування профілю швидкостей по перетині потоку і, отже, впливають на коефіцієнт витрати а. Рекомендується зазначену арматуру по можливості розташовувати за звужуючим пристроєм.

Установка дифманометрів. Дифманометри призначені для визначення перепаду тиску між двома точками вимірювання в рідкому, газовому або паровому середовищі. Особливо велике застосування вони одержали для вимірювання перепаду тиску у витратомірах із звужуючим пристроєм. Основна похибка двохтрубних дифманометрів ±2 мм висоти стовпа рідини, що врівноважує.

Промислові дифманометри-витратоміри, які застосовуються в теплоенергетиці, звичайно є деформаційними приладами, що працюють у комплекті із звужуючим пристроєм при вимірюваннях витрати рідини, газу і пари. Механічні дифманометри-витратоміри можуть застосовуватися в тих випадках, коли відстань між звужуючим пристроєм і приладом не перевищує 50 м. При більше значних відстанях використовуються електричні дифманометри-витратоміри. Механічні і електричні дифманометри і працюючі з ними в комплекті вторинні прилади встановлюються в місцях, не підданих вібрації і трясці, а також дії високої або низької температури і вологості навколишнього повітря. Вплив температури не повинний викликати в електричних дифманометрах надмірного нагрівання обмоток. Щоб уникнути запізнювання показань довжина сполучних ліній звичайно не перевищує 50 м, а внутрішній діаметр їх становить не менш 6 мм. Для вільного видалення зі сполучних трубок води (газові лінії) або повітря (водяні лінії) вони прокладаються вертикально або з ухилом не менш 0,1 убік продувних вентилів, газозбірників або відстійних посудин.

 

Рисунок 6.4 - Схема установки дифманометра у комплекті з звужуючим пристроєм: I - при вимірюванні витрати рідини; II - при вимірюванні витрати газу. а - нижче звужуючого пристрою; б - вище звужуючого пристрою

 

 

Утворення в сполучних лініях повітряних пробок при вимірюванні витрати рідини або пари - при вимірюванні витрати газу (повітря) веде до перекручування результатів вимірювання. Рекомендується періодично продувати сполучні лінії.

Дифманометр 2 (рис.6.4) може бути встановлений вище або нижче звужуючого пристрою 1.

При вимірюванні витрати рідини бажана установка його нижче звужуючого пристрою (рис.6.4, Іа) для того, щоб уникнути проникнення із трубопроводу повітря в сполучні лінії. Якщо ж дифманометр розташовується вище звужуючого пристрою, то у верхніх точках ліній установлюються газозбірники із продувними вентилями поз.4, 5 .

При вимірюванні витрати газу (повітря) дифманометр доцільно встановлювати вище звужуючого пристрою 1 (рис. 6.4, ІІб). У випадку зворотного розташування в нижніх точках сполучних ліній містяться відстійні посудини для води 4, що утворюється при конденсації пари.

При вимірюванні витрати пари більш бажаною є установка дифманометра нижче звужуючого пристрою. У противному випадку у верхніх точках ліній обов'язкове приєднання газозбірників. В обох випадках необхідно забезпечити сталість і однаковість рівнів конденсату в сполучних трубках для того, щоб тиски стовпів води на дифманометр взаємно врівноважувалися і не відбивалися на його показаннях.

 

Швидкісні витратоміри і лічильники

 

Швидкісний метод визначення витрати і кількості рідини і газу покладений в основу ряду витратомірів і лічильників, що мають досить простий пристрій і значний діапазон показань.

По виконанню і призначенню швидкісні витратоміри і лічильники розділяються на швидкісні витратоміри і лічильники рідини, напірні трубки і анемометри.

Швидкісні лічильники рідини найчастіше застосовуються для вимірювання кількості води і тому називаються лічильниками води. Чутливим елементом їх є лопасна вертушка, що приводиться в обертання потоком рідини. Вісь вертушки за допомогою передавального механізму (редуктора), що зменшує частоту обертання, зв'язана з рахунковим пристроєм приладу.

З формули (6.6) видно, що частота обертання вертушки пропорційна витраті рідини, завдяки чому пристрій приладу значно спрощується. Однак при дуже малих витратах спостерігається відхилення від цієї залежності внаслідок перетоку рідини через зазори між вертушкою і корпусом приладу і тертя механізму в опорах. Формула (6.6) справедлива лише при відсутності завихрення рідини, що рухається, місцевими опорами (вигинами трубопроводу, вентилями та ін.) поблизу лічильника.

Характерною величиною швидкісних лічильників рідини (як і інших лічильників) є так званий поріг початку показань, що виражає найменшу витрату речовини, нижче якого лічильник перестає давати безперервні показання.

Швидкісні лічильники виготовляються для вимірювання кількості холодної (до температури 30°С) і гарячої (до 90°С) води при робочому тиску до 1 МПа. Вертушка їх виконується із пластмаси або металу.

Істотним недоліком швидкісних лічильників є залежність показань від в'язкості вимірювальної рідини.

За формою вертушки швидкісні лічильники розділяються на крильчасті і турбінні. Вертушка перших має прямі лопаті, спрямовані радіально до її осі, а других - вигнуті по гвинтовій лінії. Вісь вертушки в крильчастих лічильниках розташована перпендикулярно напрямку потоку, а в турбінних - паралельно йому.

Крильчасті лічильники призначені для установки в горизонтальних трубопроводах і застосовуються при вимірюванні малих витрат води (до 10 м3/ч). Турбінні лічильники можуть встановлюватися в будь-якім положенні і служать для вимірювання більших витрат води (до 150 м3/ч).

На рис.6.5 наведена схема крильчастого лічильника води. У корпусі 1 із приєднувальними штуцерами виконані два тангенціально спрямованих канали для входу і виходу води, що надходить на крильчатку 2. У верхній частині корпуса розташований стрілочно-роликовий рахунковий покажчик 3, відділений від крильчатки і редуктора 4 перегородкою із сальником 5 вихідної осі.

Крильчасті лічильники мають рахунковий пристрій із ціною розподілу стрілочного покажчика 0,001 і роликового 0,1 м . Кінцеве показання рахункового пристрою 1-10 м води. Лічильники встановлюються в трубопроводі відповідно до нанесеного на корпусі стрілки, що вказує напрямок потоку рідини.

 

Рисунок 6.5 - Схема крильчастого лічильника води

 

Турбінні лічильники води мають лопасні вертушки у вигляді багатоходового гвинта з великим кроком. Частота обертання цієї вертушки пропорційна швидкості потоку рідини і обернено пропорційна кроку лопаті.

Схема швидкісного лічильника з аксіальною турбинкою показана на рис.6.6. Усередині корпусу розміщена горизонтально уздовж напрямку вимірювального потоку рідини турбинка 6, виконана у вигляді багатозаходного гвинта. Перед турбинкою установлений пристрій випрямлення потоку 1, призначений для згладжування потоку на вході і виключення завихрення. Обертання турбинки через черв'ячну пару 5 і передавальний механізм 2, розташований у камері 4, передається через сальник рахунковому пристрою 3. Для регулювання швидкості обертання турбинки в процесі тарировки лічильника передбачено регулювальний пристрій 7, що дозволяє повертати одну з радіальних перегородок пристрою випрямлення щодо напрямку потоку.

Звичайно діаметр умовного проходу турбінного лічильника вибирається меншим, чим діаметр трубопроводу, що вимагає застосування при установці лічильника перехідних конічних патрубків. Гідравлічний опір лічильників при номінальній витраті становить 2000.. .2500 Па.

Основна похибка швидкісних лічильників у діапазоні від найменшої витрати до 10...12% від найбільшої становить ±5% кількості пропущеної води. На всьому іншому діапазоні основна похибка дорівнює ±2%. Похибка приладів визначається шляхом порівняння їхніх показань із об'ємом води, що надійшла через лічильник у мірний бак установки. При розбіжностях показань величини у сторону збільшення виконується регулювання приладу шляхом зміни положення лопаті регулятора.

 

Анемометри

 

Для визначення швидкості потоку газу (повітря), особливо при малих її значеннях, коли через невеликий динамічний тиск вимірювання напірними трубками не забезпечує необхідної точності, знаходять застосування порівняно прості і чутливі прилади - анемометри, які придатні для вимірювання газових потоків, що перебувають під невеликим надлишковим тиском.

За допомогою анемометрів знаходиться швидкість газу в точці розташування приладу, а по значенню середньої швидкості потоку, можна судити про витрату вимірювального середовища. Анемометри застосовуються для визначення продуктивності повітродувних і повітровідвідних пристроїв, зокрема вентиляційних, а також мають велике поширення при метеорологічних вимірюваннях. Класифікуються анемометри по двох типах: механічні і електронні.

Механічний анемометр. Чутливим елементом анемометра є алюмінієва вертушка з декількома радіально розташованими лопатями, вісь якої зв'язана механічно із рахунковим пристроєм. У газовому потоці вертушка починає обертатися зі швидкістю, пропорційною швидкості потоку, завдяки тиску, надаваному газом на її лопаті.

Найбільше часто застосовується крильчастий анемометр, придатний для вимірювання швидкості потоку в межах 0,1... 10 м/с.

 

Рисунок 6.7 -Крильчастий анемометр

 

Цей прилад (рис.6.7) являє собою металеве кільце 1, усередині якого на горизонтальній осі закріплена крильчатка 2 з лопатями, що розташовані на спицях під 45° до площини, перпендикулярній осі крильчатки. При вимірюванні анемометр розташовується так, щоб вісь крильчатки була паралельна напрямку потоку, що проходить через кільце. За допомогою черв'ячної пари і осі 3 обертання крильчатки передається рахунковому пристрою 4, закріпленому на зовнішній бічній стороні кільця.

Рахунковий пристрій приладу показує кількість поділок, відлічених по шкалі 4, що включається і вимикається одночасно з початком і кінцем роботи анемометра. На підставі середньої частоти обертання лопатів, одержуваної шляхом розподілу показань анемометра на час його роботи, знаходиться дійсна швидкість вимірювального потоку по прикладеному до приладу паспорту.

У випадку вимірювання витрати газу в круглому трубопроводі діаметр останнього повинен рівнятися не менше чим шести діаметрам кільця анемометра. Анемометри непридатні для вимірювання швидкості різко пульсуючого потоку. Тривалість окремого вимірювання становить 1,5... 2 хв. У кожному новому положенні приладу виконується декілька відрахувань показань рахункового пристрою і секундоміра, по яких потім визначається середня швидкість.

Відхилення площини обертання лопат крильчатки від напрямку потоку в межах до ±10° дає незначне зменшення показань анемометра (не більше 1%). Подальше збільшення кута відхилення приводить до різкого зростання похибки вимірювання.

Крім підсумовуючих застосовуються також анемометри що показують, з насадженим на вісь вертушки ротором мініатюрного генератора змінного струму. Залежно від частоти її обертання змінюється вироблювана генератором напруга, що виміряється мілівольтметром, градуйованим у м/с.

Об'ємні лічильники витрати

Принцип дії об'ємних лічильників заснований на відмірюванні певного об'єму речовини, який проходить через прилад і підсумовування результатів цього вимірювання. До числа таких пристроїв відносяться: мірні баки, об'ємні лічильники. Мірний бак є найбільш простим і точним вимірювальним пристроєм, застосовуваним для визначення кількості рідини при перевірці витратомірів і лічильників, а також при випробуваннях відповідних установок.

 

Рисунок 6.8 - Мірний бак

 

Схема мірних баків показана на рис.6.8. Пристрій складається зі спарених мірних баків 1 і 2 прямокутного, постійного по висоті перетину (іноді застосовуються два окремих циліндричних або прямокутних баки) і збірного бака 3. Усередині мірних баків розташовані заспокоювачі 4 і 5 у вигляді патрубків з більшим числом отворів у стінках. Обоє мірних бака постачені вказівними скляними трубками 6 і 7, поруч із якими встановлені циферблати 8 і 9 з міліметровими шкалами. Вимірювана рідина, що надходить по трубопроводу 10, направляється по черзі в кожний з мірних баків за допомогою перекидного пристрою 11. Для зливу рідини з мірних баків у збірний служать зливальні патрубки із запірними клапанами 12 і 13. Кожний мірний бак попередньо градирується, тобто визначається залежність між висотою рівня рідини у вказівному склі і внутрішньому об'ємі бака. Об'ємні лічильники мають мірні камери зі стінками, що переміщаються, і які витісняють вимірювальний об'єм рідини, звільняючи камеру для наступної порції. До об'ємних лічильників зазначеного типу відносяться: однопоршневі, багатопоршневі, кільцеві, з овальними шестірнями, ротаційні, сухі газові, мокрі газові і дискові. Лічильники з овальними шестірнями застосовуються для вимірювання кількості рідини в широкому діапазоні в'язкості (до 300-10-6 м2/с). Дія їх (рис.6.9) заснована на відмірюванні (витисненні) певних обсягів рідини, які утворюються між стінками вимірювальної камери 1 і овальними шестірнями 2 і 3, при обертанні останніх під впливом різниці тисків вимірювальної рідини до і після лічильника.

 

Рисунок 6.9 - Схема лічильника рідини з овальними шестернями

 

 

Овальні шестірні, що перебувають між собою в безперервному зачепленні, при обертанні обкатують одне одну. Залежно від положення шестірень кожна з них по черзі є ведучою і веденою. Розмір зазорів між шестірнями і стінками вимірювальної камери не перевищує 0,04-0,06 мм, внаслідок чого похибка вимірювання через перетікання через них рідини невелика. Кількість рідини, що пройшла через лічильник, розраховується по числу обертів однієї з його шестірень, зв'язаної з рахунковим стрілочно-роликовим покажчиком. У підсумку за один оберт через лічильник проходить об'єм рідини, рівний чотирьом об'ємам мірних камер, які перекачують рідину. Вісь однієї із шестірень обертає рахунковий механізм, розташований поза корпусом приладу. Лічильники рідини з овальними шестірнями призначені для установки в горизонтальних трубопроводах, причому осі обертання шестірень розташовуються горизонтально, а круговий циферблат - вертикально нульовою оцінкою шкали вгорі (на рис.6.9 не показаний).

Випускаються лічильники рідини з овальними шестірнями різних типів, призначених для вимірювання кількості рідкого палива (бензину, керосину, дизельного палива і ін.). У цих лічильниках зв'язок між овальною шестірнею і рахунковим покажчиком здійснюється за допомогою осі, що виходить із вимірювальної камери через сальник, або за допомогою магнітної муфти.

Межі зміни в'язкості вимірювального середовища 0,7-10 — 60-10 м /с. Гідравлічний опір лічильників при найбільшій витраті 0,05 МПа. Клас точності приладів 0,5. Перевірка лічильників рідини з овальними шестірнями проводиться за допомогою мірних баків на спеціальних дослідних установках.

Ротаційні лічильники газу в основному застосовуються для вимірювання кількості горючих газів, принцип дії яких той же, що і лічильників рідини з овальними шестірнями.

 

 

Рисунок 6.10 - Схема ротаційного лічильника

 

Ротаційний лічильник (рис.6.10) містить вимірювальну камеру 1, у якій розташовані широкі обертові лопаті 2 і 3 у формі вісімки, які приводяться у рух різницею тисків газу, що проходить через лічильник. Прилад має рахунковий пристрій з роликовим покажчиком, з'єднаний з однією з лопастів за допомогою магнітної муфти або за допомогою вихідної осі, пропущеної через сальник. Для контролю за роботою лічильника в нього вбудований водяний дифманометр, що вимірює перепад тиску газу в приладі (рахунковий пристрій і дифманометр на рис.6.10 не показані).

Установка ротаційних лічильників виконується на вертикальних ділянках трубопроводів зі спадним потоком газу. У вхідному патрубку лічильника є сітчастий фільтр для очищення газу від механічних домішок.

Прилади розраховані на робочий тиск газу 0,1 МПа і температуру 0...50°С. Гідравлічний опір їх при номінальній витраті 300 Па. Основна похибка лічильників при витраті 10...20% номінального ±2% і вище - ±(1...1,5)%. Лічильники допускають роботу при найбільшій витраті газу протягом 6 годин у добу.

 

 

Витратоміри обтікання (ротаметри)

 

Витратоміри обтікання відносяться до великої групи витратомірів, називаних також витратомірами постійного перепаду тиску або ротаметрами. У цих витратомірах обтічне тіло (поплавець, поршень, поворотний клапан, пластинка, кулька і ін.) сприймає з боку потоку, що набігає, силовий вплив, який при зростанні витрати збільшується і переміщає обтічне тіло, у результаті чого сила, яка переміщає, зменшується і знову врівноважується протидіючою силою. Протидіючою силою служить вага обтічного тіла при русі потоку вертикально знизу нагору або сила протидіючої пружини у випадку довільного напрямку потоку. Вихідним сигналом розглянутих перетворювачів витрати служить переміщення обтічного тіла. На рис.6.11 наведені принципові схеми перетворювальних елементів витратомірів обтікання, що отримали найбільше розповсюдження.

У відповідності зі схемою в конічній трубці 1 розміщений поплавець 2, при підйомі якого нагору під дією потоку збільшується площа прохідного кільця між поплавцем і стінкою конічної трубки, що приводить до зменшення сили, створюваної потоком, яка діє на поплавець. Речовина, протікаючи через прорізи, надає поплавцю обертання, і він центрується в середині потоку. При рівновазі сил, які діють на поплавець, він установлюється на висоті, що відповідає вимірюваному значенню витрати. Аналогічно збільшується кільцевий перетин між конічним клапаном 2 і циліндричним сідлом 1 (рис.6.11,б). У схемі рис.6.11,в при підйомі поршня 1 збільшується площа вихідного бічного отвору 3 у стінці циліндра 2.

Витратоміри обтікання, які застосовуються для вимірювання витрати рідин і газів, мають кілька різновидів. Найпоширеніші з них наведені на рис.6.12.

У ротаметрах зі скляною конічною трубкою 1 (рис.6.12,а), призначених для вимірювання газів або прозорих рідин, шкала 4 нанесена безпосередньо на зовнішній поверхні скла. Покажчиком служить верхня горизонтальна площина обертового поплавця 2. На нижньому патрубку є сідло, на яке опускається поплавець при нульовій витраті речовини. На верхньому патрубку є обмежник ходу поплавця 3.

Для вимірювання витратинепрозорих рідин (рис.6.12,б) застосовують циліндричну скляну трубку 3 і циліндричний поплавець 1 з отвором посередині, через який проходить нерухомий стрижень 2 конічного перетину.

Рисунок 6.12 - Конструктивні схеми ротаметрів

 

При переміщенні уздовж трубки 1 поплавець одночасно обертається, а кільцевий змінний отвір для потоку створюється між поплавцем і стрижнем 2. Ротаметри зі скляними трубками виготовляють на максимальний тиск 0,6 МПа.

Для вимірювання витрати газів і рідин на технологічних потоках застосовуються ротаметри, постачені передавальними перетворювальними елементами з електричним (рис.6.12,в) або пневматичним вихідним сигналом.

Ротаметр, показаний на рис.6.12,в, складається з металевого корпусу 3, усередині якого при зміні витрати переміщається обтічне тіло — клапан 1 конічного профілю. Між робочою поверхнею клапана 1 і кільцевою діафрагмою 2 створюється змінний прохідний отвір. Із клапаном 1 за допомогою штока 4 зв'язаний сердечник 5 диференційно-трансформаторного перетворювального елемента 7, катушка якого намотана на трубку 6 з немагнітної сталі. Клас точності цих ротаметрів у комплекті із вторинним приладом - 2,5.

У поршневому витратомірі постійного перепаду тиску (рис.6.12,в) маса поршня 2 з вантажами 1 і штока із сердечником 3 урівноважується перепадом тиску до і після вихідного прямокутного отвору 6 у бічній стінці циліндра. Передавальний перетворювач тут виконаний у вигляді сердечника 3 з м'якої сталі, що переміщається усередині немагнітної трубки, на якій установлена індукційна катушка 4. Чим більше витрата речовини, тим вище піднімається поршень і відкривається прохідний перетин у бічній стінці. Тиск за отвором 6 через канал 5 передається у верхню частину поршня. Таким чином, перепад тиску на отворі і на поршні той самий. Цей перепад створює підйомну силу поршня, що врівноважується вагою рухливої системи. Змінюючи вагу рухливої системи за допомогою змінних вантажів 1, змінюють межу вимірювання витратоміра.

 

Електромагнітні (індукційні) витратоміри

 

Розглянуті вище методи вимірювання витрати і кількості речовини характеризуються тим, що чутливий елемент приладу перебуває безпосередньо у вимірювальному середовищі, тобто піддається механічному і хімічному її впливу і спричиняє втрату тиску потоку. Безперервна дія вимірювального середовища на чутливий елемент робить із часом негативний вплив на точність, надійність і термін служби приладу.

Для вимірювання витрати хімічно агресивних (кислоти, луги), абразивних (пульпи) і інших рідин, які пошкоджують матеріал дотичних з ними частин витратоміра, описані вище методи і прилади взагалі непридатні.

Існує ряд приладів для вимірювання витрати рідини, чутливий елемент яких не має безпосереднього з нею контакту, що дозволяє застосовувати їх при агресивних середовищах. До числа таких приладів відносяться електромагнітні (індукційні) витратоміри,

Електромагнітні витратоміри застосовуються для вимірювання витрати електропровідних рідин. Застосовуються для вимірювання в трубопроводах об'ємної витрати водопровідної води, різних розчинів (солей, кислот), пульп, розплавлених металів і інших електропровідних рідин, електрична провідність яких повинна бути не менше електропровідності водопровідної води.

Таким чином, електромагнітний витратомір являє собою невеликий гідродинамічний генератор змінного струму, що виробляє е.р.с., пропорційну середньої швидкості потоку, а отже, і витраті рідини.

Вимір витрати рідини електромагнітним методом здійснюється при використанні як постійного магніту, так і магніту зі змінним магнітним полем. Зазначені способи створення магнітного поля мають свої позитивні і негативні сторони.

Схема електромагнітного витратоміра з постійним магнітним полем зображена на рис.6.13, а. Корпус 1- це відрізок труби, виконаний з немагнітного матеріалу і покритий зсередини електричною ізоляцією (гумою, емаллю, фторопластом і ін.), розташований між полюсами магніту 2. Магнітні силові лінії спрямовані перпендикулярно вектору швидкості руху рідини. Через стінку труби ізольовано від неї введені електроди 3, які перебувають у контакті з рідиною. Вся інформація надходить у вимірювальний пристрій 4.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 6.13 - Схема електромагнітного витратоміра а) – з постійним магнітним полем; б) – зі змінним магнітним полем.

 

Перевагою електромагнітних витратомірів з постійним магнітним

полем є те, що значно зменшується проблема, пов'язана з перешкодами від зовнішніх змінних електромагнітних полів, особливо при застосуванні в промислових умовах, де працюють електромотори, магнітні крани, трансформатори і інше електротехнічне устаткування. До числа переваг таких витратомірів варто віднести відсутність необхідності в джерелі живлення чутливих елементів, тобто самих електродів, розташованих на трубопроводі, що забезпечує безпеку його роботи і ряд інших факторів.

Основним недоліком магнітних витратомірів з постійним магнітним полем є поляризація електродів, тобто виникнення у позитивного електрода негативних іонів, а у негативного електрода позитивних іонів. Тому електромагнітні витратоміри з постійним магнітним полем не застосовуються для рідин з іонною провідністю (кислоти, солі, водяні розчини різних речовин і ін.). Такі витратоміри набули застосування для вимірювання витрати рідких середовищ із електронною провідністю, до яких відносяться розплавлені рідкі метали (натрій, ртуть, залізовуглецеві розплави і ін.) і у яких відсутнє явище поляризації. Можливе застосування таких витратомірів - атомні реактори з розплавленим металевим теплоносієм, плавильні і ливарні агрегати на металургійних заводах і ін.

Для вимірювання витрати середовищ із іонною провідністю застосовуються витратоміри зі змінним магнітним полем, створюваним електромагнітом (рис.6.13, б). При досить високій частоті електромагнітного поля поляризація електродів практично відсутня.

Електромагнітні витратоміри різних модифікацій мають вбудований у вимірювальний блок мікропроцесорний пристрій, що обробляє інформацію від датчика витрати, встановленого на трубопроводі, реєструє значення миттєвої витрати і кількості за певний проміжок часу, має можливість передачі даних на ЕОМ по інтерфейсу і інші операції.

Електромагнітні витратоміри, які мають клас точності 0,5...1,0, застосовуються на трубопроводах практично будь-яких діаметрів без обмеження верхньої межі по витраті. Їх показання не залежать від в'язкості і щільності середовища. Датчик витрати (чутливий елемент), практично безінерційний, перебуває поза середовищем, що рухається, і, таким чином, не створює втрати тиску. Витратоміри, які використовують такий принцип вимірювання, знаходять застосування для вимірювання витрати агресивних, абразивних і в'язких рідин і пульп, розплавлених металів, тобто в тих випадках, коли застосування витратомірів інших типів неприйнятне.

Переваги електромагнітних витратомірів:

незалежність показань від в'язкості і густини вимірювального середовища;

можливість застосування в трубах будь-якого діаметра;

відсутність втрат тиску в потоці;

необхідність у менших довжинах прямих ділянок труб;

висока швидкодія.

До основних недоліків електромагнітних витратомірів можна віднести:

непридатні для вимірювання витрати газу і пари;

непридатні для вимірювання витрати рідин-діелектриків (спирт, нафтопродукти і т.п)

 

Теплові витратоміри

 

Принцип дії теплових витратомірів заснований на нагріванні потоку речовини і вимірюванні різниці температур до і після нагрівача (калориметричні витратоміри) або на вимірюванні температури нагрітого тіла, яке поміщене в потік (термоанемометричні витратоміри). Останні не мають самостійного застосування в технологічних вимірюваннях.

Схема калориметричного витратоміра показана на рис.6.15. У трубопроводі 1 встановлений нагрівач потоку 3, на рівних відстанях від центра нагрівача — термоперетворювачі 2 і 4 (при цьому нагрівання їх від випромінювання однаковий), що вимірюють температуру потоку до і1 і після нагрівання ї2.

Для нерухомого середовища розподіл температури в ній симетрично щодо осі нагрівача і тому різниця температур Аґ=ґ1-ґ2=0. При деякій малій швидкості потоку розподіл температури несиметричний і трохи зміщається по потоку. У місці термоперетворювача 2 температура падає внаслідок надходження холодної речовини, а в місці термоперетворювача 4 температура ї2 або трохи зростає, або ж не змінюється, внаслідок чого при малих витратах Аї збільшується з ростом витрати. При подальшому збільшенні витрати при постійній потужності нагрівача ї2 стане зменшуватися, у той час як ї1 практично постійна, тобто буде зменшуватися Аї. Таким чином, при більших витратах різниця температур Аї обернено пропорційна витраті.

Як перетворювачі температури в калориметричних витратомірах можуть бути використані різні термоприймачі (термоелектричні перетворювачі, термоперетворювачі опору і ін.). Термоперетворювачі опору характеризуються тою перевагою, що їх можна виконувати у вигляді рівномірної сітки, що перекриває весь перетин, і в такий спосіб вимірювати середню по перетину температуру.

Калориметричні витратоміри, що градируються індивідуально, мають класи точності 0,5...1. Калориметричні витратоміри в основному застосовують для вимірювання малих витрат чистих газів. Для вимірювання витрати рідин калориметричні витратоміри не знайшли практичного застосування через велику споживану потужність. Основна і важлива перевага калориметричних витратомірів полягає в тому, що вони забезпечують вимірювання масової витрати газу без вимірювання його параметрів стану (тиск, температура, густина).

Пошуки підвищення експлуатаційної надійності калориметричних витратомірів привели до створення теплових витратомірів, у яких нагрівач і термоперетворювачі розміщають на зовнішній стінці труби, і передача теплоти до потоку здійснюється через стінку труби і далі - через прикордонний прошарок.

 

Ультразвукові витратоміри

 

Розглянуті вище методи вимірювання витрати мають важливий недолік, пов'язаний з тим, що чутливі елементи (діафрагма, сопло, напірна трубка) перебувають безпосередньо у потоці, і піддаються впливу середовища на конструктивні частини чутливого елемента. З іншого боку, самі чутливі елементи, перебуваючи в потоці, впливають на його аеродинамічні характеристики, що приводить до появи додаткової похибки вимірювання.

Останнім часом почали широко застосовуватися методи вимірювання витрати, у яких чутливі елементи перебувають поза середовищем, що рухається, це дозволяє розширити кількість видів обмірюваних середовищ (розплавлені метали, кислоти, луги, агресивні і токсичні рідини і гази і ін.). В одному з таких методів вимірювання витрати використовується ультразвукова хвиля, що подає інформацію про швидкість і витрату середовища, що рухається, у закритих і відкритих каналах.

В ультразвукових витратомірах використовуються різні ефекти, пов'язані із проходженням ультразвуку через середовище, що рухається: зміна швидкості ультразвуку в поздовжньому напрямку потоку; відхилення ультразвукової хвилі при поперечному проходженні в потоці; ефект Доплера і ін.

Найбільше поширення одержав метод вимірювання витрати, заснований на вимірюванні різниці часів проходження ультразвуку по напрямку і проти напрямку потоку середовища.

Показання частотного витратоміра не залежить від швидкості проходження ультразвуку в середовищі, що є важливою перевагою такого методу вимірювання витрати рідких і газоподібних середовищ.

В інших типах витратомірів ультразвукова хвиля направляється перпендикулярно осі труби і по величині відхилення ультразвукової хвилі від перпендикуляра визначається витрата або середня швидкість потоку. У міру збільшення середньої швидкості потоку V напрямок ультразвукового сигналу зі швидкістю з усе більше відхиляється по напрямку швидкості потоку.

У фазових ультразвукових витратомірах використовується ефект Доплера, тобто вимірюється різниця фаз ультразвукових коливань, які розповсюджуються по потоку і проти нього. Недоліком таких витратомірів також є залежність показань від зміни швидкості ультразвуку в середовищі.

Розроблені різні модифікації ультразвукових час-імпульсних і доплеровських (фазових) витратомірів, які застосовуються в нафтовій, металургійній, хімічній і інших областях промисловості для вимірювання витрати мазуту, нафти, нафтопродуктів і інших рідин, у тому числі середовищ, забруднених твердими і газоподібними включеннями. Перевагою таких витратомірів є широкий діапазон вимірювальних витрат від 0,45 до 110000 м3/год для трубопроводів діаметром від 40 до 1800 мм із похибкою вимірювання не більше 2%.

Сучасні ультразвукові витратоміри комплектуються вбудованими мікропроцесорами, які забезпечують обробку інформації, що надходить від датчиків, вимірювання і індикація витрати середовища (за годину, добу, місяць), виготовлення уніфікованого струмового сигналу при використанні системи автоматичного регулювання, введення необхідних коригувальних і керуючих команд і ін.

На практиці одержали розповсюдження і переносні ультразвукові витратоміри, які мають такі ж метрологічні характеристики, як і стаціонарні. У комплект приладу входить безпосередньо витратомір, портативна ЕОМ, багатофункціональний блок живлення з вбудованим акумулятором, монтажні пристрої для швидкого і правильного розташування датчиків на поверхні трубопроводу. Такі прилади використовуються для оперативного контролю витрати обраного типу середовища на різних ділянках трубопроводів, які мають різний діаметр і товщину стінки.

Ультразвукові витратоміри є найбільш перспективними приладами для вимірювання витрати різних рідких і газоподібних середовищ. Найбільшу точність вимірювання показують одноканальні ультразвукові витратоміри з врізаними датчиками, похибка яких не перевищує 0,3%.

 

Силові витратоміри

 

Ці витратоміри засновані на залежності від масової витрати ефекту силового впливу, який придає потоку прискорення того або іншого роду. Таке прискорення виникає в процесі надання потоку якого-небудь руху (наприклад, закручування).

Додаткове прискорення пропорційно масовій витраті. Тому силові витратоміри вимірюють масову витрату, що є їхньою істотною перевагою. Крім того, завдяки малій залежності від профілю швидкостей, у них немає жорстких вимог до прямої ділянки труби перед перетворювачем витрати.

Силові витратоміри знаходять застосування для вимірювання витрати як однофазних, так і двофазних середовищ, сипучих речовин і пульпових матеріалів (наприклад, шламу).

У всіх останніх випадках знайшли застосування тільки кориолісові силові витратоміри. Турбосилові витратоміри, досить зручні для вимірювання, витрати однофазних середовищ, не придатні для двофазних, тому що при закручуванні потоку відбувається сепарація фаз під впливом відцентрової сили. Це порушує рівномірний розподіл фаз по перетину і змінює величину вимірювального моменту. У кориолісових витратомірів вимірювальна речовина рухається перпендикулярно, а не паралельно осі обертання потоку.

 

 

 

Ваговий метод вимірювання витрати сипучих середовищ

 

Ваговий метод вимірювання масової витрати сипучої речовини полягає в періодичному або безперервному вимірюванні сили ваги, створюваної вагою окремих порцій або ділянок потоку сипучої речовини.

Витратоміри, що реалізують цей принцип вимірювання, є автоматичними вагами. Останні розділяються на дві великі групи: ковшові і конвеєрні. Перші є витратомірами періодичної дії. Вони вимірюють вагу послідовних порцій маси сипучої речовини. Другі - безперервної дії. Вони вимірюють вагу маси сипучої речовини, що перебуває на тій ділянці конвеєра, що рухається, яка проходить у цей момент над пристроєм для вимірювання ваги.

Вимірювання витрати багатофазних середовищ. Загальна характеристика багатофазних потоків

Багатофазні потоки дуже широко поширені. Навіть звичайні потоки рідини, газу або пари, що течуть у трубах і які приймаються за однофазні, насправді в дуже багатьох випадках містять тією чи іншою мірою домішки іншої фази. Так, разом з газом звичайно рухається в невеликій кількості вода, що конденсується при зниженні температури з водяного пару. Водяні ж потоки нерідко містять повітря, що захоплює цим потоком. Однак, при вимірюванні витрати подібних середовищ особливих труднощів не виникає і їх при цьому можна розглядати як однофазні.

Інше положення спостерігається при вимірюванні витрати дійсно багатофазних середовищ. Тут нерідко виникають дуже великі труднощі, що залежать як від роду цих середовищ, так і від процентного вмісту окремих фаз, а також характеру їхнього розподілу в потоці. Багатофазні середовища розділяються на дво- і трифазні. Перші залежно від роду фаз можуть бути трьох, типів: суміш рідини і твердої фази, суміш газу і твердої фази і суміш рідини з газом або парою.

Особливо часто зустрічаються двофазні середовища першого типу. Вони мають місце при гідротранспорті всіляких твердих і волокнистих речовин. Іноді гідросуміші називають пульпами: металургійної, кам'яновугільної, целюлозно-паперової і т.д. Властивості гідросумішей визначаються концентрацією, гранулометричним складом і властивостями твердої фази.

Прикладом двофазного середовища, що представляє суміш твердої і газоподібної фаз, є пиловугільне паливо. Вугілля, попередньо розмелене до порошкоподібного стану, захоплюється повітряним потоком, створюваним повітродувкою, і подається в топку парового казана. Подібні ж двофазні суміші мають місце при пневмотранспорті борошна, цементу і інших речовин.

Дуже важливе значення в техніці має третій тип двофазних середовищ, а саме суміші рідини з газом або парою. Нафта зі свердловини завжди надходить із газом. При цьому виникає досить важливе завдання вимірювання витрати двофазних нафтогазових сумішей. Крім того, у багатьох технологічних процесах, наприклад при сушінні, а також в опалювальних системах широко застосовується волога насичена пара. Вимірювання її витрати також є актуальним завданням.

У ряді випадків виникає необхідність вимірювання витрати трифазної або трикомпонентної суміші. Так, у багатьох гідросумішах поряд із твердою і рідкою фазами є ще і газова фаза - повітря. Подібні речовини називають газованими пульпами. Продукт вихідний з нафтових свердловин, як правило, складається не тільки з нафти і газу, але і супутньої їм води, тобто є трикомпонентним.

 

Структури багатофазних потоків

 

Структури потоків, що є сумішшю рідини з газом або парою, досить різноманітні. Ця розмаїтість залежить від процентного вмісту тієї або іншої фази, а також від швидкості потоку і у деяких випадках від розташування трубопроводу в просторі і від його діаметра.

Якщо концентрація однієї з фаз мала, то маємо дисперсну структуру, при якій краплі рідини (або пухирці газу) порівняно рівномірно розподілені в парі (або рідини відповідно). Подібну структуру іноді називають краплинною.

Зі збільшенням змісту рідини в парі (газі) починає утворюватися розшарування або роздільний потік, характер якого залежить від розташування труби. При вертикальному положенні труби рідина поступово розташовується у вигляді кільцевого шару уздовж стінок, а в середній частині ще зберігається краплинна структура. Ця перехідна форма потоку називається дисперсійно-кільцева. При подальшому збільшенні частки рідини в суміші наступає повністю розшарований потік, що у вертикальній трубі має кільцеву структуру (рис.6.18,г). При цьому кільцевий шар рідини стає все товстіше, а центральна стрижнева частина заповнена один паром (газом). У похилих і горизонтальних трубах при розшарованому потоці немає кільцевого шару рідини. Остання під дією сили ваги опускається вниз і рухається по нижній частині трубопроводу, у той час як пара або газ переміщаються по його верхній частині.

Зі збільшенням швидкості потоку і одночасному зростанні частки рідини на поверхні розділу фаз починають виникати хвильові гребені. Це має місце як у вертикальних, так і в горизонтальних трубах. Хвильові гребені ростуть зі збільшенням швидкості і починають розсікати на окремі частини безперервний потік пари або газу, що рухається в центрі вертикальної труби або у верхній частині горизонтального каналу. Так виникає пробкова або снарядна структура потоку, При такій структурі пар або газ переміщується у вигляді окремих пробок, які ростуть і стискуються в процесі руху, перекриваючи собою повністю або частково поперечний переріз каналу.

У міру подальшого росту частки рідини в потоці газові пробки зменшуються в розмірі і поряд з ними вже рухаються дрібні газові пухирці. Подібна структура при ще більшому зменшенні частки газу переходить у пузиркову структуру. У вертикальній трубі ці пухирці рівномірно розподілені по її перетині, а в горизонтальній або похилій вони рухаються у верхній частині труби.

Найпоширенішої в промислових трубопроводах є пробкова структура газорідинного потоку. При такій структурі може виникнути припущення, що швидкість обох фазоднакова. Насправді, внаслідок хвильового характеру руху, при якому швидкість поширення хвилі дорівнює середньої швидкості газу, останній переміщається в западинах хвиль,що утворяться в рідинних пробках. У результаті середня швидкість газової фази при пробковій структурі виявляється більше середньої швидкості рідини. Помітимо, що коркова структура може супроводжуватися великомасштабними пульсаціями швидкості, тиски і концентрації фаз.

Розглянуті структури газорідинного потоку можуть бути у відомій мірі поширені і на інші двофазні потоки, що є сумішшю газу або рідини із твердою фазою. Але, при цьому треба враховувати ступінь дисперсності і однорідності твердої фази, а також форму і розмір твердих часток.

Під впливом гравітаційних сил у горизонтальних трубах зростає концентрація твердої фази в нижній частині труби в порівнянні з верхньою тим більше, чим крупніше розмір твердих часток. Це порушує осьову симетрію профілю швидкостей, характерну для сталого однофазного потоку, тому що швидкість суміші в нижній частині труби зменшується в порівнянні з верхньою. У вертикальних трубах цього немає. У розглянутих потоках зустрічаються як дисперсний, так і розшарований режими потоку. При останньому режимі в горизонтальних трубах, коли рідина протікає над шаром твердих часток, можливе утворення хвиль або дюн, що переміщаються в напрямку руху потоку. При цьому концентрація твердої фази періодично змінюється уздовж труби. Зустрічаються і агрегативні потоки, коли частки прагнуть до утворення конгломератів або пластівців, або ж коли більше легкий компонент - газ утворить пухирці, не утримуючих твердих часток.

 

Загальна характеристика методів вимірювання витрати багатофазних середовищ

 

Багатофазні і багатокомпонентні середовища відрізняються дуже більшою розмаїтістю, що залежить, насамперед, від роду окремих фаз і компонентів, а потім від ступеня їхньої дисперсності і характеру розподілу в суміші, причому на останнє впливає величина середньої швидкості потоку і розташування трубопроводу: горизонтальне, вертикальне або похиле (під кутом). Далі досить істотним для потоку багатофазної речовини є різниця швидкостей між окремими фазами. Більше легка фаза, як правило, випереджає у своєму русі більше важку. Це викликає необхідність розрізняти істинні і витратні концентрації фаз, а також істинна і витратна щільність суміші. Все сказане створює додаткові труднощі при вимірюванні витрати багатофазних середовищ у порівнянні з однофазними. Проте, у цей час є можливість вимірювати витрату як більшості багатофазних середовищ, так і витрату того або іншого компонента або фази (наприклад, твердої фази при гідро- або пневмотранспорті).

Застосовувані для цих вимірювань методи і прилади можуть бути розділені на три групи.

До першої групи відносяться різні методи і засоби, розроблені для вимірювання витрати однофазних середовищ. У деяких випадках ці засоби застосовуються без усякої зміни, наприклад витратоміри змінного рівня, у яких здійснюється розподіл рідкої і газоподібної фаз. Але в більшості випадків буває необхідно враховувати специфіку вимірювальної двофазної речовини. Наприклад, у витратомірах із звужуючими пристроями при вимірюванні гідросумішей застосовуються тільки труби Вентурі, причому зі змінною горловиною, виконаної зі зносостійкого матеріалу, а при вимірюванні витрати вологої пари лише діафрагми, що практично не реагують на присутність важкого компонента - вологи. Те ж ставиться і до силових витратомірів, з яких для двофазних речовин знаходять застосування лише кориолісові витратоміри. Ці витратоміри зручні для вимірювання витрати пульп і шламів і в них немає сепарації фаз при вимірюванні витрати газорідинних сумішей.

До другої групи можна віднести методи, засновані на спільному застосуванні деяких витратомірів, наприклад електромагнітних або ультразвукових, розроблених для однофазних речовин і приладів, що служать для вимірювання щільності двофазного потоку, а в деяких випадках ще і приладів, що вимірюють концентрацію окремих компонентів. Ці методи застосовуються при вимірюванні витрати трифазних речовин, а також при гідро- і пневмотранспорті.

Третю групу становлять методи і прилади, розроблені спеціально або переважно, для вимірювання витрати багатофазних речовин. Таких методів поки ще небагато. До їхнього числа варто віднести насамперед флуктуаційний метод, придатний для вимірювання досить широкого кола різних двофазних і двокомпонентних потоків. У відомій мірі до цієї ж групи можуть бути віднесені вібраційні витратоміри, розроблені для вимірювання нафтогазових потоків.

Переходячи до оцінки досягнутої точності вимірювання багатофазних середовищ, варто сказати, що вона поки що досить обмежена. У більшості випадків відносна наведена похибка вимірювання становить ±(3...5)%, а в деяких випадках і більше, особливо, якщо мова йде про похибки вимірювання витрати окремо кожного з компонентів багатофазного потоку.

Вимірювання двофазних потоків витратомірами змінного перепаду тиску

Для вимірювання витрати однофазних потоків саме широке розповсюдження одержали витратоміри змінного перепаду тиску із звужуючими пристроями як перетворювачі витрати. Тому природно, що при вирішенні проблеми вимірювання витрати багатофазних речовин, нерідко прибігали і прибігають до витратомірів цього ж типу.

При проході двофазного середовища через звужуючий пристрій фаза, що має більшу щільність, тобто більше важка, прискорюється в звужуючій частині пристрою повільніше, ніж більше легка, внаслідок дії сил інерції. Прискорення важкої фази в порівнянні з легкою буде тим сильніше, чим більше різниця густини фаз. Цей процес супроводжується збільшенням концентрації важкої фази. При подальшому розширенні потоку швидкості кожної з фаз, постійно зменшуючись, повертаються до первісного значення. Одночасно до вихідного значення повертається і концентрація важкої фази. Звідси можна зробити висновок про те, що чим коротше осьова довжина тієї частини звужуючого пристрою, на якій відбувається прискорення потоку, тим менша частина потенційної енергії, або інакше, перепаду тиску витрачається на прискорення важкої фази. У діафрагми ця довжина мінімальна. Тому в таких середовищах, як пиловугільна суміш або волога насичена пара, що мають більшу різницю густини важкої і легкої фаз і малу об'ємну концентрацію важкої фази, перепад тиску в діафрагмі майже цілком, або у всякому разі, в основній частині, буде витрачатися на прискорення легкої фази і практично не буде реагувати на присутність важкої фази. Отже, застосовувати діафрагму для вимірювання витрати твердої фракції (вугілля, цементу і інших), яка переноситься повітряним потоком, недоцільно. Для цих цілей найкраще підходить труба Вентурі, що має відносно більшу довжину тієї своєї частини, на якій відбувається звуження потоку. Сопло ж займає проміжне положення між діафрагмою і трубою Вентурі. Але для вимірювання витрати легкої фази вологої пари діафрагма саме є підходящим пристроєм. Вона буде реагувати на суху частину вологої пари, що і становить основний інтерес.

 

 

Вимір витрати суміші твердої і газоподібної фаз

 

У розглянутих сумішах тверда фаза у вигляді порошку диспергирована в повітрі. Прикладами подібних середовищ є пиловугільне паливо, цемент, борошно і ін. У подібного роду сумішах діафрагма може дати лише витрату повітря. Вона практично не буде реагувати на присутність у потоці твердої фази. Але остання буде впливати на перепад тиску в таких звужуючих пристроях, як труба Вентурі, сопло або сопло Вентурі. Дійсно, чим більше концентрація твердої фази в потоці, тим більше буде енергія, затрачувана на її прискорення в таких звужуючих пристроях, і, отже, тим більше буде перепад тиску в них. У горловині цих звужуючих пристроїв швидкість важкої фази значно відстає від швидкості легкої фази.

 

Вимірювання витрати суміші твердої і рідкої фаз

 

Метод змінного перепаду тиску нерідко застосовується для вимірювання витрати пульп (зокрема, вугільних) і різних гідросумішей (наприклад, водогрунтових, гідроторфу і ін.). При цьому для забезпечення надійності і справності роботи витратоміра треба:

Запобігати випадання твердої фази в мертвих зонах біля звужуючого пристрою.

Ураховувати можливість підвищеного зношування витратоміра.

Запобігати засмічення сполучних трубок, що передають перепад тиску до дифманометра. Перше завдання вирішується застосуванням у всіх випадках для вимірювання витрати пульп і гідросумішей як перетворювача витрати лише труби Вентурі, що не мають мертвих зон, у яких могли б випадати тверді опади. Для боротьби зі зношуванням доцільно в горловині труби Вентурі мати циліндричну вставку із твердого сплаву. Найпоширеніший метод для захисту сполучних трубок від засмічення складається в застосуванні гнучких розділових перегородок з гуми, поліетилену і інших матеріалів. На рис.6.21 показана труба Вентурі із гнучкими перегородками.

Змінну циліндричну вставку 8 зі зносостійкого матеріалу, що охоплює не тільки горло труби, але і прилягаючі ділянки вхідного і вихідного конусів, які піддаються посиленому зношування. Зносостійка вставка в багато разів подовжує термін служби витратоміра. Для можливості її заміни труба Вентурі виготовлена із двох рознімних частин 1 і 7. Відбір тиску робиться у верхній частині через патрубки 2, внутрішні діаметри яких не менше 20 мм. На цих патрубках змонтовані циліндричні посудини 3, закриті кришками 5, прикріпленими до фланців 6. На кришках укріплені тонкостінні гумові мішки 4 циліндричної форми, що відокремлюють пульпу від води, якою заповнені сполучні трубки. Якщо буде потреба, до посудин 3 для їхнього промивання може бути підведена водяна лінія.

 

Вимірювання об'ємної витрати або швидкості двофазної суміші з корекцією на концентрацію компонентів

 

Одночасне вимірювання середньої швидкості або об'ємної витрати потоку разом з вимірюванням його щільності дозволяє одержати масову витрату для однофазних, а також для двокомпонентних середовищ, якщо обидва компоненти суміші перебувають в одній фазі.

Для двофазних середовищ положення ускладнюється звичайно у розходженні швидкостей окремих фаз. Це розходження тим більше, чим сильніше відрізняється густина фаз одна від одної, а при наявності твердої фази воно залежить ще і від ступеня її дисперсності. Але, навіть у пульпах, де густина твердої і рідкої фаз відрізняються порівняно незначно, різниця швидкостей досягає значної величини.

Недостатньо точне знання співвідношення швидкостей окремих фаз буде джерелом похибки при вимірюванні загальної масової витрати суміші.

Якщо ж метою вимірювання є лише масова витрата твердого компонента, що транспортується водою або повітрям, то замість вимірювання середньої швидкості потоку варто вимірювати середню швидкість твердої фази.

Для вимірювання щільності у двофазних витратомірах застосовуються всілякі методи і прилади: гравіметричні; гідростатичні, іонізаційні, ультразвукові, діелькометричні (ємнісні), кондуктометричні, вібраційні, трибоелектричні і ін. Більше обмежений вибір приладів для вимірювання об'ємної витрати або швидкості. Так, наприклад, широко застосовувані в однофазних середовищах турбінні витратоміри непридатні по міркуваннях міцності, якщо однією з компонентів є тверда фаза. Практичне застосування знайшли, головним чином, електромагнітні, ультразвукові, змінного перепаду і кореляційні витратоміри. Важливою перевагою останніх є те, що вони при наявності твердої фази контролюють саме її швидкість руху.

 

Загальна характеристика вимірювання витрати трифазних і трикомпонентних речовин

 

На практиці нерідко виникає необхідність вимірювання витрати як трифазних, так і трикомпонентних речовин. Насамперед така необхідність виникає при гідротранспорті кускових і зернистих сипучих матеріалів. На похибку вимірювання витрати буде впливати ковзання між окремими фазами, обумовлене нерівністю їхніх швидкостей. Як правило, швидкість твердої фази менше швидкості рідини, а швидкість останньої звичайно буває менше швидкості газу. Зі збільшенням розміру твердих часток різниця між швидкостями зростає.

Вимірювання витрати трифазної і трикомпонентної сумішей є досить складним завданням і вимагає застосування принаймні трьох вимірювальних приладів або перетворювачів, а також обчислювального пристрою або схеми корекції. Є пропозиції вимірювати витрати окремих компонентів трифазних або трикомпонентних речовин за допомогою трьох витратомірів, що характеризуються різними властивостями, а також за допомогою обчислювального пристрою, який визначає на основі показань цих приладів витрати окремих компонентів. Такий метод вимірювання в зазначених роботах названий методом специфічних потоків. Так, наприклад, контроль трикомпонентного потоку, що складається з нафти, газу і води, можна здійснити за допомогою трьох витратомірів або трьох перетворювачів витрати: силового (кориолісового типу), що реагує на загальну масову витрату потоку; камерного (наприклад шестерного), що реагує на загальну об'ємну витрату, і калориметричного, реагуючого на загальну теплову витрату.