Сужающее устройство расходомера является    первичным    измерительным преобразователем расхода, в котором в результате сужения сечения потока из­меряемой среды (жидкости, газа, пара) образуется перепад   (разность) давле­ния, зависящий от расхода. В качестве стандартных (нормализованных) сужа­ющих устройств применяются измерительные    диафрагмы,   сопла, сопла Вентури и трубы- Вентури. В качестве измерительных прибо­ров применяются различные дифференциальные   манометры, снабженные показывающими, записываю­щими, интегрирующими, сигнализирующими и другими устройствами, обеспечивающими выдачу измерительной информации о рас­ходе в соответствующей форме и виде.

Измерительная диафрагма представляет собой диск, установ­ленный так, что центр его лежит на оси трубопровода (рис.1). При протекании потока жидкости или газа (пара) в трубопроводе с диафрагмой сужение его начинается до диафрагмы. На некотором расстоянии за ней под действием сил инерции поток сужается до минимального сечения, а далее постепенно расширяется до полного сечения трубопровода. Перед диафрагмой и после нее образуются зоны завихрения. Давление струи около стенки вначале возрастает из-за подпора перед диафрагмой. За диафрагмой оно снижается до минимума, затем снова повышается, но не достигает прежнего значения, так как вследствие трения и завихрений происходит по­теря давления р_пот.

Зависимость между перепадом давления и расходом может показать уравнение:

 Р1 –Р2 =*(W - W),

Где Р1 , Р2-давления в І и ІІ сечениях соответственно; р- плотность, протекающего вещества,  W1 и W2 – скорость потока в сечениях І и ІІ.

Объемный расход:

Q=α*F* ,

Где Q- расход, α- коэффициент расхода. 

Таким образом, часть потенциальной энергии давления потока переходит в кинетическую. В результате средняя скорость потока в суженном сечении повышается, а статическое давление в этом се­чении становится меньше статического давления перед сужающим устройством. Разность этих давлений (перепад давления) служит мерой расхода протекающей через сужающее устройство жидкости, газа или пара.

Из рис.1 видно, что давление по оси трубопровода, пока­занное штрихпунктирной линией, несколько отличается от давления вдоль стенки трубопровода только в средней части графика. Через отверстия 1 и 2 производится измерение статических давлений до и после сужающего устройства. 

РАСХОДОМЕРЫ ОБТЕКАНИЯ

Принцип действия расходомеров обтекания основан на зависи­мости перемещения тела, находящегося в потоке и воспринимающе­го динамическое давление обтекающего его потока, от расхода ве­щества. Широко распространенными расходомерами обтекания яв­ляются расходомеры постоянного перепада давления — ротаметры, поплавковые и поршневые. Принцип действия расходомеров посто­янного перепада давления основан на зависимости от расхода ве­щества вертикального перемещения тела — поплавка, находящего­ся в потоке и изменяющего при этом площадь проходного отвер­стия прибора таким образом, что перепад давления по обе сторо­ны поплавка остается постоянным.

В некоторых расходомерах обтекания, называемых расходомерами обтека­ния компенсационного -типа, перемещение тела обтекания измеряется по величи­не давления, создающего усилие, приложенное к телу и уравновешивающее динамическое давление потока на него. 

Ротаметры

Расходомеры постоянного перепада давления — ротаметры — применяются для измерения расходов однородных потоков чистых и слабозагрязненных жидкостей и газов, протекающих по трубопроводам и не подверженных значительным колебаниям. Особенно широко они используются в ви­нодельческом, спиртовом, ликерно-водочном и других производствах. Ротаметр (рис.2) представляет собой длинную коническую трубку 1, располагаемую вертикально, вдоль которой под действием движуще­гося снизу вверх потока перемещается поплавок 2. По­плавок перемещается до тех пор, пока площадь коль­цевого отверстия между поплавком и внутренней по­верхностью конусной трубки не достигнет такого раз­мера, при котором перепад давления по обе стороны поплавка не станет равным расчетному. При этом дей­ствующие на поплавок силы уравновешиваются, а по­плавок устанавливается на высоте, соответствующей определенному.значению расхода.

Рассмотрим силы, действующие на поплавок, имеющий вес G_n, объем V, плотность материала р_п и наибольшее поперечное сечение f, сверху вниз действует его вес:

G_n = Vgp_n,                     

а снизу действуют:

1) разность статических давлений (р1 – р₂) на носовую и кормовую поверхности по­плавка, возникающая, как и в сужающем устройстве, вследствие перехода части по­тенциальной энергии в скорость V_K в коль­цевом канале и образующая силу:

(р1 - р₂)*f,

2) динамическое давление:

W= φ**f,                

где φ — коэффициент    сопротивления    или обтекания  поплавка,   зависящий   от формы его носовой и   кормовой   частей; р — плот­ность жидкости; V_y — средняя   скорость потока в сечении І - І;

3) сила трения  N потока о боковую поверхность поплавка:

N=k**f,

где k — коэффициент, зависящий от числа Рейнольдса и степени шероховатости поплавка; V_K — средняя скорость в кольцевом канале; п — показатель степени, зависящий от скорости.

Тогда уравнение равновесия примет вид:

(р1 - р₂) =  -  -  Мас­са поплавка в рабочем состоянии, т. е. при пол­ном погружении в измеряемую среду (в кг),

Поплавковые и поршневые расходомеры    -

Поплавковый расходомер постоянного перепада давления (рис. 3) состоит из поплавка 1 и конического седла 2, расположен­ных в корпусе прибора (отсчетное устройство на схеме не показа­но) . Коническое седло выполняет ту же роль, что и коническая трубка ротаметра. Различие заключается в том, что длина и диа­метр седла примерно равны, а у ротаметров длина конической трубки значительно больше ее диаметра.

В поршневом расходомере (рис.4) чувствительным эле­ментом является поршень /, перемещающийся внутри втулки 2. 

Втулка имеет входное отверстие 5 и выходное отверстие 4, кото­рое является диафрагмой переменного сечения. Поршень с помощью штока соединен с сердечником передающего преобразователя 3. Протекающая через расходомер жидкость поступает под поршень и поднимает его. При этом открывается в большей или меньшей степени отверстие выходной диафрагмы. Жидкость, протекающая через диафрагму, одновременно заполняет также пространство над поршнем, что создает противодействующее усилие.

ТАХОМЕТРИЧЕСКИЕ РАСХОДОМЕРЫ

Расходомеры этой группы широко применяются практически во всех отраслях промышленности. Принцип их действия основан на использовании зависимостей скорости движения тел — чувствительных элементов, помещаемых в поток, от расхода ве­ществ, протекающих через эти расходомеры. Известно большое число разновидностей тахометрических расходомеров, однако в практике для измерения расхода самых разнообразных жидкостей и газов широко распространены турбинные, шариковые и камер­ные расходомеры. Тахометрические счетчики (турбинные и камерные) занимают основное место среди приборов для измерения количества жидкости и газа. Широкое распространение за рубежом получили также турбинные расходомеры для измерения расхода жидкости. Там они изготовляются для труб диаметром от 4 до 750 мм для давлений до 250 МПа (2500 кгс/см²) и выше и для темпе­ратур в диапазоне от —240 до + 700° С . У нас аналогичные приборы широко применяются для измерения расхода жидкого топлива в транспортных установках. В последнее время расши­ряется область применения подобных приборов также в нефтяной, химической и других отраслях промышленности. Достоинствами рассматриваемых приборов являются высокая точность (особенно у камерных) и большой диапазон измерения.

Существуют две разновидности турбинных расходомеров: с тан­генциальной, и аксиальной турбинкой. У первых ось турбинки перпендикулярна к направлению потока, а у вторых совпадает с ним. Первые обычно имеют прямые лопасти, расположенные радиально по отношению к оси, у вторых лопасти загнуты по вин­товой линии. Приборы с аксиальной турбинкой применяются чаще. Поэтому дальнейшие теоретические выводы будут делаться в основном применительно к аксиальным турбинкам.

Скорость вращения аксиальной турбинки, измеряемая числом n ее оборотов в единицу времени, может быть выражена уравне­нием:

n = φ(Q, V, p, М_е, D, d_H ,d_B , z, L, T)

где Q — объемный расход жидкости, имеющей кинематическую вязкость v и плотность р; М_с — момент сопротивления от трения в опорах и реакции тахометрического преобразователя; D —диа­метр трубопровода; d_H и d_в — наружный и внутренний диаметры лопастей турбинки; z — число лопастей турбинки; L - осевая длина лопастей; Т — шаг винтовой линии.

Камерные расходомеры

Камерные тахометрические расходомеры представляют собой один или несколько подвижных элементов, отмеривающих или от­секающих при своем движении определенные объемы жидкости или газа. Существует большое число конструкций, камерных рас­ходомеров жидкостей и газов. Овально-шестеренчатый счетчик жидкостей (рис.5) состоит из двух одинаковых овальных шестерен, вращающихся под действием перепада давления жидко­сти, протекающей через его корпус. В положении І правая шестер­ня отсекает некоторый объем жидкости 1; так как на эту шестерню действует крутящий момент, она поворачивается по часовой стрел­ке, вращая при этом левую шестерню против часовой стрелки. В по­ложении ІІ левая шестерня заканчивает отсекание новой порции жидкости 2, а правая выталкивает ранее отсеченный объем 1 в выходной патрубок счетчика. В это время вращающий момент дей­ствует на обе шестерни. В положении ІІІ ведущей является левая шестерня, отсекающая объем 2. В положении IV правая шестерня заканчивает отсекание объема 3, а левая выталкивает объем 2. В положении V полностью отсекается объем 3; обе шестерни сде­лали по пол-оборота, и ведущей стала опять правая шестерня. Вторая половина оборота шестерен протекает аналогично. Таким образом, за один полный оборот шестерен отсекается четыре до­зирующих объема. Учет жидкости основан на отсчете числа оборотов шестерен. Выпускаются счетчики, обеспечивающие измерение в диапазоне от 0,8 до 36 м³/ч. Диаметры условных проходов 15— 5O мм; класс точности 0,5; 1,0.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ РАСХОДОМЕРЫ

Электромагнитные (индукционные) расходомеры предназначе­ны для измерения расхода различных жидких сред, в том числе пульп с мелкодисперсными неферромагнитными частицами, с элек­трической проводимостью не ниже 5-10 См/м, протекающих в закрытых полностью заполненных трубопроводах. Широко приме­няются в различных отраслях промышленности.

Электромагнитные расходомеры выполняются в виде двух от­дельных блоков: измерительного преобразователя расхода и изме­рительного блока — передающего преобразователя, в котором осу­ществляется  приведение сигнала, полученного  от измерительного преобразователя, к стандартизован­ному виду, удобному для дальней­шего использования.

Измерительный преобразователь расхода электромагнитного расходо­мера (рис.6) состоит из не­магнитного участка трубопровода 3 с токосъемными электродами 4 и яр­ма электромагнита 2 с обмоткой воз­буждения 1, охватывающего трубо­провод. При протекании электропро­водных жидкостей по немагнитному трубопроводу 3 через однородное магнитное поле, создаваемое магнитом 2, в жидкости, которую можно представить как движущийся проводник, возникает электродвижу­щая сила, снимаемая электродами 4. Эта ЭДС Е прямо пропорцио­нальна средней скорости потока:
E=Blv_cp,    

где В — электромагнитная индукция в зазоре между полюсами магнита, Т; I — расстояние между электродами, м; р_ср— средняя скорость потока, м/с.

Поскольку площадь сечения трубы постоянна, ЭДС, снимаемая
с электродов, может быть выражена через объемный расход жид­
кости:
E^BQоlDy,                                                                           

где D_у — внутренний  (условный)   диаметр   трубы,   равный   расстоянию   между электродами, м.

Далее сигнал, пропорциональный расходу, подается на измери­тельный блок (на рис. 6 не показан), где он приводится к стандартизованному виду, и затем передается к прибору или друго­му измерительному устройству. Индукционные расходомеры рассчитаны на условные проходы от 10 до 300 мм и обеспечивают измерение в пределах от 0,32 до 2500 м³/ч. Класс точности 1.

РАСХОДОМЕРЫ ПЕРЕМЕННОГО УРОВНЯ

Эти расходомеры   применяются для измерения расхода загрязненных жидкостей, известкового молока, диффузионного сока, сус­ла-самотека и т. п. Принцип действия приборов основан на зави­симости уровня жидкости в сосуде от расхода при свободном истечении ее через калиброванное отверстие (щель) в дне или боковой стенке. Профиль и диаметр отверстия рассчитываются таким обра­зом, чтобы указанная зависимость была линейной.

Уравнение расхода через отверстие в дне или стенке сосуда в общем виде выражается следующей зависимостью:

Используя уравнение (1), можно вывести зависимость между Q и Н для отверстия любой формы. Для получения равно­мерной шкалы прибора эта зависимость должна быть линейной:

Q = KH, (2)

где К — коэффициент пропорциональности.

К = Qmах/Hmах , (3)    

Щелевой расходомер с калиброванным незатопленным отвер­стием (щелью) в стенке корпуса (рис.7) представляет собой емкость — корпус 1, разделенный перегородкой 4 с профилирован­ной щелью. В левой части корпуса, куда подается измеряемая жидкость через подводящий патрубок, производится измерение ее уровня с помощью пьезометрической уровнемерной трубки 2 и из­мерительного прибора — дифманометра 3

Для измерения уровня жидкости могут приме­няться и другие типы уровнемеров.

Жидкость, поступающая в левый отсек корпуса, заполняет его, переливается через профилированную щель и через слив уходит в приемник и далее — по назначению.

Другой тип расходомера с отверстием в дне сосуда (рис.8) состоит из приемника — сосуда переменного уровня 1, корпуса 2, выходного отверстия с калиброванной диафрагмой или соплом 3. Высота столба жидкости над калиброванным    отверстием 3 изме­ряется с помощью уровнемера-дифманометра 4.

Щелевые расходомеры хорошо зарекомендовали себя при изме­рении сильно загрязненных и быстро кристаллизующихся жидко­стей и растворов. Диапазон измерения 0,1—50 м³/ч; основная по­грешность устройства в комплекте со вторичным прибором ±3,5%. Приборы входят в систему ГСП.

ТЕПЛОВЫЕ РАСХОДОМЕРЫ

Тепловые расходомеры могут   применяться   при измерении не­больших расходов практически любых сред при различных их па­раметрах. Кроме того, они весьма    перспективны   для измерения расхода очень вязких материалов. Принцип действия их основан на использовании зависимости эффекта теплового воздействия на поток вещества от массового расхода этого вещества.

Тепловые расходомеры могут выполняться по трем основным принципиальным схемам:

калориметрические, основанные на нагреве или охлаждении по­тока посторонним источником энергии, создающим в потоке раз­ность температур;

теплового слоя, основанные на создании    разности температур с двух сторон пограничного слоя; термоанемометрические, в которых используется зависимость между количеством теплоты, теряемой непрерывно нагреваемым телом, помещенным в поток, и массовым расходом вещества.

Выбор принципиальной схемы измерения зависит от измеряемой среды, необходимой точности, типа используемых термочувстви­тельных элементов и режима нагрева. Для упруго-вязких пластич­ных веществ, какими являются опара и тесто, а также многие дру­гие пищевые продукты, предпочтительным является измерение по схеме термоанемометра с постоянной температурой подогрева потока. 

Чувствительными элементами термоанемометрического тепло-sore расходомера опары и теста (рис. 9). являются резисто­ры R1 и R2, помещаемые (наматываемые) на стенке трубопровода на некотором расстоянии друг от друга. Манганиновые резисторы R3 н R4 служат для создания мостовой схемы, питаемой от источ­ника напряжения Uпит. Сигнал раз­баланса, пропорциональный измене­нию расхода, подается на электрон­ный усилитель ЭУ, где усиливается и после этого управляет вращением реверсивного электродвигателя РД, который, производя перестановку движка компенсирующего перемен­ного резистора R_r, изменяет напря­жение питания до тех пор, пока раз­баланс в измерительной диагонали моста не станет равным заданному. Мерой расхода могут служить пока­зания амперметра, ваттметра (на схеме не показан) или положение движка R_p. С помощью тепловых    расходомеров   может    быть обеспечена точность измерения расхода вязких продуктов ±2 —2,5%.

ВИХРЕВЫЕ РАСХОДОМЕРЫ

В настоящее время разработаны и имеют весьма широкие пер­спективы применения вихревые расходомеры, принцип действия ко­торых   основан на зависимости от расхода частоты колебаний давления среды, возникающих в по­токе в процессе вихреобразования.

Измерительный преобразова­тель вихревого расходомера (рис.10) представляет собой завихритель 1, вмонтированный в тру­бопровод, с помощью которого поток, завихряется (закручивает­ся) и поступает в патрубок 2. На выходе из патрубка в расширяю­щейся области 4 установлен элек­троакустический преобразователь 3, воспринимающий и преобразу­ющий вихревые колебания потока в электрический сигнал, который далее приводится к нормализован­ному виду, отвечающему требованиям ГСП.

Завихрения потока формируются таким образом, что внутрен­няя область вихря — ядро, поступая в патрубок 2, совершает толь­ко вращательное движение. На выходе   же из патрубка в расши­ряющуюся область 4 ядро теряет    устойчивость и начинает асимметрично вращаться вокруг оси патрубка. 

АКУСТИЧЕСКИЕ РАСХОДОМЕРЫ

Для измерения расходов загрязненных, агрессивных и быстро-кристаллизующихся жидкостей и пульп, а также потоков, в которых возможны большие изменения (пульсации) расходов и даже изме­нения направления движения, когда не могут быть применены дру­гие виды расходомеров, используются расходомеры акустические, чаще всего ультразвуковые. Преимуществами акустических расхо­домеров также являются бесконтактность измерений, отсутствие движущихся частей в потоке, отсутствие потерь давления в трубо­проводах и др.

Принцип действия акустических расходомеров основан на зави­симости акустического эффекта в потоке от расхода вещества. Из­вестно несколько методов использования звуковых (ультразвуко­вых) колебаний для измерения расходов жидкостей и газов. Один из них, так называемый фазовый, основан на том, что при распро­странении звуковой волны в движущейся среде время ее прохожде­ния от источника до приемника определяется не только скоростью распространения звука в данной среде, но и скоростью движения самой среды. Если звуковая волна направлена по движению пото­ка, скорости их складываются, если против потока, — вычитаются. Разность времени прохождения звука по направлению потоками против него пропорциональна скорости потока, а следовательно, расходу протекающей жидкости. 

Акустический расходомер, работаю­щий по двухканальной фазовой схеме (рис. VIII.20), состоит из ультразвуко­вого генератора УЗГ, являющегося ис­точником питания; излучающих пьезопреобразователей ИП1 и ИП2; прием­ных пьезопреобразователей ПП1 и ПП2; фазовращающего устройства ФУ для устранения путем асимметрии ка­налов преобразователей возникающих фазовых сдвигов;' электронного усили­теля Ус и измерительного прибора ИП, который градуируется в диницах рас­хода. В качестве пьезоэлементов в пре­образователях чаще всего применяются пластины из титаната бария, могут так­же использоваться пьезоэлементы из кварца, титанато-циркониевой керами­ки, а также магнитострикционные.

Импульсы ультразвука посылаются  под углом к оси трубопровода так, что их направление в одном канале совпа­дает с направлением потока, а в другом направлено против потока. При отсутствии движения жидкости время    передачи импульса т (в с) на расстояние d 

В последнее время получают распространение ультразвуковые расходомеры, в которых используется эффект Допплера, заключающийся в том, что ультра­звуковые волны, генерируемые излучателями, отражаются от взвешенных частиц, завихрений, пузырьков газа и т. п. в потоке измеряемой среды и воспринимают­ся приемниками отраженных излучений. Разность между частотами излучаемых и отраженных акустических волн позволяет определить скорость потока.

Измерительный преобразователь таких расходомеров представляет собой устройство, состоящее из двух пьезокристаллов, один из которых является гене­ратором ультразвуковых колебаний, излучаемых под утлом к потоку измеряемой среды, а второй — приемником отраженных колебаний. Излучаемый и отражен­ный сигналы сравниваются с помощью специальных электронных устройств.

В настоящее время акустические расходомеры интенсивно раз­рабатываются, и в ближайшее время, очевидно, предстоит их широ­кое применение в различных отраслях промышленности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Измерение расхода протекающей по трубопроводу жидкости, газа или пара за определенный отрезок времени или в каждый данный момент имеет большое значение для учета нефтепродуктов, газа и пара при отпуске их, а также для контроля и регулирова­ния технологических процессов бурения, добычи, транспорта и переработки нефти и газа. Объем или масса нефти, воды и газа, добываемые из каждой скважины, является не только учетным фактором, но представляет собой важнейший параметр, по кото­рому определяют ход разработки нефтяного месторождения и геолого-техническое состояние данной скважины- Режим эксплуатации газокомпрессорной скважины определяется объемом веще­ства и давлением, под которым в нее подается рабочий агент.

Технологический процесс подготовки нефти на промыслах (обезвоживание, обессоливание и стабилизация) протекает при определенных расходах сырой нефти, воды и химического реа­гента, значение которых необходимо контролировать и регулиро­вать. Метод поддержания пластового давления нефтяного место­рождения законтурным и внутриконтурным заводнением преду­сматривает закачку в пласт через нагнетательные скважины боль­ших объемов воды, учет которых для контроля процесса завод­нения обязателен. Технологический процесс гидравлического разрыва пласта возможен только при непрерывном контроле расхода и объема жидкости, закачиваемой в пласт.Измерение расхода сырья, полуфабрикатов, реагентов и целе­вых продуктов является важнейшим условием управления тех­нологическим процессом переработки нефти и газа.

ЛИТЕРАТУРА

1. Кулаков  М.В.  Технологические измерения и  приборы  для химических производств.-М.:Машиностроение.-1983.
2. Прохоров В.А.  Основы автоматизации аналитического контроля химических производств.-М.:Химия -I984.
3. Автоматизация   производственных   процессов   и   АСУ   ТП в   пищевой   промышленности/ Л.А.Широков. В.И.Михаилов и др.; под ред. Л.А.Широкова.-М.: Агропромиздат.-1986.
4. Петров И.К.  Технологические измерения и приборы в пищевой промышленности.-М.: Агропромиздат -I986.
5. Пронько В В  Технологические приборы и КИП в пищевой промышленности.-М.: Агропроиздат. -1989