В. А. Никитин с. В. Бойко

Измерение расхода

Среди измерений, выполняемых в промышленности, большое место занимают измерения расхода, т. е. измерения количества вещества, проходящего в единицу времени через какое-либо сечение трубопровода, канала и т. п. Расход, как и количество вещества, выражают в объемных или массовых единицах измерения, которые связаны между собой через плотность вещества.

Значения измеряемых расходов могут лежать в диапазоне от 10^-3 до нескольких тысяч кубометров в час. В то же время расходуемые вещества могут сильно отличаться по своим физико-химическим свойствам. Это могут быть газы, нейтральные жидкости, электролиты, жидкие металлы. Все это в сочетании с разнообразными условиями применения и различными требованиями к точности, надежности и стоимости определяет значительное число типов и конструкций средств измерений расхода, а также потребность в разработке новых, более совершенных расходомеров. С учетом изложенного выше рассмотрим некоторые наиболее распространенные типы преобразователей расхода. Преобразователи расхода с переменным перепадом давлений. Принцип действия преобразователей данного типа основан на измерении перепада давления на сужающем устройстве, установленном на пути движущейся среды. В качестве сужающего устройства используют диафрагму, сопло и т. п. На рисунке 16.33 схематически изображен преобразователь расхода, в котором для создания перепада давлений используется диафрагма 1, а для преобразования разности давлений дифференциальный манометрический преобразователь 2. Перепад давлений ∆Р связан с измеряемым расходом Q зависимостью вида (16.37)

∆Р= kQ², (16.37)

где k -коэффициент, зависящий от параметров сужающего устройства, плотности и вязкости вещества.
Таким образом, для получения линейной зависимости выходной величины от расхода необходимо осуществить операцию извлечения квадратного корня. В противном случае расходомер может работать лишь в небольшом диапазоне расходов. Для улучшения линейности функции преобразования иногда применяют более сложные дифференциальные конструкции.

Рисунок 16.33 - Преобразователь расхода с переменным перепадом давлений

Рисунок 16.34 - Ротаметр

Преобразователи расхода с постоянным перепадом давлений. Действие преобразователей этого типа основано на непрерывном регулировании площади проходного сечения сужающего устройства в зависимости от перепада давлений на нем с тем, чтобы поддерживать перепад постоянным. Выходной величиной преобразователя в этом случае является величина, однозначно связанная с проходным сечением. Выбором соответствующего закона изменения проходного сечения можно обеспечить линейность функции преобразования. Примером преобразователей расхода указанного типа является ротаметр (рисунок 16.34), представляющий собой коническую трубку 1, в которой свободно перемещается цилиндрический поплавок 2. Жидкость проходит в кольцевом зазоре между поплавком и трубкой.

Перепад давлений ∆Р, действующий на площадь поплавка S_п, стремится поднять его. вверх до тех пор, пока подъемная сила не уравновесится весом поплавка, т.е. будет справедливо равенство (16.38)


S_п ∆Р = V_пg( ^_п ^{ } ), (16.38)
где V_п - объем поплавка;
_п - плотность поплавка;
-плотность жидкости;
g - ускорение силы тяжести.
Выходной величиной преобразователя является высота подъема поплавка. Перемещение поплавка преобразуется в электрический сигнал чаще
всего с помощью индуктивных датчиков. На рисунке 16.34 показан дифференциальный индуктивный преобразователь перемещений, ферромагнитный сердечник которого запрессован в поплавок 2. Перемещением катушки 3 вдоль трубки 1 можно изменять диапазон измеряемых расходов.
Ротаметры отличаются простотой конструкции, но имеют невысокую точность (погрешность 2-3 %) и используются для измерения малых расходов жидкостей и газов (10^-7-10^-6 м³/c).
Преобразователи скоростного напора. Действие преобразователей данного типа основано на использовании кинетической энергии движущейся струи. При торможении потока среды в каком-либо его сечении кинетическая энергия струи создает избыточное давление, вычисляемое по формуле (16.39)