Расходомеры

РАСХОДОМЕРЫ, служат для измерения объема (объемный расход) или массы (массовый расход) жидкостей, газов и паров, проходящих через заданное сечение трубопровода в единицу времени. Иногда расходомеры снабжают интеграторами, или счетчиками,-устройствами для суммирования измеряемых объемов или масс контролируемых сред в течение заданного промежутка времени. Расходомеры разных типов рассчитаны на измерения в определенной области расходов (рис. 1).

Рис. 1. Диапазоны измерений расходов жидкостей, газов и паров разными расходомерами.

Осн. показатели, обусловливающие выбор расходомера: значение расхода; тип контролируемой среды, ее т-ра, давление, вязкость, плотность, электрич. проводимость, рН; перепад давлений на первичном измерит. преобразователе (датчике); диаметр трубопровода; диапазон (отношение макс. расхода к миним.) и погрешность измерений. В зависимости от физ.-хим. св-в измеряемой и окружающей сред в расходомерах используются разл. методы измерений.

В данной статье рассматриваются наиб. важные типы расходомеров и счетчиков, применяемых в хим. лабораториях, хим. и смежных отраслях пром-сти для высокоточных контроля и учета хим. в-в при их произ-ве, выдаче и потреблении, а также в системах автоматизир. управления технол. процессами.

Расходомеры переменного перепада давлений (рис. 2, а). Действие их основано на зависимости перепада давлений на гидравлич. сопротивлении (диафрагмы, сопла и трубы Вентури, сопла Лаваля и др.), расположенном в потоке контролируемой среды, от ее расхода Q. Измерения разности давлений Dp = p₁ - p₂ осуществляются на прямолинейном участке трубопровода (длиной до 10 и не менее 5 диаметров соотв. до и после гидравлич. сопротивления). Расходомеры данного типа особенно распространены благодаря след. достоинствам: простоте конструкции и возможности измерений в широком диапазоне значений расхода и диаметров трубопроводов (от десятков до 3000 мм и более); возможности применения для различных по составу и агрессивности жидкостей и газов при т-рах до 350-400 °С и давлениях до 100 МПа; возможности расчетным путем определять расход без натурной градуировки расходомера в случае трубопроводов диаметрами 50-1000 мм. Недостатки: небольшой диапазон измерений из-за квадратичной зависимости между расходом и перепадом давлений (3:1); значит. потери давления на гидравлич. сопротивлении и связанные с этим дополнит. затраты энергии. Погрешность 1,5-2,5% от макс. расхода.

Расходомеры постоянного перепада давлений, или ротаметры (рис. 2, б). В этих приборах измеряется прямо пропорциональная расходу величина перемещения поплавка h внутри конич. трубки под воздействием движущегося снизу вверх потока контролируемой среды. Последний поднимает поплавок до тех пор, пока подъемная сила, возникающая благодаря наличию на нем перепада давлений, не уравновесится весом поплавка. Трубки ротаметров м. б. стеклянными (рассчитаны на давление до 2,5 МПа) и металлическими (до 70 МПа). Поплавки в зависимости от св-в жидкости или газа изготовляют из разл. металлов либо пластмасс. Приборы работоспособны при т-рах от — 80 до 400 °С, предпочтительны для трубопроводов диаметром до 150 мм, имеют равномерные шкалы, градуированные в единицах объемного расхода. Достоинства: возможность измерений расхода жидкостей и газов от весьма малых значений (0,002 л/ч по воде, 0,03 л/ч по воздуху) до высоких (150-200 и до 3000 м³/ч); широкий диапазон измерений (10:1); малые потери давления (до 0,015 МПа). Погрешность 0,5-2,5% от макс. расхода.

Электромагнитные расходомеры (рис. 2, в). Действие их основано на прямо пропорциональной зависимости расхода от эдс, индуцированной в потоке электропроводной жидкости (миним. уд. электрич. проводимость 10^-3-10^-4 См/м), движущейся во внеш. магн. поле, к-рое направлено перпендикулярно оси трубопровода. Эдс определяется с помощью двух электродов, вводимых в измеряемую среду диаметрально противоположно через электроизоляц. покрытие внутр. пов-сти трубопровода. Материалы покрытий-резины, фторопласты, эпоксидные компаунды, керамика и др. Приборы позволяют измерять расход разл. пульп, сиропов, агрессивных и радиоактивных жидкостей и т. д. при давлениях обычно до 2,5 МПа (иногда до 20 МПа); диаметр трубопроводов, как правило, 2-3000 мм. Во избежание поляризации электродов измерения проводят в переменном магн. поле. Допустимые т-ры контролируемой среды определяются термостойкостью электроизоляц. покрытий и могут достигать, как правило, 230 °С. При измерении расхода жидких металлов (напр., Na, К и их эвтектик) указанные т-ры обусловлены термостойкостью используемых конструкц. материалов, в первую очередь магнитов, создающих постоянное магн. поле (исключает возникновение в металлах вихревых токов) и составляют 400-500 °С; в данном случае трубопроводы не имеют внутр. изоляции, а. электроды привариваются непосредственно к. их наружным пов-стям. Достоинства: высокое быстродействие; широкий диапазон измерений (100:1); отсутствие потерь давления (приборы не имеют элементов, выступающих внутрь трубопровода); показания приборов не зависят от вязкости и плотности жидкостей. Погрешность 0,5-1,0% от измеряемой величины.

Рис. 2. Расходомеры: а, б-соотв. переменного и постоянного перепадов давлений; в-электромагнитные; г-турбинные; д-ультразвуковые; е-вихревые; ж-объемные; з-струйные; и-корреляционные; 1-трубопроводы; 2-гидравлич. сопротивление; 3 —дифманометр; 4—конич. трубка; 5-поплавок; 6-электроды; 7— турбинка; 8—тахометр; 9-электронное устройство; 10-твердое тело, обтекаемое потоком жидкости или газа; 11, 13, 14, 17-преобразователи физ. величин в соответствующие электрич. импульсы; 12-счетчик с овальными шестернями; 15, 16-устройства запоминания и распознавания "образа" материального потока; Q-расход контролируемой среды; Dр = р₁ -р₂-перепад давлений до (р₁) и после (р₂) гидравлич. сопротивления; Df=f₁ -f₂-разность частот повторения электрич. импульсов; f_c-частота переброса струи материального потока; h-ве-личина перемещения поплавка; N, S—полюсы магнита; n_т—частота вращения турбинки; n_в—частота возникновения вихрей; n_ц-число циклов хода чувствительногоэлемента; П₁, П₂-пьезоэлементы; т-время; w-круговая частота.

Тахометрические расходомеры. В турбинных расходомерах (рис. 2, г) используется зависимость измеряемой тахометром частоты вращения турбинки, приводимой в движение потоком среды (нефтепродукты, р-ры к-т и щелочей, нейтральные или агрессивные газы) от ее расхода. Турбинки могут размещаться аксиально либо тангенциально по отношению к направлению движения потока. Диаметр трубопроводов 4-4000 мм; вязкость среды 0,8-750 мм²/с; т-ра от -240 до 550 °С, давление до 70 МПа; диапазон измерений до 100:1; потери давления 0,05 МПа. Погрешность 0,5-1,5% от макс. расхода.

В шариковых расходомерах контролируемая жидкая среда закручивается с помощью неподвижного винтового направляющего аппарата и увлекает за собой металлич. шарик, заставляя его вращаться внутри трубопровода (перемещению вдоль оси препятствуют ограничит. кольца). Мера расхода-частота вращения шарика, измеряемая, напр., тахометром. Диаметр трубопроводов 5-150 мм; т-ра среды от -30 до 250 °С, давление до 6,4 МПа; диапазон измерений 10:1; потери давления до 0,05 МПа. В этих приборах в отличие от турбинных отсутствуют опорные подшипники, что позволяет измерять расход жидкостей с мех. включениями и увеличивает ресурс работы. Погрешность не более 1,5% от макс. расхода.

Ультразвуковые расходомеры (рис. 2, д). В основу их работы положено использование разницы во времени прохождения ультразвуковых колебаний (более 20 кГц) в направлении потока контролируемой среды и против него. Электронное устройство формирует электрич. импульс, поступающий на пьезо-элемент П₁, к-рый излучает электромех. колебания в движущуюся среду. Эти колебания воспринимаются через нек-рое время пьезоэлементом П₂, преобразуются им в электрич. импульс, попадающий в электронное устройство и снова направляемый им на пьезоэлемент П₁ и т.д. Контур П₁-П₂ характеризуется частотой f₁ повторений импульсов, прямо пропорциональной расстоянию между пьезоэлементами и обратно пропорциональной разности между скоростью распространения звука в контролируемой среде и скоростью самой среды. Аналогично электронное устройство подает импульсы в обратном направлении, т.е. от пьезоэлемента П₂ к пьезоэлементу П₁. Контур П₂-П₁ характеризуется частотой f₂ повторений импульсов, прямо пропорциональной расстоянию между пьезоэлементами и обратно пропорциональной сумме скоростей распространения звука в среде и самой среды. Далее электронное устройство определяет разность Df указанных частот, к-рая пропорциональна скорости (расходу) среды.

Эти приборы не вызывают потерь давления, обладают высоким быстродействием и обеспечивают измерение пульсирующих расходов (частота 5-10 кГц) любых не содержащих газовых включений жидкостей (в т. ч. вязких и агрессивных), а также газов и паров. Диаметр трубопроводов 10-3000 мм и более; т-ра среды от —40 до 200°С (реже-от —250 до 250 °C), давление до 4 МПа; диапазон измерений 100:1. Погрешность 1,0-2,5% от макс. расхода.

Вихревые расходомеры (рис. 2, е). Действие их основано на зависимости между расходом и частотой возникновения вихрей за твердым телом (напр., металлич. прямоугольным стержнем), к-рое расположено в потоке жидкости или газа. Образованию вихрей способствует поочередное изменение давления па гранях этого тела. Диапазон частот образования вихрей определяется размером и конфигурацией тела и диаметром трубопроводов (25-300 мм). Т-ра среды обычно от - 50 до 400 °С, реже от -270 до 450 °С; давление до 4 МПа, иногда до -6,3 МПа; диапазон измерений: для жидкостей 12:1, для газов 40:1. Градуировка приборов не зависит от плотности и вязкости контролируемой среды, а также от ее т-ры и давления. Погрешность 0,5-1,0% от измеряемой величины при числах Рейнольдса Re > 30000; при Re < 10000 определение расхода практически невозможно из-за отсутствия вихрей.

Объемные расходомеры (рис. 2,ж). В качестве измерителей объема служат счетчики с цилиндрич. или овальными шестернями, поршневые, с плавающей шайбой, лопастные, винтовые и др. Они снабжены устройствами выдачи сигналов, пропорциональных объемному расходу в-ва. Эти приборы пропускают определенный объем жидкости за один цикл хода чувствительного элемента. Мера расхода-число таких циклов. Диаметр трубопроводов 15-300 мм; т-ра среды до 150°С, давление до 10 МПа; диапазон измерений до 20:1. Осн. достоинство-стабильность показаний. Недостатки: необходимость установки фильтров, задерживающих твердые частицы (чувствительный элемент при их проникновении может выйти из строя); износ движущихся деталей, приводящий к увеличению погрешности показаний, к-рая обычно составляет 0,5-1,0 от измеряемой величины.

Струйные расходомеры (рис. 2,з). В них используется принцип действия генератора автоколебаний. В приборе часть струи потока жидкости или газа ответвляется и через т. наз. канал обратной связи а поступает на вход устройства, создавая поперечное давление на струю. Последняя перебрасывается к противоположной стенке трубопровода, где от нее снова ответвляется часть потока, подаваемая через канал б на вход прибора; в результате струя переходит в первоначальное положение и т. д. Такой переброс происходит с частотой, пропорциональной расходу контролируемой среды, и сопровождается изменением давления в каналах а и б, что позволяет датчику давления воспринимать автоколебания. Диаметр трубопроводов 2-25 мм; т-ра среды от —263 до 500 °С, давление до 4 МПа; диапазон измерений 10:1. Осн. достоинство-отсутствие подвижных элементов. Погрешность-1,5% от макс. расхода.

Корреляционные расходомеры (рис. 2, и). В этих приборах с помощью сложных ультразвуковых и иных устройств осуществляется запоминание в заданном сечении трубопровода (I) характерного "образа" потока контролируемой среды и его послед. распознавание в др. сечении (II), расположенном на определенном расстоянии от первого. Мера расхода - время прохождения "образом" потока участка трубопровода между сечениями. Диаметр трубопроводов 15-900 мм; т-ра среды до 100-150°С, давление до 20 МПа; диапазон измерений 10:1. Достоинства: независимость показаний от изменений плотности, вязкости, электропроводности и др. параметров жидкости; отсутствие потерь давления. Погрешность 1 % от измеряемой величины.

Лит.: Кулаков М. В., Технологические измерения и приборы для химических производств, 2 изд., М., 1974; Кремлевский П. П., Расходомеры и счетчики количества, 3 изд., Л., 1975; Бирюков Б. В., Данилов М.А., Киви-лис С. С., Точные измерения расхода жидкостей, М., 1977; Логинов Н. И., Электромагнитные преобразователи расхода жидких металлов, М., 1981; Бал-дин А. А., Бошняк Л. Л., Соловский В. М., Ротаметры, Л., 1983; Боб-ровников Г. Н., Новожилов Б.М., Сарафанов В. Г., Бесконтактные расходомеры, М., 1985; Flow: its measurement and control in science and industry, ed. by R.B. Dowdell, v. 1, pt 1-3, Pittsburg, 1974. Б.И. Никитин.