Приборы измерения расхода Выполнила: студентка группы ХИМб Инкина Наталья

Единицы измерения расхода Расходом называется количество газа или жидкости, протекающее через поперечное сечение трубопровода в единицу времени. В СИ расход может быть объемный Q, выражаемый в м 3 /с, масс или массовым М, выражаемый в кг/с. Внесистемной единицей измерения расхода является литр в секунду (л/с). Средней скоростью потока называется отношение объемного расхода к площади поперечного сечения потока: v ср = Q/F.

Расходомеры Расходомер прибор, измеряющий объемный расход или массовый расход вещества, т. е. количество вещества (объем, масса), проходящее через данное сечение потока например, сечение трубопровода в единицу времени. Если прибор имеет интегрирующее устройство (счетчик) и служит для одновременного измерения и количества вещества, то его называют счетчиком-расходомером.

Классификация расходомеров В зависимости от принципа действия наиболее часто применяемые в промышленности расходомеры и счетчики жидкости, газа и пара могут быть классифицированы следующим образом: Расходомеры переменного перепада давления Расходомеры постоянного перепада давления Тахометрические расходомеры Электромагнитные расходомеры Акустические расходомеры Оптические расходомеры Вихревые расходомеры Меточные расходомеры Инерциальные расходомеры Тепловые расходомеры И т.д.

История расходомеров. История расходомеров начинается с 1797 года, когда итальянский ученый Джованни Баттиста Вентури опубликовал работу в области гидравлики: исследование об истечении воды через короткие цилиндрические и расходящиеся насадки. В 1887 американским учёным К. Гершелем был предложен водомер, названный именем Вентури. Известна трубка Вентури для измерения скорости в воздушном и водяном потоке и для создания вакуума в авиационных гироскопах. В 1962 г. инженер Хейнрих Кюблер изобрёл магнитный выключатель, позволивший разрабатывать и изготавливать приборы для измерения уровня жидких и сыпучих материалов. Следом за ним были разработаны поплавковые магнитные выключатели, телеметрические датчики уровня и байпасные указатели уровня. Ультразвуковая модификация расходомера была придумана Юрием Александровичем Ковалем, преподавателем кафедры основ радиотехники Харьковского национального университета радиоэлектроники. Патент на турбинный расходомер был выдан в 1970 г сотрудникам НИИ теплоэнергетического приборостроения СССР.

В отечественной практике наибольшее распространение получили расходомеры первых пяти групп (переменного и постоянного давления, тахометрические, электромагнитные и ультразвуковые). Эти расходоме­ры выпускаются серийно и находят применение практически во всех от­раслях народного хозяйства. Расходомеры остальных групп используют­ся пока, в основном, для решения специальных измерительных задач (при научных исследованиях, в медицине, криогенике, при измерениях агрессивных и токсичных сред и т. п.), изготовляются единичными экземплярами или малыми партиями и являются на сегодняшний день нестандартизированными средствами измерений. Современная измерительная практика предъявляет все более высо­кие требования к точности, надежности, быстродействию, функциональ­ности расходомеров. Следует отметить, что в большинстве случаев эти требования противоречивы, т. е. улучшение одних характеристик, как правило, достигается за счет не до реализации возможностей улучшения других. Так, увеличение функциональных возможностей приборов за счет усложнения снижает их надежность вследствие возрастания числа подверженных отказам элементов. Увеличение быстродействия снижа­ет эффективность систем автоматической компенсации медленно меняю­щихся погрешностей, вызванных влиянием внешней среды, параметров измеряемых объектов и т. п. Поэтому развитие измерительной техники, в том числе и расход о измерительной, сопровождается постоянным поис­ком разумного компромисса между реализуемыми свойствами прибо­ров, техническими возможностями и экономической целесообразностью. При этом следует иметь в виду, что и грубые", относительно низкоточ­ные, но недорогие средства измерений всегда будут иметь достаточно большой промышленный спрос, поскольку способны удовлетворить оп­ ределенный класс практических измерительных задач. Однако резкое по­вышение точности измерений было и остается важнейшей задачей разви­тия расход о измерительной техники.

Значительная часть серийно выпускаемых расходомеров имеет класс точности (приведенную погрешность) 11,5 %. Если принять, что измере­ния преимущественно проводятся в середине шкалы, относительная по­грешность этих измерений составляет 23 %. С учетом же влияния раз­личных дестабилизирующих факторов действительная погрешность бу­дет еще больше. В то же время для эффективного управления технологическими про­цессами в нефтяной, газовой, химической отраслях промышленности, энергетическими и транспортными установками, для учетных операций уже сегодня требуется на порядок более высокая точность юмерении расхода. Именно это обстоятельство обусловливает необходимость со­здания и внедрения расходомеров, имеющих класс не хуже 0,10,3 %. Характерная особенность расход о измерительной практики чрезвы­чайно широкая номенклатура измеряемых веществ, имеющих различные физико-химические свойства плотность, вязкость, температуру, фазо­вый состав и структуру. Поэтому в этой области измерений особенно остро стоит проблема создания приборов инвариантных (малочувстви­тельных) к физико-химическим свойствам измеряемых сред, к неинфор­мативным параметрам входного сигнала. Изыскание новых принципов стабилизации функции преобразова­ния, использование систем автоматической коррекции показаний, введе­ния поправок таковы основные направления технического поиска ре­шения этой проблемы.

Расходомеры постоянного перепада давления Расходомеры обтекания, относящиеся к расходомерам постоянного перепада давления, нашли широкое применение в измерении расходов газов и жидкостей. Название приборов (расходомеры обтекания) связано с тем, что рабочая среда (газ или жидкость) обтекает чувствительный элемент прибора поплавок. Расходомеры обтекания имеют: высокую чувствительность; малую стоимость, незначительные потери давления; простоту конструкции и эксплуатации; возможность использования при измерении агрессивных жидкостей и газов, а также в тех случаях, когда невозможно использовать другие приборы измерения расхода. Наиболее распространенным типом такого расходомера является ротаметр. Принцип действия ротаметров состоит в том, что гидродинамическое давление измеряемого потока среды воздействует снизу на поплавок и вызывает его вертикальное перемещение. Под действием перемещения поплавка из-за конусности трубки изменяется площадь проходного сечения между поплавком и трубкой, а перепад давления по обе стороны поплавка остается постоянным. Поэтому такие приборы называют расходомерами постоянного перепада давлений. Как правило, ротаметры тарируют по воде или воздуху. При использовании приборов для определения расхода других жидкостей и газов в градуировочную кривую вносят поправочный коэффициент, учитывающий плотность измеряемого газа или жидкости.

Расходомеры переменного перепада давления. Для автоматического измерения расходов пара, газов и жидкостей используют различные типы расходомеров переменного перепада. Принцип действия таких приборов, объединенных общим методом измерений, основан на измерении перепада давления, образующегося в результате изменения скорости измеряемого потока на специальном сужающем устройстве, называемом диафрагмой. При протекании жидкости или газа через сужающее устройство часть потенциальной энергии давления переходит в кинетическую энергию, при этом средняя скорость потока в суженном сечении повышается, а давление уменьшается. Таким образом при протекании газа или жидкости образуется разность давлений до и после сужающего устройства. Разность этих давлений (перепад давлений) зависит от скорости (расхода) протекающего вещества.Величина перепада давлений измеряется специальными устройствами, называемыми дифференциальными манометрами.

Расходомеры переменного перепада давления получили широкое распространение как в промышленных, так и в экспериментальных измерениях благодаря присущим данному способу измерения достоинствам, к которым следует отнести: сравнительно высокую точность измерения;. удобство и универсальность метода; возможность, измерения любых расходов (при некоторых ограничениях) жидкости, пара и газа, находящихся при различных температурах и давлениях; легкость -серийного изготовления приборов. К недостаткам данного метода измерения следует отнести: некоторую потерю энергии потока; относительную трудность промышленного применения при малых расходах вещества, в пульсирующих потоках и потоках вещества, содержащего инородные примеси, а также потоках вещества, находящегося при параметрах, близких к равновесным.

Тахометрические приборы Тахометрическими называются расходомеры, в которых скорость движения рабочего тела пропорциональна объемному расходу измеряемой среды. В большинстве случаев рабочее тело преобразователь расхода (крыльчатка, турбинка, шарик и т.п.) под воздействием потока вращается. В зависимости от устройства рабочего тела тахометрические расходомеры подразделяются на крыльчатые, турбинные, шариковые, камерные, кольцевые и др. Тахометрические преобразователи расхода могут использоваться как в счетчиках количества, так и в расходомерах. В первом случае преобразователь расхода (например, турбинка) связан со счетным механизмом. Тахометрические расходомеры содержат электрические тахометрические преобразователи частоты вращения чувствительного элемента в электрический сигнал, измеряемый затем вторичным прибором. Электрические преобразователи скорости оказывают незначительное тормозящее действие на подвижный элемент (по сравнению с механической передачей в счетчиках), в силу чего точность тахометрических расходомеров выше точности счетчиков с механическим редуктором. Тахометрические приборы измеряют объемные расходы. При необходимости измерения массовых расходов они должны снабжаться либо измерителями температуры и давления, либо плотномерами, вычислительными устройствами. Тахометрические расходомеры применяются для измерения расхода различных жидкостей (реже газов), причем некоторые их разновидности могут использоваться на загрязненных жидкостях. Наиболее широко эти расходомеры используются в коммунальном хозяйстве для учета индивидуального потребления горячей и холодной воды, газа.

Тахометрические расходомеры обладают следующими положительными чертами: широкий динамический диапазон, достигающий 25; высокая точность, получаемая за счет индивидуальной градуировки приборов; простота получения и съема показаний. К числу их недостатков относятся значительная потеря давления, требования к длинам линейных участков до (свыше 10D) и после (более 3D) счетчика, износ подшипников при наличии загрязнений в воде и газах, ограничения по диаметру трубопровода. В соответствии с ГОСТ в технической документации водосчетчиков указывается четыре значения объемного расхода: максимальный Go.max, на котором допускается кратковременная работа счетчика и для которого определяется потеря давления; эксплуатационный G0. э = ( ) % от Go.max, при котором рекомендуется длительная работа счетчика; переходной G0. пер и минимальный G0.min. В диапазоне G0. пер - Go.max счетчик имеет минимальный предел относительной погрешности, составляющей, например ± 2 %, в области G0. min - G0. пер нормируется большее значение погрешности, достигающее, например ±4 %. Тахометрические расходомеры разных типов: для горячей и холодной воды, нефтепродуктов, газа выпускаются многими отечественными и зарубежными фирмами и заводами: з-дом «Водо- прибор», «Ценнер водоприбор», «Тепловодомер», «Саяны» (Москва), «Промприбор» (г. Ливны), Арзамасским приборостроительным заводом, «Промприбор» (г. Ивано-Франковск), концерном ABB, фирмами Siemens, Invensys Metering Systems, Brooks Instrument и др.

Электромагнитные расходомеры Принцип действия электромагнитных расходомеров основан на законе электромагнитной индукции, в соответствии с которым в электропроводной жидкости, пересекающей магнитное поле, индуцируется ЭДС, пропорциональная скорости движения жидкости. Серийные электромагнитные расходомеры предназначены для измерения расхода жидкостей с электропроводностью не менее 10-3 См /м (соответствует электропроводности водопроводной воды). Имеются специальные расходомеры, позволяющие измерять расход жидкостей с электропроводностью до 10-5См/м. В настоящее время электромагнитные расходомеры это самые распространенные приборы для измерения расхода воды в трубопроводах диаметром менее 250 мм. Что объясняется их следующими положительными чертами: показания не зависят от вязкости и плотности среды; динамический диапазон достигает 100 и более; преобразователи расхода являются безынерционными; они не имеют частей, выступающих внутрь трубы, и, таким образом, не создают потери давления; влияние местных сопротивлений значительно меньше, чем у других расходомеров, поэтому требуемая длина прямых участков для них минимальная; электромагнитные расходомеры применяются на трубопроводах диаметром от 2 до 4000 мм; электромагнитные расходомеры могут быть использованы в ряде случаев, когда применение расходомеров других типов затруднено или невозможно вовсе: при измерении расхода агрессивных, абразивных и вязких жидкостей, пульп, жидких металлов.

Отечественными и зарубежными фирмами выпускается широкий спектр микропроцессорных электромагнитных расходомеров: МР400 (ф. «Взлет»), ИПРЭ-1 (Арзамасский приборостроит. з-д), РМ-5 (ф. «ТБН»), РОСТ 13, ТРЭМ-ПР (з-д «Молния»), ВИС. Т (ф. «Тепловизор»), РСМ-05 (ф. «ТЭМ-прибор»), VA 2305 (ф. Aswega), Magne W 3000 PLUS (ф. Honeywell), IMT96 (ф. Foxboro), ADMAD (ф. Yokogawa), SITRANS FM (ф. Siemens) и др. Эти приборы помимо цифровых показаний и токового выходного сигнала могут иметь импульсный выход, интерфейсы RS-232, RS-485, а в ряде случаев HART-, BRAIN- и Profibus-протоколы. К числу недостатков электромагнитных расходомеров следует отнести требования к минимальному значению электропроводности измеряемой среды, что сужает круг использования таких расходомеров. Другой недостаток расходомеров низкий уровень информативного сигнала (мкВ) и необходимость тщательной защиты преобразователя и линий связи от внешних помех.

Акустические расходомеры Ультразвуковые расходомеры подразделяются на: расходомеры, работающие по принципу перемещения акустических колебаний движущейся средой расходомеры, работающие на принципе эффекта Допплера Наибольшее применение получили расходомеры, сконструированные на принципе измерения разности времени прохождения акустических колебаний по направлению потока и против потока измеряемого вещества. Приборы, в которых акустические колебания проходят перпендикулярно к потоку и измеряется величина отклонения этих колебаний от первоначального направления встречаются редко. Приборы работающие на явлении Допплера, используются для измерения местной скорости потока, реже для измерения расхода вещества и имеют более простые измерительные схемы. Кориолисовы расходомеры приборы, использующие для измерения массового расхода жидкостей, газов и всвесей без предварительного определения плотности и объема эффект Кориолиса.

Ультразвуковые расходомеры, как правило, используют для измерения объемного расхода вещества, но при добавлении в конструкцию расходомера реагирующего на плотность измеряемого вещества акустического преобразователя, возможно измерение массового расхода. Погрешность измерения ультразвуковых расходомеров находится пределах от 0,1 до 2,5 %. Чаще всего такие расходомеры используют при измерении расхода жидкости, так как газы имеют низкое акустическое сопротивление и сложность получения интенсивных звуковых колебаний. Ультразвуковые расходомеры применяют для измерения расхода в трубах диаметром 10 мм и больше. Существующие ультразвуковые расходомеры очень разнообразны как по устройству первичных преобразователей, так и по применяемым измерительным схемам. При измерении расхода чистых жидкостей обычно применяют высокие частоты (0,1-10 МГц) акустических колебаний. При измерении же загрязненных веществ частоты колебаний приходится существенно снижать вплоть до нескольких десятков килогерц во избежание рассеяния и поглощения акустических колебаний. Необходимо, чтобы длина волны была на порядок больше диаметра твердых частиц или воздушных пузырей. Низкие частоты применяют в ультразвуковых расходомерах газа. К недостаткам можно отнести: необходимость во внешнем питании; чувствительность к загрязнениям и влажности газа; необходимость коррекции при изменении температуры среды; сравнительно небольшой срок опыта эксплуатации; высокая цена (экономическая целесообразность использования только для измерения больших расходов).

Вихревые расходомеры. Вихревыми называют такие расходомеры, измерение расхода в которых происходит путем измерения частоты колебания давления. Такие колебания давления в потоке появляются в процессе образования вихрей или колебания струи, путем обтекания препятствия некоторой формы, которое устанавливается в трубопроводе, либо путём закручивания потока другими средствами. Впервые, вихревой расходомер появился в Америке, Советском союзе и Японии в начале 60-х гг XX века. Конечно, это были не такие современные приборы, какие можно увидеть в настоящее время, однако, именно в те года была заложена база, для развития приборостроения в этой отрасли. В современной России, первые модели вихревых расходомеров пара и газа, относятся к середине 90-х гг. XX века. Вихревой расходомер, использующий метод, заключающийся в измерении перепадов давления на сужающем устройстве, является наиболее универсальным расходомером, поскольку подходит для вычисления скорости расхода любой жидкой или газообразной среды, за некоторым исключением, в трубах большого и малого диаметров в широком диапазоне температур и избыточного давления. Поток жидкости или газа пытается обогнуть тело, установленное в расходомере, в результате движения меняет направление обтекающих струй и увеличивает скорость, уменьшая при этом давление. После прохождения препятствия (тела) за миделевым сечением, происходит уменьшение скорости и увеличение давления. Таким образом, на передней части обтекаемого тела наблюдается повышенное давление, а на задней - пониженное давление. Пройдя миделевое сечение, пограничный слой потока отрывается от тела и под действием перепада давлений (из высокого в низкое), образуемого за телом, меняет направление своего движения, создавая завихрения. При этом, образование завихрений происходит поочередно с обеих сторон тела.

Преимущества вихревых расходомеров: Надежность и простота в эксплуатации; Отсутствие движущихся частей; Высокая точность измерений; Большой диапазон измерения по давлению и температуре, диаметру трубы; Подходит практически для всех жидких и газообразных сред; Стабильность показаний; Нечувствительность к загрязнениям и отложениям. Недостатки, у данного типа расходомеров, тоже присутствуют: Невозможность использования при малых скоростях потока; Значительная потеря давления (потери до 45 к Па); Невозможность использования с трубами диаметром выше 300 мм и сложность при использовании с трубами до 150 мм; Чувствительность к вибрационным, шумовым и звуковым помехам (от насосов, компрессоров и др.). Мировыми лидерами по производству расходомеров вихревого типа являются компании Endress+Hauser (Германия), Yokogawa Electric (Япония) и EMCO (США). На территории России и СНГ наибольшей популярностью пользуются расходомеры, разрабатываемые и выпускаемые промышленной группой Метран, компаниями ЭМИС и Dymetic.

Тепловые расходомеры Тепловыми называются расходомеры, основанные на измерении зависящего от расхода эффекта теплового воздействия на поток или тело, контактирующее с потоком. Чаще всего их применяют для измерения расхода газа и реже для измерения расхода жидкости. Тепловых расходомеры различают по: способу нагрева; расположению нагревателя (снаружи или внутри трубопровода); характеру функциональной зависимости между расходом и измеряемым сигналом. По характеру теплового взаимодействия с потоком тепловые расходомеры подразделяются на: калориметрические (при электрическом омическом нагреве нагреватель расположен внутри трубы); термоконвективные (нагреватель расположен снаружи трубы); термо-анемометрические

Достоинством калориметрических и термоконвективных расходомеров является неизменность теплоёмкости измеряемого вещества при измерении массового расхода. Помимо этого в термоконвективных расходомерах отсутствует контакт с измеряемым веществом, что также является их существенным достоинством. Недостаток и тех и других расходомеров - их большая инерционность. Для улучшения быстродействия применяют корректирующие схемы, а также импульсный нагрев. Термоанемометры в отличие от остальных тепловых расходомеров весьма малоинерционны, но они служат преимущественно для измерения местных скоростей. Приведенная погрешность термоконвективных расходомеров обычно лежит в пределах ±(l,5-3) %, калориметрических расходомеров ±(0,3-1) %. Тепловые расходомеры с нагревом электромагнитным полем или жидкостным теплоносителем применяются значительно реже. Электромагнитное поле создается с помощью излучателей энергии высокой частоты, сверхвысокой частоты или инфракрасного диапазона. Достоинством первых тепловых расходомеров с нагревом электромагнитным полем является сравнительно малая инерционность. Они предназначены в основном для электролитов и диэлектриков, а также селективно-серых агрессивных жидкостей. Расходомеры с жидкостным теплоносителем применяют в промышленности при измерении расхода пульп, а также при измерении расхода газожидкостных потоков.

Меточные расходомеры. Меточными называют расходомеры, основанные на измерении времени перемещения какой-либо характерной части (метки) потока на контрольном участке пути. Метку в потоке создают, как правило, искусственным путем. Метки могут быть самые разнообразные: ионизационные, радиоактивные, физико-химические, тепловые, оптические, ядерно-магнитные и др. Соответственно различны будут устройства для создания метки и ее детектирования при прохождении ею контрольного участка пути. Радиоактивные, физико-химические и некоторые оптические метки создают путем ввода в поток постороннего вещества-индикатора. В большинстве остальных случаев метка образуется в самом потоке без ввода постороннего вещества. Меточные расходомеры приборы не непрерывного, а дискретного действия, но при высокой частоте образования меток можно практически говорить о непрерывном измерении расхода. Значительно чаще меточные расходомеры применяют не в качестве эксплуатационных приборов для непрерывного измерения, а для различных лабораторных и исследовательских работ, и в частности при градуировке и поверке других расходомеров.

Виды меток: радиоактивные физико-химические ионизационные тепловые оптические электромагнитные ЯМР (ядерно-магнитно-резонансные) Точность измерения расхода меточными расходомерами зависит не только от точности измерения времени, но также от точности определения средней площади поперечного сечения трубопровода между контрольными отметками. У смонтированной трубы точное измерение внутреннего диаметра трубы и оценка ее эллиптичности не всегда возможны. В этом случае дополнительная погрешность в определении расхода может составлять 12 %. Кроме того, у некоторых меток скорость их перемещения определяется не только скоростью потока, но зависит еще и от физических свойств метки. Так у тепловых меток на скорость их перемещения влияет теплопроводность измеряемого вещества.

Кориолисовые расходомеры Преимущества измерения кориолисовым расходомером: высокая точность измерений параметров; работают вне зависимости от направления потока; не требуются прямолинейные участки трубопровода до и после расходомера; нет затрат на установку вычислителей расхода; надёжная работа при наличии вибрации трубопровода, при изменении температуры и давления рабочей среды; длительный срок службы и простота обслуживания благодаря отсутствию движущихся и изнашивающихся частей; нет необходимости в периодической перекалибровке и регулярном техническом обслуживании; измеряют расход сред с высокой вязкостью. Кориолисовы расходомеры приборы, использующие для измерения массового расхода жидкостей, газов и всвесей без предварительного определения плотности и объема эффект Кориолиса.

Инерциальные расходомеры Отдельную группу составляют так называемые инерциальные массовые расходомеры, в которых измеряемому веществу сообщаются дополнительные движения. Показания таких расходомеров не зависят от параметров вещества и целиком определяются весовыми расходами. В зависимости от того, какое дополнительное движение сообщается потоку (при помощи вращающегося или колеблющегося звена), чувствительным элементом измеряется усилие Кориолиса, гироскопический эффект или вращающий момент, которые будут пропорциональны массовому расходу вещества.