Измерение объемного расхода

Объемный расход можно определить на основе скорости истечения потока. Связь между этими величинами однозначно определяется геометрией сечения трубы, где производится измерение, поэтому их взаимный пересчет легко выполняется с помо­щью калибровочной таблицы, поставляемой производителем датчика. Для измере­ния объемного расхода можно использовать следующие физические принципы:

- разность давлений;

- скорость вращения турбины;

- распространение ультразвука в жидкости;

- магнитную индукцию;

- интенсивность образования вихрей.

Датчики расхода, основанные на измерении разности давлений, работают в соот­ветствии с законом Бернулли. Движущаяся в трубопроводе жидкость имеет постоян­ный объемный расход во всех сечениях. Даже если трубопровод имеет сужение, то массовый и объемный расход должны оставаться одинаковыми. Чтобы удовлетво­рить законы сохранения энергии и количества движения, в месте сужения скорость и статическое давление жидкости должны отличаться от остальных сечений трубопро­вода. В соответствии с законом Бернулли в месте сужения скорость движения жид­кости увеличивается, а давление падает. По величине перепада давления можно рассчитать скорость жидкости. Расход пропорционален ;коэффициент пропорциональности зависит от геометрии сужения. Для измерения можно исполь­зовать смещение мембраны, возникающее из-за увеличения давления. Если мембра­на соединена с магнитным сердечником дифференциального трансформатора, его выходное напряжение также будет пропорционально разности давлений и, следова­тельно, расходу жидкости (рис. 4.16 а).

В месте сужения всегда присутствуют потери на трение, которые можно умень­шить за счет выбора гидродинамически обтекаемой формы. Примером такого уст­ройства является трубка Вентури (рис. 4.16 б), которая состоит из сужающегося и расширяющегося сопел. Такая конструкция приводит к уменьшению вихреобразования при прохождении потока через наименьшее сечение и позволяет пренебречь по­терями на трение. Трубки Вентури обычно используются для измерений больших расходов в открытых каналах; однако их стоимость, как правило, выше, чем сто­имость обычных дифференциальных расходомеров.

Расход можно измерить турбиной со счетчиком частоты вращения, поскольку он пропорционален скорости вращения. Обычно этот принцип применяется в расходо­мерах, которые выдают импульс при прохождении через турбину определенного ко­личества жидкости. Такой измеритель можно использовать только для чистых жид­костей, так как любые твердые частицы будут мешать вращению турбины.

Простой способ измерения объемного расхода основан на свойствах распростра­нения ультразвука в жидкости. В результате ультразвукового измерения можно по­лучить среднюю скорость жидкости, которая определяется по скорости распростра­нения ультразвуковых волн. В предположении, что эта скорость равна средней скорости движения жидкости (скорость считается средней потому, что в действи­тельности она неравномерно распределена по сечению и меняется от точки к точке), объемный расход получается простым умножением полученной скорости на пло­щадь сечения трубопровода.

Ультразвуковое измерение выполняется с помощью двух пьезоэлектрических преобразователей, помещенных по разные стороны трубы на расстоянии (вдоль оси трубы) по крайней мере 100 мм друг от друга; они могут работать как в режиме излу­чения (прямом), так и в режиме отражения (рис. 4.17).

Существуют два основных способа ультразвуковых измерений: один основан на определении времени прохождения волны через жидкость, другой — на изменении частоты.

Первый способ связан с измерением разницы во времени распространения после­довательности импульсов в жидкости (скорость звука зависит от вида жидкости; она составляет 344 м/с в воздухе при комнатной температуре и 1483 м/с в воде). Сначала первый пьезопреобразователь генерирует группу импульсов, а второй принимает их, затем они меняются ролями: второй преобразователь становится излучателем, а первый — приемником. В одном случае составляющая скорости жидкости увеличивает время пробега волны, в другом — уменьшается. Исходя их двух измерений можно определить среднюю скорость жидкости v.

Второй способ основан на разности частот излученных и принятых импульсов. Составляющая скорости жидкости влияет на длину волны ультразвуковых импульсов (эффект Доплера), что означает, что их частота увеличивается в одном направлении и уменьшается в другом. Из разности частот можно найти среднюю скорость жидкости. Достоинство этих способов состоит в том, что результат не зави­сит от скорости распространения звука в конкретной жидкости и поэтому не требу­ется специальной градуировки устройства, поскольку измерения в разных направле­ниях компенсируют друг друга. В обоих случаях, однако, на результат измерений влияют неоднородность жидкости, пузырьки или твердые частицы.

Другое преимущество ультразвуковых измерений состоит в том, что датчики

лег­ко монтируются на трубе (существуют даже переносные приборы), не требуют изме­нения ее конструкции, не влияют на характеристики потока (нет потерь давления в месте установки датчика). Точность измерений такая же, как и для датчиков других типов, — в пределах 0.5-1 % от измеряемой величины.

Магнитные датчики расхода работают на основе закона Фарадея, который утверж­дает, что в проводнике, движущемся в магнитном поле, возникает Э.д.с., величина ко­торой прямо пропорциональна индукции магнитного поля и скорости движения про­водника; Э.д.с. ориентирована в пространстве перпендикулярно направлению поля и движению проводника. При магнитном измерении расхода проводник образуется движущимися ионами электропроводящей жидкости; проводимость жидкости долж­на составлять по крайней мере 0.1 мкСм/см. Магнитное поле создается двумя обмот­ками, расположенными по разные стороны трубы, питающимися переменным или пульсирующим постоянным током. Э.д.с., индуцируемая в жидкости, измеряется двумя изолированными электродами; она пропорциональна расходу. Можно пока­зать, что Э.д.с. между противоположными точками трубы мало зависит от распреде­ления скоростей по сечению трубы (профиля скорости). Поскольку принято, что се­чение трубы постоянно, то выходное напряжение пропорционально расходу.

Следующий способ измерения расхода жидкости в трубе основан на эффекте фон Кармана. Если тело определенной формы помещено в поток жид­кости, то в кильватерной струе возникает турбулентность, порождающая области с переменным давлением, которые можно обнаружить датчиками. Частота порождения вихрей прямо пропорциональна скорости жидкости. Из-за весьма сложной зави­симости между расходом и скачками давления и влияния других факторов (напри­мер, температуры) вихревые расходомеры требуют специальных электронных устройств обработки, которые обычно монтируются вместе с датчиком.

За исключением магнитных методов измерения расхода все другие способы основаны на наблюдении каких-либо гидродинамических характеристик потока. Точность измерений для ламинарных потоков выше, чем для турбулентных. Для исключения влияния различных элементов гидравлического тракта (насосов, из­гибов и соединений труб и т. д.) во всех случаях требуется, чтобы до и после датчи­ка были сглаживающие прямолинейные участки трубопровода длиной, равной по крайней мере 10-кратному диаметру, — они не должны содержать каких-либо вносящих возмущения элементов (клапанов, сужений и т. п.). Такие участки тру­бопровода необходимы для придания потоку ламинарного характера и для гаше­ния турбулентности.