Измерение при помощи шайбы

На пути потока ставится шайба (диск с отверстием в центре, края отверстия специально обработаны для получения высокой точности). Создается разность давлений, которая связана зависимостью с расходом. В отличие от трубы Вентури искусственное сопротивление на пути потока здесь создается шайбой. Это наиболее распространенный способ измерения расхода.

Недостатки – большие потери давления, малый диапазон измеряемых расходов, относительно небольшой срок службы. При наличии в потоке твердых включений кромки «шайбы» притупляются; для точного измерения расхода необходимо создать большой перепад давления, что приводит к энергетическим потерям.

В месте сужения всегда присутствуют потери на трение, которые можно уменьшить за счет выбора гидродинамически обтекаемой формы. Примером такого устройства является труба Вентури(рис. 2.18), 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.

Труба Вентури.

Здесь v1>v2. Разность давлений измеряем с помощью дифференциального манометра, к которым подводятся трубки.

Преимущества – создает меньше потери давления.

Недостатки – сложная конструкция.

Турбинные расходомеры. 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.

Варианты конструкций:

Турбина в виде пропеллера или мельничного колеса. На выходе электрический сигнал (синусоидальный, прямоугольный и др. в зависимости от применяемых первичных преобразователей), изменяющийся пропорционально скорости потока.

На выходе может быть и неэлектрический сигнал. В пример этому случаю можно поставить квартирные счетчики воды, газа и др.

Ультразвуковые расходомеры. 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. 2.20).

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 по 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, затем они меняются ролями: второй преобразователь становится излучателем, а первый - приемником. В одном случае составляющая скорости жидкости v*cosα увеличивает время пробега волны, в другом - уменьшает. Исходя их двух измерений, можно определить среднюю скорость жидкости v.

Рис. 2.20. Принцип ультразвукового измерения расхода:

а — прямой метод; б — метод отражения

Второй способ основан на разности частот излученных и принятых импульсов Составляющая v*cosα 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 измерении 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 ЭДС, величина которой прямо пропорциональна индукции магнитного поля и скорости движения проводника; ЭДС 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. ЭДС, индуцируемая в жидкости, измеряется двумя изолированными электродами; она пропорциональна расходу. Можно показать, что ЭДС между противоположными точками трубы мало зависит от распределения скоростей по сечению трубы (профиля скорости). Поскольку принято, что сечения трубы постоянно, то выходное напряжение пропорционально расходу.

Вихревые расходомеры. Следующий способ измерения расхода жидкости в трубе основан на эффекте фон Кармана (von Kdrmin). Если тело определенной формы помещено в поток жидкости, то в кильватерной струе возникает турбулентность, порождающая области с переменным давлением, которые можно обнаружить датчиками. Частота вихрей, попеременно срывающихся с граней плохообтекаемого тела, прямо пропорциональна скорости жидкости, а, следовательно, и объемному расходу.

Один из способов съема сигнала – механически соединить лопатку с пьезокристаллом, и снимать с его обкладок напряжение с частотой пропорциональной частоте срыва вихрей. Другие способы съема сигнала:

Замыкание-размыкание

Фиксирование частоты вихреобразования с помощью датчиков давления:

Фиксирование частоты вихреобразования с помощью ультразвука.

Возмущенный поток искажает сигнал, в результате УЗ-сигнал будет модулированным (fнес>fинф.сигнал) fвихр.=1Гц…1.5÷2кГц.