Способы определения расхода потока

Способ измерения расхода потока

Изобретение позволяет измерить массовый расход среды переменного состава. Термоконвективным преобразователем, включающим нагреватель и два пленочных терморезистора, расположенные на наружной поверхности трубы, измеряют время _д переноса тепловой метки между нагревателем и фиксированным (контрольным) участком, а также время _к переноса метки по контрольному участку. По разности (_дк) судят о плотности измеряемой среды. Величина _д служит для вычисления объемного расхода. Изобретение обеспечивает повышение точности измерения массового расхода в условиях изменения свойств среды. 3 ил.

Изобретение относится к области приборостроения, в частности к способам измерения расхода потоков веществ.

Среди тепловых способов измерения расхода различают контактный (калориметрический) и неконтактный (термоконвективный) способы измерения. Достоинством обеих способов является возможность измерения массового расхода при условии неизменности теплоемкости измеряемого вещества. Еще одно достоинство термоконвективных расходомеров — отсутствие контакта с измеряемым веществом. Недостаток тех и других — большая инерционность. Для повышения быстродействия используют различные методы, один из которых меточный.

Известные неконтактные способы измерения скоростей и расходов потоков жидкостей и газов основаны на измерении времени переноса тепловой метки между двумя сечениями измерительного участка, в которых производится регистрация метки /Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. Л., Машиностроение, 1989. — 701 с./.

Наиболее близким по своей методике является неконтактный способ измерения расхода потоков на основе тепловых меток, в котором с целью введения коррекции по составу контролируемой среды и определения массового расхода дополнительно измеряют скорость охлаждения метки /Авторское свидетельство СССР N 832341, кл. G 01 F 1/70, (прототип)/.

Основным недостатком указанного неконтактного способа является ограниченная точность, обусловленная следующими факторами.

1. Однозначная зависимость между скоростью (темпом) регулярного охлаждения метки в процессе переноса ее потоком с величиной коэффициента температуропроводности (_c) измеряемой среды имеет место только при отсутствии теплопотерь в окружающую измерительный преобразователь расходомера внешнюю среду или при постоянстве их. В реальных условиях, при измерении расхода неконтактным тепловым методом теплопотерь в окружающую среду практически избежать не удается, кроме того их величина зависит от расхода, что и приводит к увеличению погрешности измерения величины _c, а следовательно, к снижению точности определения массового расхода.

2. Реализация измерения скорости (темпа) охлаждения метки по формуле: где T_м -температура метки; T_п — температура потока (измеряемой среды); — время, сопряжена с достаточно сложными совокупными измерениями, включающими операции логарифмирования и дифференцирования, что также ограничивает точность измерения.

Поэтому актуальна проблема повышения точности измерения расхода меточным неконтактным тепловым (термоконвективным) методом.

Решение этой проблемы достигается тем, что дополнительно измеряют время переноса тепловой метки между ее источником и фиксированным (контрольным) участком.

В неконтактных термоконвективных преобразователях расхода при реализации меточного метода измерения процессы переноса теплоты от источника меток (нагревателя) в поток вещества и от потока к термопреобразователям осуществляются через стенку канала путем теплопроводности и конвекции.

Для исключения инерционности указанных тепловых процессов время переноса метки определяется на контрольном участке между двумя термопреобразователями по моментам достижения максимумов их реакций при прохождении тепловой метки. Эта величина времени переноса метки (_к) по контрольному (фиксированному) участку однозначно связана с объемным расходом и не зависит от свойств и состава измеряемой среды. Именно регистрация по максимумам реакции на метку обеспечивает инвариантность показаний расходомера к свойствам и составу измеряемой среды. Это подтверждено экспериментально (см. фиг. 2), а также следующими аналитическими выкладками.

Из анализа решение идеализированной задачи о распространении теплового импульса (метки) в потоке жидкости: где T_п(x,t) — температура потока жидкости; T_о — начальная температура тепловой метки; x — линейная координата;
_c — коэффициент температуропроводности жидкости;
2 l — начальная длина тепловой метки;
следует, что при достижении максимумом метки зоны регистрации (то есть при T_п/ = 0) имеет место соотношение:

справедливость которого возможна только при выполнении условия x = v t или t = x/l, то есть в рамках принятых допущений время переноса метки определяется только координатой регистратора (термопреобразователя) и средней скоростью (объемным расходом) жидкости и не зависит от ее свойств.

Чтобы учесть изменение свойств (состава) измеряемой среды и определить массовый расход в условиях этого изменения, предлагается дополнительно измерять время переноса метки между источником метки (нагревателем) и фиксированным (контрольным) участком. Величина этого времени (_д) будет складываться не только из времени переноса метки потоком, но и из длительности процессов кондуктивно-конвективного переноса теплоты от нагревателя к потоку жидкости и от потока через стенку канала (металлической трубы) к термопреобразователю. Именно инерционность конвективной составляющей процессов формирования метки в потоке вещества и ее регистрации на наружной поверхности стенки канала (трубы) в зоне от нагревателя до фиксируемого (контрольного) участка существенно зависит не только от величины объемного расхода, но и от свойств (состава) среды. Если для простоты принять вариант, когда длина фиксируемого участка равна расстоянию от нагревателя до указанного фиксируемого участка (l₁ = l₂), то по разности (_д—_к) можно судить о свойствах среды (например, ее плотности) и обеспечить измерение массового расхода жидкости с переменными свойствами, получив при этом более высокую точность, за счет минимизации недостатков известного способа.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства для осуществления предлагаемого способа.

Расходомер содержит: канал (металлический патрубок) 1, на наружной поверхности стенки которого размещены нагреватель 2 (например, проволочный); 3 и 4 — измерительные термопреобразователи; 5 и 6 — компенсационные термопреобразователи (пленочные терморезисторы), включенные в схемы неуравновешенных мостов 7 и 8 постоянного тока с усилителями; блок 9 управления нагревателем и вычислительный (микропроцессорный) блок 10.

Способ осуществляется следующим образом. Блок управления 9 периодически включает нагреватель 2, генерируя в поток тепловые метки. При включении нагревателя подается команда микропроцессорному блоку 10 на начало измерения времени. По достижении максимума величины реакции на терморезисторе 3, от прохождения тепловой метки, усиленный выходной сигнал с моста 7 обеспечивает фиксацию времени переноса _д и начинается отсчет времени переноса метки между терморезисторами 3 и 4. При возникновении максимума сигнала на терморезисторе 4, через мост 8 с усилителем, блоком 10 определяется время переноса метки по контрольному участку _к, а следовательно, и величина объемного расхода G₀; по разности (_д—_к), определяемой также блоком 10, судят о свойствах потока (например, плотности) и затем определяют величину массового расхода (G_м = G₀). Графическая иллюстрация указанных операций представлена на фиг. 2 и 3, где
и _к зм — измеренное время переноса метки потоком по контрольному участку;
G_о изм — определенная блоком 10 величина объемного расхода;
и _д зм — измеренное время переноса метки от нагревателя до контрольного участка;
изм — найденная блоком 10 величина плотности;
1-_к = f(G₀);
2,3,4,5-_д = f(G₀,);

— = 1115 кг/м 3 .
Экспериментальная проверка предлагаемого способа и его сравнение с известным проводилась в диапазоне расходов 0 — 40 кг/ч на потоках водных растворов солей NaCl и Na₂CO₂, с концентрацией от 4 до 16% вес. Использовался первичный преобразователь со следующими параметрами:
— внутренний диаметр патрубка — d_вн = 5 мм;
— толщина стенки патрубка — _cт = 0,3 мм;
— материал патрубка — нержавеющая сталь;
— напряжение, подаваемое на нагреватель в момент импульса — U_н = 36B;
— длительность импульса — _н = 0,2 c.
Границы распределения погрешности определения _д (как дополнительного информативного параметра о свойствах среды) составляют не более 1.8%, а при определении скорости охлаждения метки (темпа) — порядка 3%. В итоге, как показали эксперименты, погрешность определения массового расхода предлагаемым методом, в условиях изменения свойств среды, на 1 — 1.2% ниже, чем у прототипа /Авторское свидетельство СССР N 832341, кл. G 01 F 1/70/.

Способ измерения расхода потока с использованием термоконвективного преобразователя расхода, основанный на измерении времени _к переноса тепловой метки на фиксированном участке, с коррекцией по составу контролируемого потока, отличающийся тем, что дополнительно измеряют время _д переноса метки между ее источником и фиксированным участком и по разности (_д—_к) судят о составе среды.

Источник

Измерение расхода жидкости: приборы и методы

Расход – это объем жидкости протекающий в единицу времени через поперечное сечение трубопровода. Измерение расхода жидкости является одной из задач при производственных испытаниях оборудования.

В этой статье мы собрали для Вас все современные методы определения расхода жидкости, а так же приборы для измерения расхода: трубчатые расходомеры, расходомерные шайбы, крыльчатые расходомеры, ультразвуковые и вихревые расходомеры.

Содержание статьи

Методы измерения расхода жидкости

Наиболее простые и вместе с тем точные методы измерения расхода жидкости являются объемный и массовый (весовой).

В соответствии с методами измерения, единицами расхода жидкости являются:
для объемного способа: м 3 /с, м 3 /ч
для массового способа: кг/c, кг/ч, г/с и т.д.

При объемном способе измерения протекающая в исследуемом потоке(например, в трубе) жидкость поступает в особый, тщательно протарированный сосуд (так называемый мерник), время наполнения которого точно фиксируется по секундомеру.

Если известен объем мерника – V и измеренное время его наполнения – T, то объемный расход будет

При весовом способе взвешиванием находят вес G_v = m_v*g (где g – ускорение свободного падения) всей жидкости, поступившей в мерник за время T. Затем определяют её массу

и массовый расход

и по ней, зная плотность жидкости (ρ), вычисляют объемный расход

Но объемный и весовой методы измерения расхода жидкости пригодны только при сравнительно небольших значениях расхода жидкости, так как в противном случае размеры мерников получаются довольно громоздкими и, как следствие, замеры очень затруднительными.

Кроме того, этими способами невозможно измерить расход в произвольном сечении, например, длинного трубопровода или канала без нарушения их целостности. Поэтому, за исключением случаев измерения сравнительно небольших расходов жидкостей в коротких трубах и каналах, объемный и весовой способы, как правило, не применяются, а на практике пользуются специальными приборами, которые предварительно тарируются объемным или весовым способом.

Приборы для измерения расхода жидкости

Трубчатые расходомеры

Одним из таких приборов является трубчатый расходомер или расходомер Вентури. Большим достоинством этого расходомера является простота конструкции и отсутствие в нем каких-либо движущихся частей. Трубчатые расходомеры могут быть горизонтальными и вертикальными. Рассмотрим, к примеру, горизонтальный вариант.

Расходомер состоит из двух цилиндрических труб А и В диаметра d₁, соединенных при помощи двух конических участков (патрубков) С и D с цилиндрической вставкой E меньшего диаметра d₂. В сечениях 1-1 и 2-2 расходомера присоединены пьезометрические трубки a и b, разность уровней жидкости h в которых показывает разность давлений в этих сечениях.

Расход жидкости в этом случае определяется по тарировочным кривым, полученным опытным путем и дающим для данного расходомера прямую зависимость между показаниями манометра и измеряемыми расходами жидкости. Пример такой кривой на картинке рядом

Расходомерная шайба

Другим широко распространенным прибором для измерения расхода является расходомерная шайба (или диафрагма), обычно выполняемая в виде плоского кольца с круглым отверстием в центре, устанавливаемого между фланцами трубопровода

Края отверстия чаще всего имеют острые входные кромки под углом 45° или закругляются по форме втекающей в отверстие струи жидкости (сопло). Два пьезометра a и b (или дифференциальный манометр) служат для измерения перепада давления до и после диафрагмы. В основе метода положен принцип неразрывности Бернулли.

Расход в этом случае определяется по замеренной разности уровней в трубках. Трубки подсоединяют к датчикам, замеряющим перепад давления. Датчик перепада давления преобразует перепад в электрический сигнал, который отправляется на компьютер.

Крыльчатый расходомер

Расходы могут быть вычислены также в результате измерения скоростей течения жидкости и живых течений потока.

Одним из широко распространенных приборов, применяемых для этой цели является гидрометрическая вертушка. Современный турбинный расходомер устанавливают только на горизонтальном участке трубопровода. Лопасти крыльчатки колеса турбины изготавливают из не магнитного материала.

Вертушка состоит из крыльчатки А, представляющей собой колесо с винтовыми лопастями, насаженное на горизонтальный вал С. Когда она установлена в потоке, крыльчатка под действием протекающей жидкости вращается, причем число её оборотов прямо пропорционально скорости течения. Число импульсов за один оборот крыльчатки равно числу лопастей, а значит частота импульсов пропорциональна расходу.

При вращении лопасти поочередно пересекают магнитное поле, которое наводит электродвижущую силу в катушке в виде импульса. От вертушки вверх выводятся провода В, подающему сигнал к специальному счетчику, автоматически записывающему число оборотов и время.

Приборы для измерения расхода жидкости в этом случае называют турбинными расходомерами

Ультразвуковой метод измерения расхода

Ультразвуковой расходомер работает по принципу использования разницы по времени прохождения ультразвукового сигнала в направлении потока и против него.

Расходомер формирует электрический импульс, поступающий на пьезоэлемент П1, который излучает электромеханические колебания в движущуюся среду. Эти колебания воспринимаются через некоторое время пьезоэлементом П2, преобразуются им в электрический импульс, попадающий в электронное устройство и снова направляемый им на пьезоэлемент П1 и т.д.

Такой 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 своей частотой f2 повторений импульсов, прямо пропорциональной расстоянию между пьезоэлементами и обратно пропорциональной сумме скоростей распространения звука в среде и самой среды.

Следующим шагом является определение разности Δf указанных частот, которая пропорциональна расходу среды. Приборы для измерения расхода жидкости называются ультразвуковые расходомеры.

Вихревой метод измерения расхода

В основу работы вихревых расходомеров положена зависимость между расходом и частотой возникновения вихрей за твердым телом (например, металлическим прямоугольным стержнем), которое расположено в потоке жидкости или газа.

Принцип действия преобразователя основан на ультразвуковом детектировании вихрей, образующихся в потоке жидкости, при обтекании жидкостью специальной призмы, расположенной поперек потока.

В зависимости от конструкции датчика чувствительные тепловые элементы устанавливаются непосредственно в теле датчика или вихревой дорожке.

Если в тело образующее вихри, установить магнит, то он может служить датчиком. Реакция, возникающая при срыве вихрей, заставляет помещённый в поток цилиндр колебаться с частотой вихреобразования. Достоинством вихревых расходомеров является, обеспечение низкой зависимости качества измерений от физико-химических свойств жидкости, состояния трубопровода, распределения скоростей по сечению потока и от точности монтажа первичных преобразователей на трубопроводе. Приборы для измерения расхода жидкости называются вихревые расходомеры.

Видео о измерении расхода

При проведении измерения расхода, в некоторых случая используется понятие количества вещества – это количество жидкости или другой среды, проходящей через поперечное сечение трубопровода в течении определенного промежутка времени(за час, месяц, рабочую смену и т.д.)

Приборы для измерения количества вещества по аналогии с измерением расхода монтируются на – на трубопроводе, с выводом вторичного прибора к оператору.

Источник