E=Blvcp,

где В - электромагнитная индукция в зазоре между полюсами магнита,[Тл], l- расстояние между электродами,[м]; vcp -средняя скорость потока,[м/с].

Поскольку площадь сечения трубы постоянна, ЭДС, снимаемая с электродов, может быть выражена через объемный расход жидкости:

,

где  внутренний диаметр трубы, равный расстоянию между электродами l, [м]. Далее сигнал, пропорциональный расходу, подается на измерительный блок, где он приводится к стандартизованному виду, и затем передается к прибору или другому измерительному устройству. Электромагнитные расходомеры обеспечивают измерение расхода в диапазоне от 0,32 до 2500 м3/ч при трубопроводах с внутренним диаметром от 3 мм до 1 м и более, линейной скорости движения от 0,6 до 10 м/с. Погрешность электромагнитных расходомеров

Достоинства: линейность характеристики, возможность использования в трубопроводах любого диаметра, показания не зависят от примесей в среде, от её плотности и вязкости, нет потерь давления.

Недостатки: поляризация электродов (нестабильность работы прибора), работа только с электропроводной жидкостью, трудность усиления напряжения постоянного тока.

2.3.3 Расходомеры переменного уровня

Эти расходомеры применяются для измерения расхода загрязненных жидкостей. Принцип действия приборов основан на зависимости уровня жидкости в сосуде от расхода при свободном истечении ее через калиброванное отверстие (щель) в дне или боковой стенке. Профиль и диаметр отверстия рассчитываются таким образом, чтобы указанная зависимость была линейной. Уравнение расхода через отверстие в дне или стенке сосуда в общем виде выражается следующей зависимостью:

Используя уравнение (VIII.29), можно вывести зависимость между Q и Н для отверстия любой формы. Для получения равномерной шкалы прибора эта зависимость должна быть линейной:

Q = ,

где К- коэффициент пропорциональности

.

Щелевой расходомер с калиброванным незатопленным отверстием (щелью) в стенке корпуса (рис. VIII. 16) представляет собой емкость – корпус 1, разделенный перегородкой 4 с профилированной щелью. В левой части корпуса, куда подается измеряемая жидкость через подводящий патрубок, производится измерение её уровня с помощью пьезометрической уровнемерной трубки 2 и измерительного прибора - дифманометра 3.

Для измерения уровня жидкости могут применяться и другие типы уровнемеров.

Жидкость, поступающая в левый отсек корпуса, заполняет его, переливается через профилированную щель и через слив уходит в приемник и далее - по назначению.

Другой тип расходомера с отверстием в дне сосуда (рис. VIII.17) состоит из приемника - сосуда переменного уровня 1, корпуса 2, выходного отверстия с калиброванной диафрагмой или соплом 3. Высота столба жидкости над калиброванным отверстием 3 измеряется с помощью уровнемера - дифманометра 4.

Достоинства: щелевые расходомеры хорошо зарекомендовали себя при измерении сильно загрязненных и быстро кристаллизующихся жидкостей и растворов.

Недостатки: небольшой диапазон измерения 0,1—50 м3/ч; относительно высокая основная погрешность устройства: в комплекте со вторичным прибором ±3,5%.

2.4 Тепловые расходомеры

Тепловые расходомеры могут применяться при измерении небольших расходов практически любых сред при различных их параметрах. Кроме того, они весьма перспективны для измерения расхода очень вязких материалов. Принцип действия их основан на использовании зависимости эффекта теплового воздействия на поток вещества от массового расхода этого вещества.

Тепловые расходомеры могут выполняться по трем основным принципиальным схемам: калориметрические, основанные на нагреве или охлаждении потока посторонним источником энергии, создающим в потоке разность температур; теплового слоя, основанные на создании разности температур с двух сторон пограничного слоя; термоанемометрические, в которых используется зависимость между количеством теплоты, теряемой непрерывно нагреваемым телом, помещенным в поток, и массовым расходом вещества.

Выбор принципиальной схемы измерения зависит от измеряемой среды, необходимой точности, типа используемых термочувствительных элементов и режима нагрева. Для упруго-вязких пластичных веществ, предпочтительным является измерение по схеме термоанемометра с постоянной температурой подогрева потока.

Чувствительными элементами термоанемометрического являются резисторы R1 и R2, помещаемые (наматываемые) на стенке трубопровода на некотором расстоянии друг от друга. Манганиновые резисторы R3 и R4 служат для создания мостовой схемы, питаемой от источника напряжения . Сигнал разбаланса, пропорциональный изменению расхода, подается на электронный усилитель ЭУ, где усиливается и после этого управляет вращением реверсивного электродвигателя РД, который, производя перестановку движка компенсирующего переменного резистора Rp, изменяет напряжение питания до тех пор, пока разбаланс в измерительной диагонали моста не станет равным заданному. Мерой расхода могут служить показания амперметра, ваттметра или положение движка Rp.

С помощью тепловых расходомеров может быть обеспечена точность измерения расхода вязких продуктов ±22,5%.

Для измерения расхода газов используют калориметрические расходомеры. В состав расходомера входят: 1,2- термометры сопротивления, 3- электрический нагреватель. Если пренебречь теплотой, отдаваемой потоком в окружающую среду, то уравнение теплового баланса имеет вид:

,

где

кол-во теплоты, отдаваемое нагревателем жидкости или газу,поправочный коэффициент на неравномерность распределения температур по сечению трубы,массовый расход вещества,уд. массовая теплоёмкость при температуре

,

разность температур нагреваемой среды до и после нагревателя.

Существует два способа измерений расхода: измерение по мощности, потребляемой нагревателем и обеспечивающей постоянную разность температур ; измерение по разности температур  при постоянной мощности нагревателя (разность температур измеряется термометрами сопротивления, выполненных в виде сетки, что позволяет измерять среднюю температуру по сечению трубопровода). Второй способ является более экономичным, т.к. контролируемая среда нагревается на 1-3 ºС, поэтому даже при больших расходах потребляемая мощность невелика.

Достоинства: высокая точность измерений (), большой диапазон измерений (10:1), измерение пульсирующих и малых расходов.

Недостатки: сложность устройства для автоматического поддержания заданной разности температур и постоянного расхода электроэнергии на нагрев потока.

2.4.3 Вихревые расходомеры

В настоящее время разработаны и имеют весьма широкие перспективы применения вихревые расходомеры, принцип действия которых основан на зависимости от расхода частоты колебаний давления среды, возникающих в потоке в процессе вихреобразования.

Измерительный преобразователь вихревого расходомера (рис. VIII.19) представляет собой завихритель 1, вмонтированный в трубопровод, с помощью которого поток, завихряется (закручивается) и поступает в патрубок 2. На выходе из патрубка в расширяющейся области 4 установлен пьезометрический преобразователь 3, воспринимающий и преобразующий вихревые колебания потока (для которых имеет силу зависимость:

,

где частота пульсаций на преобразователе,-константа Строухала,диаметр лицевой, относительно потока, части препятствия,скорость потока) в электрический сигнал (переменное напряжение), который далее приводится к нормализованному виду, отвечающему требованиям ГСП.

Завихрения потока формируются таким образом, что внутренняя область вихря - ядро, поступая в патрубок 2, совершает только вращательное движение. На выходе же из патрубка в расширяющуюся область 4 ядро теряет устойчивость и начинает асимметрично вращаться вокруг оси патрубка.

Достоинства: широкий диапазон температур, возможность использования практически на любых средах.

Недостатки: чувствительность к влиянию внешних помех (вибрации), ненулевая шкала.

2.5 Акустические расходомеры

Для измерения расходов загрязненных, агрессивных и быстро-кристаллизующихся жидкостей и пульп, а также потоков, в которых возможны большие изменения (пульсации) расходов и даже изменения направления движения, когда не могут быть применены другие виды расходомеров, используются расходомеры акустические, чаще всего ультразвуковые (частота звуковых колебаний более 20 кГц).

В основном используют два метода. Один метод основан на измерении разности фазовых сдвигов двух ультразвуковых колебаний, направленных по потоку и против него (фазовые расходомеры).

Другой метод основан на измерении разности частот повторения коротких импульсов или пакетов ультразвуковых колебаний, направленных одновременно по потоку и против него (частотные расходомеры).

2.6 Фазовые расходомеры

Если колебания распространяются в направлении скорости потока, то они проходят расстояние L за время

где а — скорость звука в данной среде; V — скорость потока. При распространении колебаний против скорости потока время

Отношение  весьма мало по сравнению с единицей (для жидкостей скорость звука 1000...1500 м/с; V = 3...4 м/с), поэтому с большой степенью точности можно принять

В фазовых расходомерах фиксируется разность времени

На поверхности трубопровода расположены два пьезоэлектрических элемента 1 и 2. Пьезоэлемент 1 механическим переключателем 3 подключен к генератору высокочастотных синусоидальных электрических колебаний. Пьезоэлемент преобразует электрические колебания в ультразвуковые, которые направляются в контролируемую среду через стенки трубопровода. Пьезоэлемент 2 воспринимает ультразвуковые колебания, прошедшие в жидкости расстояние L, и преобразует их в выходные электрические колебания.

Наличие в схеме механического переключателя ограничивает возможность измерения быстро меняющихся расходов вследствие небольшой частоты переключений (порядка 10 Гц). Это можно исключить, если в трубопроводе установить две пары пьезоэлементов так, чтобы в одной паре излучатель непрерывно создавал колебания, направленные по потоку, а в другой — против потока. В таком расходомере на фазометр будут непрерывно поступать два синусоидальных колебания, фазовый сдвиг между которыми пропорционален скорости потока.

2.6.1 Частотно-пакетные расходомеры

Принцип действия этих расходомеров основан на измерении частот импульсно-модулированных ультразвуковых колебаний, направляемых одновременно по потоку жидкости и против него.

Генераторы Г создают синусоидальные колебания высокой частоты (10 МГц) и подают их через модуляторы М на излучающие пьезоэлементы П1 и ПЗ. Пьезоэлемент П1 создает направленные ультразвуковые излучения (с частотой 10 МГц), которые воспринимаются пьезоэлементом П2.

При неподвижной жидкости время распространения излучений при расстоянии L между пьезоэлементами

.

Если жидкость перемещается по трубе со скоростью V, то составляющая скорости в направлении движения ультразвуковых колебаний равна , следовательно, время перемещения колебаний между пьезоэлементами П1 и П2 по потоку жидкости

Соответственно время перемещения колебаний между пьезоэлементами ПЗ и П4 против направления потока

.

Модулятор совместно с двумя пьезоэлементами и усилителем-преобразователем УП включены в схему периодического модулирования. Как только первые колебания, поступающие на приемные пьезоэлементы П2 и П4, достигнут модуляторов, работающих в триггерном режиме, произойдет отключение генераторов от пьезоэлементов П1 и ПЗ, и излучение ультразвуковых колебаний прекращается. Оно возобновляется в те моменты, когда последние ультразвуковые колебания первых пакетов достигнут приемных пьезопреобразователей и генерация последних электрических колебаний прекратится. В эти моменты модуляторы вновь пропускают электрические колебания от генератора к приемным пьезоэлементам и процесс повторяется. Частота модулирования сигналов зависит от скорости потока и направления ультразвуковых колебаний (по потоку или против него).

Разность частот, определяемая пересчетной схемой ПС, пропорциональна скорости движения жидкости:

Разность  регистрируется прибором РП.

По значению  определяют скорость потока и объёмный расход:

,

где коэффициент, учитывающий различия в усреднении скорости по площади сечения трубопровода; внутренний диаметр трубопровода.

Разность частот прямо пропорциональна скорости и не зависит от скорости распространения звука в среде. Это является преимуществом частотного метода, так как исключается воздействие физических параметров среды (плотность, температура) на показания прибора.

Достоинства: относительно высокая точность (); широкий диапазон рабочих температур ( от -200ºС до +600ºС); возможность измерять быстропеременные (пульсирующие) расходы; для замены и обслуживания не требуется разгерметизации оборудования (исполнение с накладными датчиками); бесконтактность измерений; отсутствие движущихся частей в потоке; отсутствие потерь давления в трубопроводах; нет влияния физических факторов среды на показания прибора (плотность, температур и др.) при частотном методе; широкий диапазон диаметров трубопроводов (от 6 мм до 6500 мм); широчайший диапазон измерения величины расхода (0,0012985000 м³/ч).

Недостатки: зависимость точности измерений от качества стенок трубопровода.

2.7 Напорные устройства

Напорные устройства- устройства, создающие перепад давления, зависящий от динамического давления потока (скорости). Используются для измерения скорости потока, а также расходов жидкостей и газов (редко).

Принцип действия основан на помещении в трубопровод Г-образной трубки (трубка Пито), направленной изгибом на поток. Трубка воспринимает полное давление в трубопроводе равного сумме динамического, зависимого от скорости потока, и статического давления трубопровода. Чтобы измерять скорость или расход, помимо трубки Пито необходимо установить в трубопроводе ещё одну трубку для отбора статического давления, а так же ввести поправочныё коэффициент. Давление в трубке Пито выражается по следующей формуле:

,

где статическое давление в трубопроводе, плотность жидкости (газа),скорость потока.

Для второй трубке формула имеет вид:

Зная перепад давлений и плотность вещества можно найти скорость и расход.

Чаще для измерения расхода используют анюбар, который обеспечивает усреднение динамического давления потока по всему сечению трубопровода. Анюбар состоит из 2-х секций в одном корпусе, расположенных под углом 90º друг к другу. Отверстия положительной секции ("+") расположены встречно потоку, а отрицательной ("-") – перпе-ндикулярно.

Недостатком данного метода является то, что он применим только в трубопроводах большого диаметра.

Недостатки: сопротивление потоку (потеря давления), низкая точность ().

Достоинства: простота конструкции.

2.7.1 Кориолисовые расходомеры

Принцип действия основан на возникновении ускорения и силы Кориолиса в массе жидкости или протекании их через вибрирующую U-образную трубку. Расходомер состоит сенсора и преобразователя сигнала. Сенсор состоит из одной или двух U-образных трубок (нержавеющая сталь), электромагнитной катушки, расположенной в центре изгиба, 2-х индуктивных датчиков и поверхностного термометра сопротивления.

Среда, расход которой измеряется, поступает на вход преобразователя и изменяет направление движения по U-образной трубке. Среда проходит по одному колену трубки в прямом направлении, а по другому- в обратном. В середине U-образной трубке на её конце установлен электромагнит- вибровозбудитель, сообщающей трубке поперечное синусоидальное колебание. При этих условиях среда протекающая по трубке имеет поступательное и вращательное движение. Их совокупность вызывает появление ускорения и силы Кориолиса. За счёт разной направленности поступательного движения среды по коленам трубки сила Кориолиса в зоне перехода прямых участков трубки в дугообразные воздействует в противоположных направлениях и в зоне перехода на трубку действуют моменты сил, изгибающие трубку в вертикальной плоскости. Во входной половине трубки сила Кориолиса, действующая на трубку со стороны среды, расход которой измеряется, препятствует смещению трубки, а в выходной способствует смещению. В зонах перехода дугообразного участка трубки в прямолинейные участки установлены электромагнитные преобразователи результирующих колебаний трубки. Трубка колеблется в вертикальной плоскости с амплитудой пропорциональной массе среды протекающей через U-образную трубку. Электромагнитные преобразователи измеряют величину амплитуды колебаний и сдвиг фаз, который происходит за счёт отставания возникновения сил Кориолиса на сопряженных участках. Расход определяется путём измерения временной задержки между сигналами электромагнитных преобразователей, а плотность- измерением резонансной частоты колебаний (резонансная частота является функцией массы, а масса пропорциональна плотности). Термометр сопротивления на поверхности трубки учитывает изменение модуля упругости материала трубки.

Страницы: 1, 2, 3