Классификация и назначение расходомеров

Введение

Технические устройства, предназначенные  для измерения массового или  объемного расхода, называют расходомерами. При этом в зависимости от того, для измерения какого (объемного или массового) расхода предназначены расходомеры, их подразделяют на объемные и массовые.

Существует много различных  признаков, по которым можно классифицировать расходомеры (например, по точности, диапазонам измерений, виду выходного сигнала и т. п.). Однако наиболее общей является классификация по принципам измерений, по тем физическим явлениям, с помощью которых измеряемая величина преобразуется в выходной сигнал первичного преобразователя расходомера.

 

1 Классификация и назначение расходомеров

 

По принципу измерений расходомеры  классифицируют по следующим основным группам (указываемый для каждой классификационной группы расходомеров принцип преобразования относится к их первичным преобразователям — датчикам).

1. Расходомеры переменного перепада  давления (с сужающими уст 
ройствами; с гидравлическими сопротивлениями; центробежные; с на 
порными устройствами; струйные), преобразующие скоростной напор в 
перепад давления.

2.Расходомеры обтекания (расходомеры  постоянного перепада—ро 
таметры, поплавковые, поршневые, гидродинамические), преобразующие 
скоростной напор в перемещение обтекаемого тела.

3.Тахометрические расходомеры  (турбинные с аксиальной или  тан 
генциальной турбиной;   шариковые), преобразующие скорость потока 
в угловую скорость вращения обтекаемого элемента (лопастей турбинки 
или шарика).

4.Электромагнитные расходомеры,  преобразующие скорость движу 
щейся в магнитном поле проводящей жидкости в ЭДС.

5.Ультразвуковые расходомеры, основанные  на эффекте увлечения 
звуковых колебаний движущейся средой.

6.Инерциальные расходомеры (турбосиловые;  кориолисовы; гиг 
роскопический) , основанные на инерционном воздействии массы движу 
щейся с линейным или угловым ускорением жикости.

7.Тепловые расходомеры (калориметрические;  термоанемометри- 
ческие), основанные на эффекте переноса тепла движущейся средой от 
нагретого тела.

8.Оптические расходомеры, основанные  на эффекте увлечения света 
движущейся средой (Физо-Френели) или рассеяния света движущимися 
частицами (Допплера).

9.Меточные расходомеры (с тепловыми,  ионизационными, магнит 
ными, концентрационными, турбулентными метками), основанные на 
измерении скорости или состоянии метки при прохождении  ее между 
двумя фиксированными сечениями потока.

Естественно, приведенная классификация, не полная и неисчерпывающая, поскольку с каждым годом появляются новые методы и средства измерений расхода.

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 нестандартизованными 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 недореализации 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 расходоизмерительной, 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 определенный класс практических измерительных задач. Однако резкое повышение точности измерений было и остается важнейшей задачей развития расходоизмерительной техники.

Значительная часть серийно  выпускаемых расходомеров имеет  класс точности (приведенную погрешность) 1—1,5 %. Если принять, что измерения преимущественно проводятся в середине шкалы, относительная погрешность этих юмерении составляет 2—3 %. 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 0,1—0,3 %.

Характерная особенность расходоизмерительной 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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Камерные расходомеры

 

Камерные счетчики и расходомеры

Камерными называются тахометрические  расходомеры и счетчики, подвижные  элементы которых приходят в движение (непрерывное или периодическое) под давлением измеряемой жидкости или газа и при этом отмеривают определенные объемы или массы измеряемого  вещества. 

 

Камерные расходомеры  измеряют объемный расход напрямую путем  повторяющегося захвата порции жидкости. Общий объем жидкости, проходящей через расходомер в заданный промежуток времени, – это произведение объема порции на количество порций.

Камерные расходомеры  часто суммируют расход напрямую на встроенный счетчик, но они также  могут генерировать импульсный выход, который может быть передан в  комнату управления. Так как каждый импульс представляет дискретный объем  жидкости, они хорошо подходят для  автоматического дозирования и  учета.

Данный тип расходомеров имеет ряд преимуществ:

1. Высокий класс точности;
2. Невысокая стоимость;
3. Возможность измерения малых расходов;
4. Широкий диапазон измерения;
5. Возможность измерения расходов жидкостей с относительно высокой вязкостью;

Недостатки камерных измерителей  расхода:

1. Наличие движущихся частей. Износ движущихся механизмов приводит к снижению точности измерений или к возможному выходу из строя расходомера.
2. Относительно сложное  конструктивное исполнение.
3. Высокая чувствительность к механическим примесям.
4. Не применяют для измерения расхода в трубах с большим диаметром.
5. Сложность ремонта. Обычно ремонт камерных расходомеров возможен только в заводских условиях.

Камерные счетчики имеют  большое число различных разновидностей. Их можно разделить на три основных группы:

1. с эластичными стенками камер;
2. без движущихся разделительных элементов;
3. с движущимися разделительными элементами.

Снижение точности камерных расходомеров связано с просачиванием  через внутреннюю изолированную  поверхность.  Для того чтобы  повысить точность измерения расхода и количества в существующие конструкции приборов добавляют тахометрический преобразователь.

Наиболее известный прибор первой группы - газосчетчик с эластичными  стенками двух  или более мерных камер, которые последовательно заполняются и опустошаются при их постоянном возвратно-поступательном движении. Газораспределительный ме-ханизм золотниковый или клапанный. Приборы этой группы находят широкое применение при измерении газа, расходуемого мелкими потребителями.

Приборы второй группы  состоят из одной или нескольких мерных камер, которые последовательно опорожняются и заполняются.

К ним относятся:

• вращающиеся барабанные (измеряют объем жидкости или газа);
• опрокидывающиеся (измеряют массу или объем  жидкости);
• приборы с колеблющимся колоколом.

Рисунок 1. Камерные преобразователи  расхода без движущихся разделительных элементов: 
(а - опрокидывающийся гравиметрический, б - опрокидывающийся объемный, в - барабанный для газа, г - барабанный для жидкости)

Кроме того, к этой же группе камерных счетчиков могут быть условно  отнесены мерные емкости с сильфонным или клапанным опорожнением. Счетчики без движущегося разделительного элемента считаются самыми точными. Но они служат только  для измерения  небольших расходов и лишь при ограниченном давлении измеряемого вещества.

Чаще всего применяют  приборы третьей группы. Стоит  отметить, что они имеют наибольшее число разновидностей. Камерные расходомеры  с движущимися разделительными  элементами состоят из жесткой камеры, в которой  непрерывно перемещается один   или нескольких  разделительных элементов (поршня, диска, роторов и т. п.) осуществляется отмеривание объемов жидкости или газа.

Перечислим основные их разновидности.

2.1 Роторные счетчики отличаются друг от друга формой и числом роторов. Они могут быть одинаковыми, например, восьмеркообразными, трапецеидальными или же различными. Часто применяются в качестве счетчиков газа.

Рисунок 2. Роторный счетчик.

2.2 Поршневые счетчики могут быть однопоршневыми  и многопоршневыми с коленчатым валом  или распределительным диском. Они отличаются высокой точностью и применяются для измерения расхода нефтепродуктов.

2.3 Зубчатые счетчики имеют две резко отличные друг от друга разновидности: счетчики с овальными шестернями и счетчики винтовые, состоящие из двух-трех роторов винтовой формы. Те и другие предназначены для измерения жидкостей, причем винтовые лишь при весьма малых расходах. Основное применение имеют счетчики с овальными шестернями для измерения жидкости самой различной вязкости, в том числе и очень высокой. Погрешность не более 1 % от измеряемого значения.

Рисунок 3- Схема зубчатого  счетчика с овальными шестернями.

2.4 Лопастные счетчики могут быть со скользящими или же со складывающимися лопастями. Наибольшее применение имеют первые. При вращении цилиндрического ротора внутри измерительной камеры лопасти скользят в прорезях ротора. Лопасти имеют либо кулачковое управление,  либо движутся, упираясь пружинами в стенку камеры. Предназначены для измерения жидкости в трубах диаметром 100-200 мм. Погрешность 0,4 %.

2.5 Ковшевые счетчики состоят из ротора крестообразной формы, на котором укреплены оси четырех полуцилиндрических ковшей. Под влиянием разности давлений на ковши, находящиеся у входа и выхода жидкости, ротор вращается. При этом ковши поворачиваются вокруг своих осей, но так, что их наклон к горизонтальной оси счетчика остается неизменным. Предназначены для измерения жидкости в трубах большого диа-метра от 200 до 400 мм.

2.6 У кольцевых счетчиков кольцо совершает сложное движение. Оно катится внутри цилиндрической камеры и одновременно скользит вдоль перегородки, разделяющей отверстия для входа и выхода. Погрешность до 1 %. Благодаря удобству разборки и чистки применяется преимущественно для измерения жидкостей в пищевых производствах.

 2.7 У дисковых счетчиков диск с шаровой пятой совершает сложное колебательное движение между конусообразными поверхностями камеры. Ранее дисковые счетчики жидкости широко применялись.

 

3 Камерные подвижные счетчики.

Все камерные подвижные счетчики можно разделить на опрокидывающиеся и барабанные.

3.1 Опрокидывающиеся счетчики. Применяются только для жидкости. Они состоят из двух камер или ковшей, опрокидывание которых происходит после заполнения одной из камер определенным объемом или определенной массой жидкости в случае грузового уравновешивания. Первые опрокидываются после начала перетекания жидкости в дополнительный желобок, прикрепленный к наружному краю камеры. Чтобы избежать разбрызгивания жидкости или преждевременного попадания в желобки она поступает через воронки, концы которых опущены почти до дна камер. Объем камер от 0,5 до 50 л, интервалы между опрокидываниями 10-30 с. Опрокидывающиеся счетчики удобны для измерения различных жидкостей при малых расходах в очень широком диапазоне. Погрешность не более 2 % от измеряемой величины и зависит главным образом от неучитываемого количества mx жидкости, поступающей в камеру в момент ее опрокидывания, и в меньшей степени — от изменения момента трения в опорах.