Расходомеры, служат для измерения объема (объемный расход) или массы (массовый расход) жидкостей, газов и паров, проходящих через заданное сечение трубопровода в единицу времени. Иногда расходомеры снабжают интеграторами, или счетчиками - устройствами для суммирования измеряемых объемов или масс контролируемых сред в течение заданного промежутка времени. Расходомеры разных типов рассчитаны на измерения в определенной области расходов (рис. 1).
Основные показатели, обусловливающие выбор расходомера: значение расхода; тип контролируемой среды, ее температура, давление, вязкость, плотность, электрическая проводимость, рН; перепад давлений на первичном измерительном преобразователе (датчике); диаметр трубопровода; диапазон (отношение максимального расхода к минимальному) и погрешность измерений. В зависимости от физ.-химических свойств измеряемой и окружающей сред в расходомеры используются различные методы измерений.
В данной статье рассматриваются наиболее важные типы расходомеры и счетчиков, применяемых в химических лабораториях, химических и смежных отраслях промышленности для высокоточных контроля и учета химических веществ при их производстве, выдаче и потреблении, а также в системах автоматизированного управления технологическими процессами.
расходомеры переменного перепада давлений (рис. 2, а). Действие их основано на зависимости перепада давлений на гидравлическом сопротивлении (диафрагмы, сопла и трубы Вентури, сопла Лаваля и др.), расположенном в потоке контролируемой среды, от ее расхода Q. Измерения разности давлений Dp = p1 - p2 осуществляются на прямолинейном участке трубопровода (длиной до 10 и не менее 5 диаметров соответственно до и после гидравлического сопротивления). Расходомеры данного типа особенно распространены благодаря следующим достоинствам: простоте конструкции и возможности измерений в широком диапазоне значений расхода и диаметров трубопроводов (от десятков до 3000 мм и более); возможности применения для различных по составу и агрессивности жидкостей и газов при температурах до 350-400 °С и давлениях до 100 МПа; возможности расчетным путем определять расход без натурной градуировки расходомеры в случае трубопроводов диаметрами 50-1000 мм. Недостатки: небольшой диапазон измерений из-за квадратичной зависимости между расходом и перепадом давлений (3:1); значительные потери давления на гидравлическом сопротивлении и связанные с этим дополнительные затраты энергии. Погрешность 1,5-2,5% от макс. расхода.
Расходомеры постоянного перепада давлений, или ротаметры (рис. 2, б). В этих приборах измеряется прямо пропорциональная расходу величина перемещения поплавка h внутри конической трубки под воздействием движущегося снизу вверх потока контролируемой среды. Последний поднимает поплавок до тех пор, пока подъемная сила, возникающая благодаря наличию на нем перепада давлений, не уравновесится весом поплавка. Трубки ротаметров могут быть стеклянными (рассчитаны на давление до 2,5 МПа) и металлическими (до 70 МПа). Поплавки в зависимости от свойств жидкости или газа изготовляют из различных металлов либо пластмасс. Приборы работоспособны при температурах от — 80 до 400 °С, предпочтительны для трубопроводов диаметром до 150 мм, имеют равномерные шкалы, градуированные в единицах объемного расхода. Достоинства: возможность измерений расхода жидкостей и газов от весьма малых значений (0,002 л/ч по воде, 0,03 л/ч по воздуху) до высоких (150-200 и до 3000 м3/ч); широкий диапазон измерений (10:1); малые потери давления (до 0,015 МПа). Погрешность 0,5-2,5% от макс. расхода.
Электромагнитные расходомеры (рис. 2, в). Действие их основано на прямо пропорциональной зависимости расхода от эдс, индуцированной в потоке электропроводной жидкости (минимальная удельная электрическая проводимость 10-3-10-4 См/м), движущейся во внеш. магнитное поле, которое направлено перпендикулярно оси трубопровода. Эдс определяется с помощью двух электродов, вводимых в измеряемую среду диаметрально противоположно через электроизоляционное покрытие внутри поверхности трубопровода. Материалы покрытий - резины, фторопласты, эпоксидные компаунды, керамика и другие. Приборы позволяют измерять расход различных пульп, сиропов, агрессивных и радиоактивных жидкостей и т. д. при давлениях обычно до 2,5 МПа (иногда до 20 МПа); диаметр трубопроводов, как правило, 2-3000 мм. Во избежание поляризации электродов измерения проводят в переменном магнитном поле. Допустимые температуры контролируемой среды определяются термостойкостью электроизоляционных покрытий и могут достигать, как правило, 230 °С. При измерении расхода жидких металлов (например, Na, К и их эвтектик) указанные температуры обусловлены термостойкостью используемых конструкционных материалов, в первую очередь магнитов, создающих постоянное магнитное поле (исключает возникновение в металлах вихревых токов) и составляют 400-500 °С; в данном случае трубопроводы не имеют внутренней изоляции, а. электроды привариваются непосредственно к их наружным поверхностям. Достоинства: высокое быстродействие; широкий диапазон измерений (100:1); отсутствие потерь давления (приборы не имеют элементов, выступающих внутрь трубопровода); показания приборов не зависят от вязкости и плотности жидкостей. Погрешность 0,5-1,0% от измеряемой величины.
Рис. 2. Расходомеры: а, б-соотв. переменного и постоянного перепадов давлений; в-электромагнитные; г-турбинные; д-ультразвуковые; е-вихревые; ж-объемные; з-струйные; и-корреляционные; 1-трубопроводы; 2-гидравлич. сопротивление; 3 —дифманометр; 4—коническая трубка; 5-поплавок; 6-электроды; 7— турбинка; 8—тахометр; 9-электронное устройство; 10-твердое тело, обтекаемое потоком жидкости или газа; 11, 13, 14, 17-преобразователи физ. величин в соответствующие электрические импульсы; 12-счетчик с овальными шестернями; 15, 16-устройства запоминания и распознавания "образа" материального потока; Q-расход контролируемой среды; Dр= р1 -р2-перепад давлений до (р1) и после (р2) гидравлического сопротивления; Df=f1 -f2-разность частот повторения электрических импульсов; fc-частота переброса струи материального потока; h-величина перемещения поплавка; N, S—полюсы магнита; nт—частота вращения турбинки; nв—частота возникновения вихрей; nц-число циклов хода чувствительного элемента; П1, П2-пьезоэлементы; т-время; w-круговая частота.
Тахометрические расходомеры В турбинных расходомерах (рис. 2, г) используется зависимость измеряемой тахометром частоты вращения турбинки, приводимой в движение потоком среды (нефтепродукты, растворы кислот и щелочей, нейтральные или агрессивные газы) от ее расхода. Турбинки могут размещаться аксиально либо тангенциально по отношению к направлению движения потока. Диаметр трубопроводов 4-4000 мм; вязкость среды 0,8-750 мм2/с; температура от -240 до 550 °С, давление до 70 МПа; диапазон измерений до 100:1; потери давления 0,05 МПа. Погрешность 0,5-1,5% от макс. расхода.
В шариковых расходомерах контролируемая жидкая среда закручивается с помощью неподвижного винтового направляющего аппарата и увлекает за собой металлический шарик, заставляя его вращаться внутри трубопровода (перемещению вдоль оси препятствуют ограничит. кольца). Мера расхода - частота вращения шарика, измеряемая, например, тахометром. Диаметр трубопроводов 5-150 мм; температура среды от -30 до 250 °С, давление до 6,4 МПа; диапазон измерений 10:1; потери давления до 0,05 МПа. В этих приборах в отличие от турбинных отсутствуют опорные подшипники, что позволяет измерять расход жидкостей с механическими включениями и увеличивает ресурс работы. Погрешность не более 1,5% от максимального расхода.
Ультразвуковые расходомеры (рис. 2, д). В основу их работы положено использование разницы во времени прохождения ультразвуковых колебаний (более 20 кГц) в направлении потока контролируемой среды и против него. Электронное устройство 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. 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, то есть от пьезоэлемента П2 к пьезоэлементу П1. Контур П2-П1 характеризуется частотой f2 повторений импульсов, прямо пропорциональной расстоянию между пьезоэлементами и обратно пропорциональной сумме скоростей распространения звука в среде и самой среды. Далее электронное устройство определяет разность Df указанных частот, которая пропорциональна скорости (расходу) среды.
Эти приборы не вызывают потерь давления, обладают высоким быстродействием и обеспечивают измерение пульсирующих расходов (частота 5-10 кГц) любых не содержащих газовых включений жидкостей (в т. ч. вязких и агрессивных), а также газов и паров. Диаметр трубопроводов 10-3000 мм и более; температура среды от —40 до 200°С (реже-от —250 до 250 °C), давление до 4 МПа; диапазон измерений 100:1. Погрешность 1,0-2,5% от макс. расхода.
Вихревые расходомеры (рис. 2, е). Действие их основано на зависимости между расходом и частотой возникновения вихрей за твердым телом (например, металлическим прямоугольным стержнем), которое расположено в потоке жидкости или газа. Образованию вихрей способствует поочередное изменение давления па гранях этого тела. Диапазон частот образования вихрей определяется размером и конфигурацией тела и диаметром трубопроводов (25-300 мм). Температура среды обычно от - 50 до 400 °С, реже от -270 до 450 °С; давление до 4 МПа, иногда до -6,3 МПа; диапазон измерений: для жидкостей 12:1, для газов 40:1. Градуировка приборов не зависит от плотности и вязкости контролируемой среды, а также от ее температуры и давления. Погрешность 0,5-1,0% от измеряемой величины при числах Рейнольдса Re > 30000; при Re < 10000 определение расхода практически невозможно из-за отсутствия вихрей.
Объемные расходомеры (рис. 2,ж). В качестве измерителей объема служат счетчики с цилиндрическими или овальными шестернями, поршневые, с плавающей шайбой, лопастные, винтовые и другие. Они снабжены устройствами выдачи сигналов, пропорциональных объемному расходу вещества. Эти приборы пропускают определенный объем жидкости за один цикл хода чувствительного элемента. Мера расхода - число таких циклов. Диаметр трубопроводов 15-300 мм; температура среды до 150°С, давление до 10 МПа; диапазон измерений до 20:1. Основное достоинство - стабильность показаний. Недостатки: необходимость установки фильтров, задерживающих твердые частицы (чувствительный элемент при их проникновении может выйти из строя); износ движущихся деталей, приводящий к увеличению погрешности показаний, которая обычно составляет 0,5-1,0 от измеряемой величины.
Струйные расходомеры (рис. 2,з). В них используется принцип действия генератора автоколебаний. В приборе часть струи потока жидкости или газа ответвляется и через так называемый канал обратной связи а поступает на вход устройства, создавая поперечное давление на струю. Последняя перебрасывается к противоположной стенке трубопровода, где от нее снова ответвляется часть потока, подаваемая через канал б на вход прибора; в результате струя переходит в первоначальное положение и т. д. Такой переброс происходит с частотой, пропорциональной расходу контролируемой среды, и сопровождается изменением давления в каналах а и б, что позволяет датчику давления воспринимать автоколебания. Диаметр трубопроводов 2-25 мм; температура среды от —263 до 500 °С, давление до 4 МПа; диапазон измерений 10:1. Основное достоинство - отсутствие подвижных элементов. Погрешность-1,5% от макс. расхода.
Корреляционные расходомеры (рис. 2, и). В этих приборах с помощью сложных ультразвуковых и иных устройств осуществляется запоминание в заданном сечении трубопровода (I) характерного "образа" потока контролируемой среды и его последнее распознавание в другом сечении (II), расположенном на определенном расстоянии от первого. Мера расхода - время прохождения "образом" потока участка трубопровода между сечениями. Диаметр трубопроводов 15-900 мм; температура среды до 100-150°С, давление до 20 МПа; диапазон измерений 10:1. Достоинства: независимость показаний от изменений плотности, вязкости, электропроводности и других параметров жидкости; отсутствие потерь давления. Погрешность 1 % от измеряемой величины.
Лит.: Кулаков М. В., Технологические измерения и приборы для химических производств, 2 изд., М., 1974; Кремлевский П. П., Расходомеры и счетчики количества, 3 изд., Л., 1975; Бирюков Б. В., Данилов М.А., Кивилис С. С., Точные измерения расхода жидкостей, М., 1977; Логинов Н. И., Электромагнитные преобразователи расхода жидких металлов, М., 1981; Бал-дин А. А., Бошняк Л. Л., Соловский В. М., Ротаметры, Л., 1983; Бобровников Г. Н., Новожилов Б.М., Сарафанов В. Г., Бесконтактные расходомеры, М., 1985; Flow: its measurement and control in science and industry, ed. by R.B. Dowdell, v. 1, pt 1-3, Pittsburg, 1974. Б.И. Никитин.
