Телефон: +7 3812 36-34-47

Типы расходомеров

ДИАФРАГМЕННЫЙ РАСХОДОМЕР
Диафрагменный расходомерДиафрагменный расходомер относится к группе устройств, основанных принципе на потере напора или измерении перепада давления на расходомере. Проще говоря, поток среды в трубопроводе встречает препятствие, и на этом препятствии измеряется разница давлений до устройства и после него. Как установил в своих работах Даниэль Бернулли в 1738 году, соотношение между скоростью среды, протекающей через отверстие, пропорционально квадратному корню из уменьшения давления на этом отверстии. К другим расходомерам из этой группы относятся трубки Вентури и сопла.
В диафрагменном расходомере поток ограничивается формой отверстие в пластине (диафрагме), ось которого совпадает с осью трубопровода. Саму диафрагму называют первичным элементом.
Для измерения перепада давления при потоке среды в системе предусмотрены патрубки для отбора давления выше и ниже по течению, ведущие к вторичному устройству, называемому датчиком или преобразователем перепада давления.
От преобразователя перепада давления информация может передаваться на простой индикатор или, совместно с сигналами от преобразователей давления, температуры, на вычислитель расхода для расчета объёмного и массового расходов. Информация о температуре и давлении также позволяет произвести расчёты, связанные с компенсацией при изменениях плотности среды.
Достоинства диафрагменных расходомеров:
  • простота и невосприимчивость к внешним воздействиям;
  • хорошая точность;
  • низкая стоимость.
Недостатки диафрагменных расходомеров:
  • динамический диапазон ограничен значением 4:1 или 5:1;
  • диафрагма может выгнуться из-за гидравлического удара и блокировать систему;
  • кромки отверстия могут со временем изменять свою геометрию из-за эрозии. В результате характеристики отверстия меняются, и точность всей системы снижается;
  • установочная длина расходомерной системы может иметь большое значение.
ТУРБИННЫЙ РАСХОДОМЕРТурбинный расходомер
Основной частью расходомера является ротор с несколькими лопастями, ось которого совпадает с осью потока среды и расположенный на опорах с подшипниками. Диаметр лопастей ротора чуть меньше внутреннего диаметра корпуса расходомера, а скорость его вращения пропорциональна объёмному расходу.
Скорость вращения ротора можно определить с помощью электронного бесконтактного датчика, установленного за пределами трубопровода. Этот датчик считает импульсы.
Поскольку турбинный расходомер состоит из нескольких движущихся деталей, нужно учитывать следующие важные факторы:
  • температуру, давление и вязкость измеряемой среды;
  • смазывающие свойства среды;
  • износ подшипников и трение в них;
  • изменение состояния и размеров лопастей;
  • профиль скорости на входе и эффекты завихрений;
  • падение давления на расходомере.
Из-за этих факторов приходится выполнять калибровку и поверку турбинных расходомеров в рабочих условиях.
В достаточно больших трубопроводах, чтобы свести расходы к минимуму, турбинный элемент можно устанавливать в обходном канале, или даже корпус расходомера может включать в себя обходной канал или байпас.
Достоинства турбинных расходомеров:
  • максимальный динамический диапазон до 10:1;
  • хорошая точность (±0,5% от фактического значения);
  • расходомеры с байпасными каналами относительно дёшевы.
Недостатки турбинного расходомера:
  • любые изменения давления пара приводят к неточностям показаний, если не используется комплект для компенсации по плотности;
  • очень важны выпрямители потока;
  • при пульсациях расхода расходомер выдает погрешность из-за запаздывания;
  • существует возможность повреждения лопастей турбины;
  • при малых расходах результаты получить нельзя, так как энергии потока недостаточно, чтобы вращать ротор турбины;
  • чувствительность к вязкости: если вязкость среды повышается, то зависимость между расходом и скоростью вращения турбины будет нелинейной;
  • среда должна быть очень чистой (размеры частиц не более 100 мкм).
РАСХОДОМЕР С ПЕРЕМЕННОЙ ПЛОЩАДЬЮ СЕЧЕНИЯРасходомер с переменной площадью сечения
Расходомер с переменной площадью сечения часто называют ротаметром. Он состоит из вертикальной конусовидной трубки, установленной узким концом вниз, и поплавка, который свободно плавает в текучей среде. При прохождении среды через трубку положение поплавка находится в равновесии с:
  • направленной вверх силой действия среды;
  • направленной вниз силой, обусловленной весом поплавка;
  • положением поплавка, которое является показателем величины расхода.
Практически, расходомер такого типа представляет собой комбинацию:
Поплавка, вес которого тщательно подобран, а материал устойчив к воздействию среды. Поплавок чаще всего изготавливается из нержавеющей стали, однако в некоторых системах используются поплавки из других материалов.
В небольших расходомерах поплавок представляет собой обычных шарик, но в системах большего размера для повышения устойчивости используются поплавки специальной формы.
Конусовидной трубки, которая представляет собой измерительную, соответствующую всему расчётному диапазону измерения.
Обычно трубка изготавливается из стекла или пластмассы. Однако если повреждение трубки может привести к опасной ситуации, тогда либо вокруг стекла устанавливается защитный кожух, либо вместо стеклянной трубки используется металлическая.
Если трубка прозрачная, то можно наблюдать за поплавком и сравнивать его положение со шкалой. В высокотемпературных системах материал трубки может быть непрозрачным, и тогда для индикации положения поплавка используется магнитное устройство.
Поскольку при увеличении расхода проходное сечение также увеличивается, дифференциальное давление остается почти постоянным.
Достоинства расходомера с переменной площадью сечения:
  • можно измерять расходы газов;
  • динамический диапазон составляет приблизительно 10:1;
  • простота и невосприимчивость к внешним воздействиям;
  • падение давления на расходомере минимально и почти постоянно.
Недостатки расходомера с переменной площадью сечения:
  • трубка должна располагаться только вертикально;
  • поскольку показания обычно снимаются визуально, а поплавок все время движется, точность невысока;
  • использование прозрачных конусовидных трубок ограничено давлением и температурой среды.
ПОДПРУЖИНЕННЫЙ РАСХОДОМЕР С ПЕРЕМЕННОЙ ПЛОЩАДЬЮ СЕЧЕНИЯ
Подпружиненный расходомер с переменной площадью сечения (усовершенствованный расходомер с переменной площадью сечения) основан на том, что в качестве балансирующего элемента используется пружина. Благодаря этому расходомер не зависит от силы тяжести, и его можно устанавливать при любой ориентации в пространстве. Однако в основной конфигурации такого расходомера существует ограничение: диапазон движений ограничен возможностями движения пружины и пределами её деформации.
Однако существует еще одна важная особенность: если площадь проходного сечения (пространство между поплавком и трубкой) увеличивается с определённой скоростью, то перепад давления на таком расходомере будет прямо пропорционален расходу.
Достоинства подпружиненного расходомера с переменной площадью сечения:
  • прочная конструкция;
  • можно получить динамический диапазон 25:1 при нормальных скоростях пара (25 м/с), хотя при переменной нагрузке можно работать и при более высоких скоростях, получая при этом диапазон до 40:1;
  • погрешность составляет ±2% от измеренного значения расхода;
  • относительно низкая стоимость;
  • простой монтаж и запуск в работу.
Недостатки подпружиненного расходомера с переменной площадью сечения:
  • размер ограничен Dy100;
  • при долгой работе и при высоких скоростях пара (>30 м/с) и низком качестве пара расходомер может быть повреждён.
РАСХОДОМЕРЫ С ПЕРЕМЕННОЙ ПЛОЩАДЬЮ СЕЧЕНИЯ И КОНТРОЛЕМ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕЛА ОБТЕКАНИЯ
Расходомеры работают по известному принципу, изменения площади кольцевого отверстия, изменение происходит благодаря перемещениям конусообразного тела обтекания. Этот конус свободно движется вдоль оси устройства, преодолевая сопротивление пружины.
Расход рассчитывает на основе измерения перепада давления либо замеряет силу, возникающую при отклонении конуса, с помощью нескольких высокочувствительных датчиков напряжения. Чем больше расход пара, тем больше сила/перепад давления.
Расходомер оборудуется встроенным датчиком температуры, который обеспечивает полную компенсацию изменения плотности в системах насыщенного пара.
Поскольку расходомеры такого типа являются самодостаточным устройством, указанная погрешность относится ко всей системе в целом. Для многих расходомеров указывается погрешность для трубопроводного блока, но нужно принимать во внимание погрешности, вносимые каждым элементом, входящим в расходометрическую систему.
Достоинства подпружиненного расходомера с переменной площадью сечения:
  • большой динамический диапазон: до 100:1;
  • высокая точность: ±1% от измеренного расхода;
  • компактность;
  • подходит для различных текучих сред.
Недостатки подпружиненного расходомера с переменной площадью сечения:
  • стоимость может быть высокой.
ТРУБКА ПИТО
В больших паропроводах стоимость установки расходомеров полного диаметра слишком велика – как с точки зрения стоимости самого расходомера, так и с точки зрения стоимости работ по монтажу.
Недорогим способом решения проблемы является установка трубки Пито. Сам по себе расходомер стоит недорого, стоимость его установки также невелика. Кроме того, один расходомер можно использовать сразу в нескольких системах.
На рисунке показан основной принцип трубки Пито. В трубке, погруженной в поток, возникает давление, зависящее от скорости движения среды. Это «давление скорости» сравнивается со значением давления в трубопроводе (или статическим давлением). Далее, скорость потока можно определить с помощью простого уравнения.
Достоинства трубки Пито:
  • очень малое сопротивление потоку;
  • небольшая стоимость;
  • простые типы можно использовать в трубопроводах различного диаметра.
Недостатки трубки Пито:
  • динамический диапазон ограничен значением примерно 4:1;
  • чувствительны к турбулентностям потока;
  • при измерении таким устройством малых изменений давления возрастает неточность;
  • очень важно точное расположение в трубопроводе.
ВИХРЕВОЙ РАСХОДОМЕРВихревой расходомер
В таких расходомерах используется тот факт, что, когда в потоке среды находится обтекаемое тело особой формы, у задней части этого тела образуются завихрения, которые срываются, образовывая так называемую дорожку Кармана. Срыв завихрений с тела обтекания можно обнаруживать и подсчитывать. В некотором диапазоне количество срывающихся с тела обтекания вихрей пропорционально расходу, что позволяет измерять скорость движения среды.
Плохо обтекаемое тело мешает потоку, и среда вынуждена обтекать его. Заставляя среду обтекать себя, это тело вызывает изменение направления потока, а значит, и скорости. Среда, находящаяся ближе всего к телу, испытывает трение с поверхностью тела и замедляется. Поскольку площадь между телом и внутренней поверхностью трубопровода уменьшается, среда, находящаяся дальше от тела, ускоряется, проходя через это ограниченное пространство. Пройдя мимо тела, среда заполняет увеличенное пространство за этим телом, что приводит к образованию вращательных движений в среде, и образуется завихрение. Скорость среды, обусловленная препятствием, с разных сторон тела не одинакова. Увеличиваясь с одной стороны тела, скорость уменьшается с другой. Это же относится и к давлению.
Там, где скорость выше, давление меньше и наоборот. Области с разным давлением стремятся перераспределиться, поэтому область высокого давления движется навстречу области низкого давления. Эти области смещаются, и по разным сторонам тела образуются завихрения разной силы.
Частота образования вихрей и скорость среды имеют почти линейную зависимость, если выполняются необходимые условия.
Частота образования вихрей пропорциональна числу Струхаля (Sr), скорости потока, и обратно пропорциональна гидравлическому диаметру тела обтекания.
Число Струхаля определяется экспериментально и, как правило, остается постоянным в широком диапазоне чисел Рейнольдса. Это значит, что частота образования вихрей не меняется при изменении плотности среды, и что она прямо пропорциональна скорость при данном гидравлическом диаметре тела обтекания.
Достоинства вихревого расходомера:
  • достаточно большой динамический диапазон;
  • нет движущихся деталей;
  • малое сопротивление потоку.
Недостатки вихревого расходомера:
  • при малых расходах импульсы не генерируются, и расходомер показывает очень малое или даже нулевое значение.
  • максимальные расходы соответствуют скорости потока 80 или 100 м/с;
  • вибрация может приводить к неточностям измерений;
  • очень важна правильная установка;
  • необходимо предусмотреть прямые участки трубы без препятствий до расходомера и после него.

 

ВОЗВРАТ НА ПРЕДЫДУЩУЮ СТРАНИЦУ