Ультразвуковой расходомер

   При измерении расхода жидкости (например, бензина) чаще применяются более  простые расходомеры с вращающейся  турбиной в подвижном потоке, по частоте вращения турбины определяется объем пропущенной жидкости. Так  как объем жидкостей под действием  температуры изменяется незначительно, то с небольшой погрешностью можно  считать, что значению этого параметра  соответствует и масса (вес) жидкости.

   Если  расход текучей среды (жидкости или  газа) определяется непосредственно  по массе, то измерительный датчик называется массметром.

   Массметры, в отличие от расходомеров, выдают более качественную метрологическую информацию. Особенно это касается воздушных массметров, т.к. объем газообразных сред, в отличие от жидкостей, в значительной степени зависит от температуры и давления. Так, в расходомерах воздуха, работающих в системах впрыска бензина, приходится устанавливать дополнительные (корректирующие) датчики температуры и давления в атмосферном воздухе. Массметры в системах впрыска работают без таких датчиков. Так же принци использует в своем двигателе картофелеуборочный комбайн, а также некоторые другие виды спецтехники.

   Основной  принцип действия воздушных массметров основан на применении платиновой нити, разогретой электрическим током, в качестве датчика информации о массе проходящего воздушного потока, охлаждающего разогретую нить. Такой принцип измерения массы воздуха пришел в технику из метеорологии и называется термоанемометрическим.

   Одним из наиболее распространенных средств  измерений расхода жидкостей  и газов (паров), протекающих по трубопроводам, являются расходомеры переменного  перепада давления, состоящие из стандартного сужающего устройства, дифманометра, приборов для измерения параметров среды и соединительных линий. В комплект расходомерного устройства также входят прямые участки трубопроводов до и после сужающего устройства с местными сопротивлениями.

   Сужающее  устройство расходомера является первичным  измерительным преобразователем расхода, в котором в результате сужения  сечения потока измеряемой среды (жидкости, газа, пара) образуется перепад (разность) давления, зависящий от расхода. В  качестве стандартных (нормализованных) сужающих устройств применяются измерительные диафрагмы, сопла, сопла Вентури и трубы Вентури. Диафрагма - тонкий диск с отверстием круглого сечения, центр которого лежит на оси трубопровода (используются в трубах от 50 мм до 2 м). Сопло выполнено в виде насадки с круглым концентрическим отверстием, имеющим плавную сужающую часть на входе и развитую цилиндрическую часть на выходе. Сопло Вентури состоит из цилиндрического входного участка, плавно сужающейся части, переходящей в короткий цилиндрический участок, и расширяющейся конической части (диффузора).

   Количество  вещества, проходящее по трубопроводу в единицу времени, называют расходом. Расходомер — прибор, измеряющий расход вещества, проходящего через данное сечение трубопровода в единицу  времени. Если прибор имеет интегрирующее  устройство со счетчиком и служит для одновременного измерения и  количества вещества, то его называют расходомером со счетчиком.

   Расходомеры бывают следующих типов:

1. Механические счетчики расхода.
2. Рычажно-маятниковые.
3. Перепадомеры.
4. Ультразвуковые расходомеры.
5. Электромагнитные расходомеры.
6. Кориолисовые расходомеры.
7. Вихревые расходомеры.
8. Тепловые расходомеры;
9. Силовые расходомеры.

   Рассмотрим  некоторые из них.

Электромагнитные  расходомеры

   Для контроля расхода и учета воды и теплоносителя с 40-х годов 20-го века в промышленности применяются  электромагнитные расходомеры. Неоспоримые  достоинства электромагнитных расходомеров: отсутствие гидродинамического сопротивления, отсутствие подвижных механических элементов, высокая точность, быстродействие – определили их широкое распространение.

   Принцип действия: В проводнике, пересекающем силовые линии поля, индуцируется ЭДС, пропорциональная скорости движения проводника. При этом направление тока, возникающего в проводнике, перпендикулярно к направлению движения проводника и направлению магнитного поля (Это известный закон электромагнитной индукции — закон Фарадея).

   Если  заменить проводник потоком проводящей жидкости, текущей между полюсами магнита, и измерять ЭДС, наведённую в жидкости по закону Фарадея, можно  получить принципиальную схему электромагнитного  расходомера, предложенную ещё самим  Фарадеем.

   Таким образом, электромагнитные расходомеры  могут быть выполнены как с  постоянными, так и с электромагнитными, питаемыми переменным током частотой. Эти электромагнитные расходомеры имеют свои достоинства и недостатки, определяющие области их применения.

Рисунок 1.1. Схема электромагнитного расходомера 

   Метрологические характеристики: Погрешность данных приборов определяется в основном погрешностями их градуировки и измерения разности потенциалов Е. Однако электрохимические процессы в потоке жидкости, различные помехи и наводки, непостоянство напряжения питания и другие, не позволяют пока получить той потенциально высокой точности измерений расхода, которая вытекает из принципа действия данного типа расходомеров. Так, изготовляемые в СССР электромагнитные расходомеры, несмотря на индивидуальную градуировку, (на высокоточных расходомерных стендах) и весьма совершенные средства измерения Е имеют класс точности 1,0— 2,5 %.

   Существенным  и основным недостатком электромагнитных расходомеров с постоянным электромагнитом, ограничивающим их применение для измерения  слабопульсирующих потоков, является поляризация измерительных электродов, при которой изменяется сопротивление преобразователя, а, следовательно, появляются существенные дополнительные погрешности. Поляризацию уменьшают, применяя электроды из специальных материалов (угольные, каломелиевые) или специальные покрытия для электродов (платиновые, танталовые).

   В расходомерах с переменным магнитным  полем явление поляризации электродов отсутствует, однако появляются другие эффекты, также искажающие полезный сигнал:

- Трансформаторный эффект, когда на витке, образуемом жидкостью, находящейся в трубопроводе, электродами, соединительными проводами и вторичными приборами наводится трансформаторная ЭДС, источником которой является обмотка электромагнита. Для их компенсации в измерительную схему прибора вводят компенсирующие цепи или питают электромагнит переключаемым постоянным током.

- Ёмкостный эффект, возникающий из-за большой разности потенциалов между системой возбуждения магнитного поля и электродами и паразитной емкости между ними (соединительные провода и т. п.). Средством борьбы с этим эффектом является тщательная экранировка.

   Достоинства и недостатки метода: Первичные преобразователи электромагнитных расходомеров не имеют частей, выступающих внутрь трубопровода (электроды устанавливаются заподлицо со стенкой трубопровода), сужений или изменений профиля. Благодаря этому гидравлические потери на приборе минимальны. Кроме того, преобразователь расходомера и технологический трубопровод можно чистить и стерилизовать без демонтажа. Поэтому эти расходомеры используют в биохимической и пищевой промышленности, где доминирующими являются требования к стерильности измерений среды. Отсутствие полых углублений исключает застаивание и коагулирование измеряемого продукта.

   На  показания электромагнитных расходомеров не влияют физико-химические свойства измеряемой жидкости (вязкость, плотность, температура и т. п.), если они не изменяют её электропроводность.

   Конструкция первичных преобразователей позволяет  применять новейшие изоляционные, антикоррозийные  и другие покрытия, что даёт возможность  измерять расход агрессивных и абразивных сред.

   Современные расходомеры имеют высокую стабильность показаний.

   Метод незначительно чувствителен к неоднородностям (пузырькам), турбулентности потока, неравномерности  распределения скоростей потока в сечении канала.

   Отмеченные  преимущества и обеспечили достаточно широкое распространение электромагнитных расходомеров, несмотря на их относительную  конструктивную сложность и необходимость  тщательного каждодневного технического ухода (подрегулировка нуля, поднастройка и т.п.).

   Электромагнитные  расходомеры применяют для измерения очень малых (3 • 10^-9 м3/с) расходов (например, для измерения расхода крови по кровеносным сосудам) и больших расходов жидкостей (3 м3/с). Причём диапазон измерения расходомера одного типоразмера достигает значения 500:1.

   Электромагнитные  расходомеры непригодны для измерения  расхода газов, а также жидкостей  с электропроводностью менее 10^-3 – 10^-5 сим/м (10^-5 – 10^-7 Ом-1•см-1), например, лёгких нефтепродуктов, спиртов и т. п. Применение разрабатываемых в настоящее время специальных автокомпенсирующих устройств позволит существенно снизить требования к электропроводности измеряемых сред и создать электромагнитные расходомеры для измерения расхода любых жидкостей, в том числе и нефтепродуктов.

   Применение: Наибольшее применение расходомеры нашли в учете водных и энергетических ресурсов (в частности в отопительных системах).

   Электромагнитные  расходомеры широко применяют в  металлургической, биохимической и  пищевой промышленности, в строительстве  и руднообогатительном производстве, в медицине, так как они малоинерционны по сравнению с расходомерами других типов. Расходомеры незаменимы в тех процессах автоматического регулирования, где запаздывание играет существенную роль, или при измерении быстро меняющихся расходов.    

Вихревые  расходомеры

   Вихревой  расходомер (рис. 1.2)  — разновидность расходомера, принцип действия которого основан на измерении частоты колебаний, возникающих в потоке в процессе вихреобразования.

   Расходомеры (счетчики) количества вещества являются важными элементами систем учета  потребления энергоресурсов и управления технологическими процессами в различных  отраслях промышленности и жилищно-коммунальном хозяйстве. Наиболее универсальными и  востребованными до настоящего времени  являются расходомеры, в которых  реализуется метод измерения  перепада давления на сужающем устройстве. Этим методом можно измерять расход практически любых жидких и газообразных веществ, движущихся по трубам как малого, так и большого диаметра в широком интервале избыточных давлений и температур. Однако его недостатком является квадратичная зависимость перепада давления от расхода и, как следствие, небольшие динамические диапазоны измерений (1:3...1:5) и значительная погрешность, достигающая в нижней части диапазона 3-5%. В связи с этим для решения частных технических задач разработаны другие, более информативные методы измерения расхода (тахометрические, силовые, электромагнитные, ультразвуковые, оптические и др.), которых насчитывается уже более 20. При этом актуальной остается задача разработки и практической реализации такого метода, который мог бы конкурировать по универсальности с методом измерения перепада давления, но обеспечивал более высокую точность измерений в широком динамическом диапазоне.

   Вихревые  расходомеры используются во многих отраслях промышленности для измерения  объемного расхода жидкостей, газов  и пара. Например, измерения в  химической и нефтехимической промышленности, в энергетике и теплоэнергетике  включают в себя широкий диапазон различных сред: насыщенный пар, перегретый пар сжатый воздух, азот, сжиженные  газы, дымовые газы, углекислый газ, деминерализованная вода, сольвенты, масляные теплоносители, бойлерная вода, конденсат и др.

   Вихревые  расходомеры особенно широко используются в отраслях промышленности для измерения  пара. Они измеряют объемный расход, в то время как обычно учет в  паровых системах идет по массе или  тепловой энергии. Поэтому вихревые расходомеры часто используют в  комбинации с датчиками давления и/или температуры и внешним  вычислителем. Такие измерительные  системы помогают экономить энергию.

Рисунок 1. 2. Схема вихревого расходомера

   Принцип действия: В вихревых расходомерах для создания вихревого движения на пути движущего потока жидкости, газа или пара устанавливается обтекаемое тело, обычно, в виде трапеции в сечение. Образовавшаяся за ним система вихрей называется вихревой дорожкой Кармана. Частота вихрей f в первом приближении пропорциональна скорости потока v и зависит от безразмерного критерия Sh (число Струхаля) и ширины тела обтекания d:

f = Sh ∙ v / d,                                             (1.2.1.)

где f – частота вихрей;

Sh – безразмерный критерий (число Струхаля);

v – скорость потока;

d – ширина тела обтекания.

   Достоинством  вихревых расходомеров является отсутствие каких-либо подвижных элементов  внутри трубопровода, достаточно низкая нелинейность (<1,0 %) в широком диапазоне  измерений (>1:10…1:40), частотный выходной сигнал, а также инвариантность метода относительно электрических свойств  и агрегатного состояния движущейся среды.

   Первые  вихревые расходомеры жидкости появились  в шестидесятых годах в США, Японии и СССР. Первые разработки вихревых расходомеров газа и пара в России относятся к 90-м годам прошлого века. Несмотря на довольно продолжительное  время освоения этих приборов в измерительной  технике, теория и практика вихревых расходомеров непрерывно развивается  и совершенствуется. Идут поиски лучших схемных решений, более эффективных  и технологичных конструкций  первичных преобразователей расхода.