Основными параметрами движения потоков жидкости в открытых каналах или внутри трубопроводов, а также потоков пара, газа или плазмы являются расход, т. е. количество вещества, протекающее через какое-либо сечение потока в единицу времени, и общее количество протекшего вещества. Расход и количество связаны между собой точно так же, как скорость и путь при движении твердых тел. И ту и другую величину можно выразить через единицы объема и массы, соответственно, говоря об объемном расходе Q и массовом расходе М.
Измерение количества жидкости, газа и пара производится либо путем периодического отмеривания одинаковых объемных или весовых доз вещества, либо путем интегрирования расхода. Первый метод, как правило, осуществляется с помощью чисто механических средств, и поэтому рассмотрим только методы, связанные с измерением расхода.
В то время как при измерении параметров движения твердых тел динамический диапазон 103…104 не является пределом, динамический диапазон расходомера считается значительным, если отношение максимальной величины измеряемого расхода к минимальной составляет 10…15. Величины измеряемых расходов могут лежать в диапазоне от 10-3 до 104 м3×ч.
Расходомеры с преобразованием в перепад давлений. Расходомеры этой группы состоят чаще всего из некоторого сужающего устройства (диафрагмы, сопла и т. д.) и дифференциального манометра, измеряющего перепад давления, создаваемый сужающим устройством. Объемный и массовый расход выражаются соответственно формулами
и ,
где a — коэффициент расхода; S — площадь сечения сужающего устройства; r – плотность вещества; ΔР — перепад давления.
Такую же зависимость перепада давления от расхода дают напорные трубки (трубки Пито) и преобразователи в виде изогнутого участка трубы, в которых разность давлений возникает под действием центробежных сил.
Поскольку перепад давления пропорционален квадрату расхода, дифференциальные манометры снабжаются различными устройствами для извлечения квадратного корня. Эти манометры могут быть как чисто механическими, так и пневматическими или электрическими; в последнем случае для извлечения квадратного корня может использоваться датчик уравновешивания с ферродинамическим обратным преобразователем, который развивает уравновешивающую силу, пропорциональную квадрату тока. Упрощенная схема устройства такого расходомера показана на рис.7.9.
Принцип действия устройства состоит в следующем: под воздействием силы Fx рычаг перемещается, изменяя индуктивность катушки преобразователя неравновесия (ПН), соответственно будет изменяться ток в этой катушке, и через усилитель (УС) и фильтр (Ф) этим током запитываются катушки обратного преобразователя (ОП). Действие электродинамического ОП основано на взаимодействии двух катушек с электрическим током. Выходная сила преобразователя пропорциональна произведению токов подвижной и неподвижной катушек. Когда через обе катушки течет один и тот же ток I, то между силой Fb и током I существует квадратичная зависимость Fb = kэдI2, коэффициент kэд зависит от геометрии и взаимном расположении катушек. По значе-
нию тока, регистрируемого амперметром (mA), через соответствующие пропорциональности определяют расход жидкости Q.
Основным элементом такого устройства является преобразователь неравновесия, основным требованием которого является высокая чувствительность к малым перемещениям.
Кроме этого, сила взаимодействия между подвижным и неподвижным элементами ПН должна быть равна нулю. Если эта сила существует, то она будет суммироваться с измеряемой силой и в зависимости от величины сил может внести существенную погрешность в измерение. Приборы этой группы в настоящее время широко распространены. Рабочий диапазон их невелик вследствие нелинейной характеристики преобразования и составляет Д =
3…5. Они могут применяться для измерения расходов как жидкостей, так и газов
при температурах до сотен градусов и давлениях до десятков ньютонов на квадратный
миллиметр. Погрешность их составляет 1…2 %.
Датчики тахометрических расходомеров являются примером датчиков с предварительным преобразованием измеряемой величины в скорость вращения.
Эти приборы предназначены для измерения объемного расхода, т. е. объема жидкости (или газа), протекающей по трубопроводу в единицу времени.
На рис.7 10 дана схема устройства так называемого турбинного или крыльчатого тахометрического датчика. Он представляет собой отрезок трубы, в котором установлена небольшая осевая турбинка. Под действием потока жидкости в трубе ротор турбинки вращается со скоростью, доходящей до 250 об/с, а скорость вращения преобразуется в частоту электрических колебаний любым преобразователем. В частности, на рис. 7.10 изображен преобразователь, состоящий из постоянного магнита с катушкой, размещенной на внешней поверхности трубы, и пластинки магнитомягкого материала, запрессованной в тело ротора. Частота выходного сигнала в таком датчике в два раза выше числа оборотов ротора в секунду. Ротор и сама труба в этом случае изготовляются из немагнитных материалов: труба – из нержавеющей стали, ротор – также из немагнитной стали или из фторопласта.
Погрешность датчиков такого типа можно довести до 0,35 %, причем она целиком определяется погрешностью преобразования расхода в скорость вращения турбинки и зависит от сил сопротивления вращению ротора, возникающих от трения в подшипниках, вязкости жидкости и тормозного момента индукционного преобразователя. Для уменьшения трения в датчиках для измерения больших расходов используют шарикоподшипники из нержавеющей стали, а в датчиках для измерения малых расходов (1…50×10~6 л/с) — опоры часового типа.
При малых расходах основной составляющей момента сопротивления становится тормозной момент индукционного преобразователя. Его можно до предела уменьшить, если для устранения потерь на вихревые токи трубу изготовить из изоляционного материала (стекла или плексигласа), катушку преобразователя выполнить без сердечника, а для уменьшения потребления энергии измерительной цепью использовать полупроводниковый усилитель. Можно применить вместо индукционного преобразователя ионизационный или фотоэлектрический.
Частотные датчики расходомеров могут работать как с аналоговым измерительным устройством типа конденсаторного частотомера, так и с цифровым частотомером. В первом случае результирующая погрешность измерения расхода имеет порядок 1…2 %, во втором погрешность может быть меньше 0,5 %. Обычно в измерительное устройство, кроме частотомера, входит счетчик импульсов, показания которого соответствуют общему объему протекшей жидкости.
Кроме того, частотные датчики расходомеров, так же, как и тахометров, находят применение в точных системах регулирования скоростей и расходов. Используя эти датчики совместно с цифровым частотомером в режиме измерения отношения частот, можно создать устройство для точного регулирования отношения двух скоростей или двух расходов. Это свойство частотных датчиков особенно полезно в непрерывных химических производствах, где бывает необходимо точно согласовывать расход одного вещества с расходом другого.