ОСНОВИ ГІДРАВЛІКИ 

Електронний посібник

ГОЛОВНА	ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ	АНОТАЦІЯ
ДОДАТКИ	СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ	УКЛАДАЧІ

7. Визначення витрат рідини

7.1. Об’ємний та ваговий (масовий) методи визначення витрат рідини.

7.2. Засоби вимірювання витрати і кількості речовин та їх класифікація.

7.1.  Об’ємний та ваговий (масовий) методи визначення витрат рідини

Для побудови систем автоматизації технологічних процесів завжди доводиться визначати витрати або кількостей речовин, що необхідні для отримання заданого продукту. Вимірювання витрат складають до 15% від загального числа вимірювань в промисловості. Інформація про витрату широко використовується при управлінні технологічними процесами для оптимізації їх режимів.

Кількість речовини визначають її масою або об’ємом і вимірюють в одиницях маси (кг) або в одиницях об'єму (м³). Засоби вимірювання кількості речовини за деякий проміжок часу називають лічильниками. Кількість речовини V в одиницях об'єму, що пройшла через лічильник за вибраний проміжок часу Δt=t₂–t₁, визначається як різниця показань лічильника N₂ і N₁, що визначені в моменти часу t₂ і t₁:

(7.1)

де q_v – постійна лічильника, яка визначає кількість речовини, що припадає на одиницю показання лічильника.

Витратою називають кількість речовини (маса або об'єм), що протікає через поперечний переріз трубопроводу за одиницю часу. Розрізняють об'ємну витрату (Q), що вимірюється у м³/с, м³/год, л/хв тощо, і масову (G) витрату, що вимірюється у кг/с, кг/год, т/год тощо. Масова і об'ємна витрати пов’язані між собою залежністю:

(7.2)

де ρ – густина, кг/м³.

Витрата рідини з рівним ступенем точності може бути виміряна як об'ємним так і ваговим способом. Проте слід враховувати зміну об'єму (чи густини) рідини при зміні температури (властивість рідини збільшувати свій об'єм в процесі нагрівання). Об'єм рідини після збільшення її температури на величину ΔT=T₂–T₁ за постійного тиску буде становити:

(7.3)

де V_T, V₀ – об'єм за температур T₂ та T₁, К;

β_T – коефіцієнт об'ємного теплового розширення, який являє собою відносну зміну об'єму рідини при зміні температури на один градус за постійного тиску, К^-1 .

Зміна густини або питомої ваги рідини від температури описується формулами:

(7.4)

(7.5)

де ρ_T, γ_T, ρ₀, γ₀ – густина, питома вага при температурах T₂ та T₁.

Для твердих тіл користуються поняттям насипної густини, яка суттєво залежить від гранулометричного складу речовини. Тому витрата твердих тіл вимірюється ваговим способом. Витрату газів на практиці вимірюють об'ємним методом. Для порівняння результатів декількох вимірювань, що отримані за різних умов, об'єм газу необхідно привести до стандартних або нормальних умов. Об'ємні витрати можна визначити через середню швидкість потоку V_сер та площу поперечного перерізу трубопроводу (рис. 7.1):

(7.6)

де S – площа поперечного перерізу трубопроводу, м².

Рис. 7.1. До визначення витрат

Вимірювання витрати зазвичай здійснюється із двома цілями: необхідність контролювати витрату з метою керування технологічними процесами та необхідність обліку всіх матеріальних і енергетичних потоків.

Прилади для вимірювання витрати або кількості речовини можна розділити на 2 класи
Лічильники	– прилади для вимірювання кількості речовини, що пройшла через лічильник за деякий проміжок часу. Кількість речовини визначається як різниця показань лічильника. Лічильники, як правило є приладами прямого виміру й відлік по їхній шкалі дає значення вимірюваної величини без усяких додаткових обчислень.
Витратоміри	– прилади, що вимірюють витрату. Витратомірами рідини (газу) називають вимірювальні прилади або сукупність приладів, призначених для вимірювання витрати рідини (газу).

Необхідно розрізняти поняття «середня витрата» і «миттєва витрата». Наприклад, середня об'ємна витрата дорівнює:

(7.7)

де V – об'єм речовини, виміряний лічильником за час t₂–t₁.

Істинною або миттєвою витратою називають похідну від кількості (об'єму V або маси m) за часом t. Так, для об'ємної і масової миттєвої витрат відповідно маємо: Q= dV/dt та G=dm/dt. Таким чином витратоміри міряють миттєву витрату. Інтегруючи сигнал витратоміра за часом, можна визначити кількість речовини, що пройшла через витратомір за інтервал часу t₂–t₁:

(7.8)

(7.9)

Витратоміри з інтегруючими пристроями дозволяють вимірювати кількість речовини за будь-який проміжок часу. Прилад вимірювань витрати рідини (газу), призначений для вироблення сигналу вимірювальної інформації у формі, зручній для передачі, подальшого перетворення, обробки і (або) зберігання, але який не піддається безпосередньому сприйняттю спостерігачем називають перетворювачем витрати (чутливим елементом).

7.2.  Засоби вимірювання витрати і кількості речовин та їх класифікація

Витратоміри і лічильники поділяють на чотири групи:
Група А Прилади, засновані на гідродинамічних методах:	1) змінного перепаду тиску; 2) змінного рівня; 3) обтікання; 4) вихрові; 5) парціальні.
Група Б Прилади з безперервно рухомим тілом:	6) тахометричні; 7) силові (в тому числі вібраційні).
Група В Прилади, засновані на різних фізичних явищах:	8) теплові; 9) електромагнітні; 10) акустичні; 11) оптичні; 12) іонізаційні; 42 13) ядерно-магнітні.
Група Г Прилади, засновані на особливих методах:	14) кореляційні; 15) міткові; 16) концентра-ційні; 17) з тілом, що коливається; 18) з рухо-мою ділянкою трубопроводу; 19) струменеві.

Прилади, робота яких заснована на гідродинамічних методах

Серед приладів цієї групи широке застосування отримали витратоміри зі звужувальними пристроями, що відносяться до приладів змінного перепаду тиску. Для вимірювання малих витрат рідин і газів застосовують ротаметри й поплавкові прилади, які відносяться до витратомірів обтікання (інша назва витратоміри постійного перепаду тиску). Дуже перспективні є і вихрові витратоміри.

Витратоміри змінного перепаду тиску – це витратоміри рідини або газу, в яких витрата визначається за перепадом тиску, що утворюється нерухомим пристроєм, який встановлюється у трубопроводі, або є елементом трубопроводу. Найбільшого поширення набули витратоміри зі звужувальними пристроями (або з пристроями звуження потоку).

Принцип дії витратомірів із звужувальними пристроями заснований на тому, що при проходженні рідини через місцеве звуження каналу середня швидкість потоку в ньому збільшується, а тиск падає, тобто частина потенціальної енергії потоку перетворюється в кінетичну. Перепад тисків, що при цьому утворюється, залежить від витрати рідини, що протікає через трубопровід, та може бути виміряна диференціальними манометрами. Вимірювальний комплект витратоміру змінного перепаду тиску (рис. 7.2) складається із звужувального пристрою 1, який встановлюється в потік рідини або газу, та дифманометра 2 відградуйованого в одиницях витрати, який вимірює перепад тисків, що створюється на звужувальному пристрої. За допомогою дифманометра можна отримати стандартний електричний чи пневматичний сигнал і передати його на відстань. Лініями зв’язку між звужувальним пристроєм та дифманометром є з’єднувальні (імпульсні) трубки зі спеціальними пристроями на них.

Рис. 7.2. Вимірювальний комплект витратоміру змінного перепаду тиску: 1 – звужувальний пристрій (діафрагма); 2 – дифманометр

Для вимірювання витрат рідини дифманометр установлюють нижче від звужувального пристрою. Це робиться щоб уникнути впливу газових бульбашок на результати вимірювання. Для вимірювання витрат газів дифманометр розміщують над звужувальним пристроєм, щоб уникнути похибок від потрапляння рідини в прилад. Для вимірювання витрати пари з'єднувальні трубки потрібно заповнити конденсатом і використати зрівняльні посудини.

Звужувальні пристрої поділяють на стандартні та нестандартні. Для вимірювання витрат найбільш широко застосовуються нормалізовані (стандартні) звужувальні пристрої: діафрагми (ДСТУ ГОСТ 8.586.2:2007 (ISO 5167-2:2003)); сопла та сопла Вентурі (ДСТУ ГОСТ 8.586.3-2005 (ISO 5167-3:2003)), труби Вентурі (ДСТУ ГОСТ 8.586.4-2005 (ISO 5167-4:2003)) та ряд інших. Виконання звужувальних пристроїв у суворій відповідності зі стандартами дозволяє використовувати їх без індивідуальних градуювань.

Стандартні діафрагми є основним типом звужувальних пристроїв. Діафрагма являє собою тонкий диск з круглим отвором (рис. 7.3), що має з боку входу потоку гостру прямокутну кромку. Отвір є фасонним: спочатку циліндричним, потім конічним. Товщина діафрагми визначається діаметром трубопроводу, де вона встановлюється, і становить приблизно E≈0,05D, де D – діаметр трубопроводу. Діаметр отвору діафрагми d визначається в результаті розрахунку згідно з ГОСТ 8.586.1-2005.

Рис. 7.3. Стандартна діафрагма

Діафрагми бувають двох основних типів: безкамерні (рис.6.4), які використовують для вимірювання витрат у трубопроводах з діаметром D=300…1000 мм, та камерні (рис. 7.5), які відрізняються наявністю кільцевих камер для відбору тиску і, які використовують для вимірювання витрат у трубопроводах з діаметром D=50…500 мм.

Рис. 7.4. Діафрагма безкамерна: а) схема; б) зовнішній вигляд

Рис. 7.5. Діафрагма камерна: а) схема, б) зовнішній вигляд;

1 – диск; 2 – камери; 3 – прокладка

Відбір тисків до і після діафрагми здійснюється за допомогою спеціальних камер і окремих отворів. На рис. 7.6. наведені діафрагми: безкамерна, камерна та камерні в збірці.

Рис. 7.6. Діафрагми безкамерна, камерна та камерні в збірці

Сопла

Сопло ISA 1932 – це сопло, у якого звужувальна частина на вході, утворена дугами двох радіусів, переходить в циліндричну частину на виході (рис. 7.7).

Рис. 7.7. Сопло ISA 1932

Стандарт ISO 5167-3 визначає можливість використання сопла ISA 1932 для труб діаметром від 50 до 500 мм. Конструкція відбірних пристроїв тиску для діафрагм і сопел однакова.

Профіль сопла Вентурі наведено на рис. 7.8. Він складається з вхідних торцевої поверхні, перпендикулярної до осьової лінії сопла, звужувальної частини з заокругленим профілем, циліндричної частини (горловини) і вихідної конічної частини (дифузора). Вхідна торцева поверхня і звужувальна частина сопла Вентурі аналогічні торцевій поверхні і звужувальній частині сопла ІСА 1935. Сопло Вентурі може бути довгим або коротким. У довгого сопла найбільший діаметр вихідного конуса дорівнює діаметру трубопроводу, у короткого він менше діаметра трубопроводу. Сопло Вентурі встановлюють на трубопроводах діаметром від 65 до 500 мм.

Рис. 7.8. Укорочене і неукорочене сопло Вентурі

Відбір тиску для сопла Вентурі виконують аналогічно з соплами ІСА 1935. Відбір тиску в горловині проводять через окремі отвори, з'єднані за схемою або за допомогою кільцевої камери усереднення (або п'єзометричного кільця).

Труба Вентурі (рис. 7.9) складається з циліндричного вхідного патрубка 1, вхідного конуса 4, горловини (циліндрична частина) 5 і дифузора (вихідний конус) 6. У вхідному конусі і горловині виконані кільцеві камери 2, що призначені для усереднення тиску. Вони сполучаються із внутрішніми порожнинами вхідного конуса і горловини за допомогою декількох отворів 3.

Труба Вентурі називається довгою, якщо найбільший діаметр вихідного конуса дорівнює діаметру трубопроводу, або короткою, якщо зазначений діаметр менше діаметра трубопроводу. Труба Вентурі встановлюється на трубопроводах діаметром від 50 до 1400 мм.

Рис. 7.9. Труба Вентурі: 1 – циліндричний вхідний патрубок; 2 – кільцеві камери; 3 – отвори; 4 – вхідний конус; 5 – горловина (циліндрична частина); 6 – дифузор (вихідний конус)

При виборі пристрою звуження необхідно враховувати наступне. Характер потоку й розподіл тиску однаковий у всіх типах звужувальних пристроїв. Втрати тиску у звужувальних пристроях збільшується в такій послідовності: труба Вентурі, довге сопло Вентурі, коротке сопло Вентурі, сопло, діафрагма. Сопла Вентурі дозволяють вимірювати витрати з малими втратами, оскільки за формою вони нагадують стислий струмінь і зон завихрення на них практично не створюється. На практиці найчастіше застосовується дросельна шайба, оскільки має невисоку вартість і проста у виготовленні. При встановленні звужувальних пристроїв необхідно дотримуватися ряду умов, що впливають на похибку вимірювань. Звуження потоку в трубопроводі має відбуватися перпендикулярно осі трубопроводу. Ось звужувального пристрою повинна збігатися з віссю трубопроводу. Важливою умовою є необхідність забезпечення сталого плину потоку перед входом в звуження потоку і після нього. Такий потік забезпечується наявністю прямих ділянок трубопроводу певної довжини до і після звужуючого пристрою.

Джерело: https://www.youtube.com/watch?v=WvFNqEPNPOc

Витратоміри з напірними пристроями (витратоміри швидкісного напору) базуються на залежності витрати від перепаду тисків, що виникає в результаті переходу кінетичної енергії частини потоку в потенціальну, і який вимірюють пневмометричними трубками в комплекті з дифманометрами.

Рис. 7.10. Витратомір швидкісного напору: 1, 2 – пневмометричні трубки; 3 – стандартний дифманометр

Витратомір включає в себе диференціальну трубку, яка складається з вимірювального циліндру, що має центральний отвір для сприйняття повного тиску. На вимірювальному циліндрі є отвори для відбору статичного тиску. Найчастіше використовують диференціальну трубку Піто (комбіновану), як показано на рисунку 7.11.

Рис. 7.11. Витратомір швидкісного напору з диференціальною трубкою Піто та фрагмент такої трубки: 1, 2– пневмометричні трубки для відбору статичного тиску та повного тиску, відповідно; 3 – стандартний дифманометр

Метод швидкісного напору має ряд переваг, до яких належать: простота виготовлення та застосування; простота реалізації вихідного сигналу за допомогою дифманометра; трубка практично не спотворює потоку і втрати напору малі; можливість вимірювання витрати в трубопроводах некруглого перерізу. До недоліків відносять: незначну величину динамічного напору; чутливість до орієнтації трубки в потоці рідини, яка повинна встановлюватись всередині трубопроводу паралельно потоку. Ці витратоміри застосовуються переважно при експериментальних роботах для вимірювання витрати рідини й газів трубопроводах великих діаметрів і при великих швидкостях потоку, а також у трубопроводах некруглого перерізу.

Витратоміри змінного рівня. Робота витратомірів змінного рівня базується на залежності між витратами і висотою рівня рідини в посудині, в яку безперервно надходить рідина і з якої вона витікає через отвір у дні або в боковій стінці посудини. Для вимірювання рівня в посудині застосовують будь-які стандартні рівнеміри.

Посудина може бути відкритою, якщо рідина витікає з труби в відкриту ємність, або закритою, якщо ємність, в яку витікає рідина, знаходиться під тиском. Витратоміри можуть бути з повністю або частково затопленим отвором для витікання. У першому випадку отвір, як правило, круглий і розташовується в дні посудини (іноді отвір може перебувати внизу бокової стінки). У другому випадку отвір для витікання розташований в боковій стінці посудини і має форму щілини. Саме тому ці витратоміри ще називають щілинними витратомірами. Посудина з отвором для витікання може бути нерухомою, як це буває у більшості витратомірів цього типу, або рухомою. В останньому випадку обов'язково вимірюють вагу посудини, оскільки вона зв’язана з висотою посудини, а значить з витратою рідини.

Витратоміри змінного рівня зазвичай застосовують для неперервного вимірювання витрати агресивних рідин, суспензій, стічних вод і забруднених рідин, сумішей рідин і газів (нафтогазові суміші).

Витратоміри з затопленим отвором для витікання. Цей різновид можна розглядати, як частинний випадок витратомірів змінного перепаду тисків. Як отвори для витікання зазвичай використовують діафрагми. Схема витратоміра змінного рівня з діафрагмою, що встановлена в дні посудини наведена на рисунку 7.12.

Рис. 7.12. Схема витратоміра змінного рівня з діафрагмою, що встановлена в дні посудини

Рідина безперервно надходить в посудину по трубі, проходить через систему перегородок і стікає через отвір діафрагми, що розташований в дні посудини. Перегородки служать для того, щоб зменшити вплив динамічного тиску рідини на характер витікання рідини з діафрагми, а також відіграють роль фільтра, що запобігає засміченню діафрагми. Щоб найближча бокова стінка не впливала на напрям струменів, які притікають до діафрагми, відстань від її осі до бічної стінки не повинна бути менше трьох діаметрів отвору діафрагми.

Такі витратоміри застосовують для вимірювання невеликих витрат рідини, бо для вимірювання великих витрат треба застосовувати вимірювальні посудини великої висоти.

Щілинні витратоміри. Найбільшого поширення набули прилади з отворами щілинної форми, що розташовані в боковій стінці. Спеціальний профіль щілини забезпечує пропорційність між витратою і висотою рівня в посудині. Існує багато видів отворів для щілинних витратомірів (рис. 7.13). Від форми отвору залежить шкала витратоміра. Найпростішим є отвір прямокутної форми. Однак шкала приладу з таким отвором нерівномірна і в цьому його істотний недолік. Більш рівномірна шкала при отворі в формі симетричної трапеції, яка звужується до верху. Лінійну шкалу (в межах від 10 до 100%) можна отримати при отворі, яке називається профілем Сутро. На практиці часто застосовують несиметричний профіль Сутро з однією криволінійною кромкою, бо такі отвори легше виготовляти.

Рис. 7.13. Отвори для щілинних витратомірів: а– отвір прямокутної форми; б– отвір форми симетричної трапеції; в – профіль Сутро;г – несиметричний профіль Сутро

Схема щілинного витратоміра наведена на рисунку 7.14.В посудині зі щілинним витратоміром витрату визначають за висотою рівня рідини над нижньою кромкою отвору для витікання. Рівень рідини в посудині не повинен бути вищім за верхній край щілинного отвору.

Рис. 7.14. Схема щілинного витратоміра

За значенням рівня H, що визначений за допомогою будь-якого стандартного рівнеміра, отримують значення витрати.

Витратоміри обтікання

Витратоміри постійного перепаду тиску. Витратоміри постійного перепаду тиску є витратомірами дросельного типу. До цих витратомірів належать ротаметри, поплавкові й поршневі витратоміри. Принцип їх дії заснований на зміні перерізу вихідного отвору при підйомі поплавка або поршня і на зрівноважуванні ваги поплавка або поршня зусиллям, що створене перепадом тисків на цих елементах. Оскільки вага поплавка є постійною величиною, то постійна й сила, що її врівноважує. Тому ці витратоміри називаються витратомірами постійного перепаду. Ротаметри є найбільш поширеними приладами серед витратомірів постійного перепаду тиску.

Ротаметр (рис. 7.15) складається з прозорої конічної трубки (найчастіше скляної), що розходиться вгору, всередині якої розташований поплавок. Потік рідини або газу, що проходить через ротаметр, переміщає поплавок всередині конусної трубки. Підйом поплавка виражає безпосередньо величину витрати. Піднявшись настільки, що сила тяжіння врівноважує підйомну силу з боку потоку, поплавок зупиняється. Таким чином, кожному положенню поплавка відповідає певна витрата. Верхній зріз поплавка є покажчиком приладу – по ньому проводиться відлік по шкалі ротаметра при знятті результатів вимірювань.

Рис. 7.15. Схема ротаметра, поплавок та приклади промислових ротаметрів

Переваги ротаметрів: простота пристрою та його використання, мала вартість,рівномірність шкали витратоміра; можливість вимірювання малих витрат рідин і газів; малі втрати напору на поплавку. Ротаметри можна використовувати для вимірювання напору агресивних середовищ. Недоліки: мала механічна міцність; складно здійснювати запис інформації й її передачу на відстань. Більшість недоліків можна усунути у випадку виготовлення трубки з металу і використанні дистанційної передачі. Але втрачається простота пристрою та наочність показань, різко зменшується хід поплавка. Конструкція приладів суттєво змінюється і їх рекомендують називати не металевими ротаметрами, а поплавковими витратомірами.

Поплавкові витратоміри. На відмінність від скляних ротаметрів у поплавкових витратомірів трубка виготовляється з металу, хід поплавка невеликий і він має іншу форму. Такі витратоміри забезпечують перетворювальними пристроями з електричним або пневматичним вихідними сигналами. Принцип дії цих витратомірів такий самий як у ротаметрів. Поплавок в цих пристроях жорстко зв’язаний з осердям або магнітом для дистанційної передачі. Хід поплавка не перевищує 40¸70мм. В цих приладах проточна частина може мати різну форму (рис. 7.16).

Рис. 7.16. Схема поплавкових пар у поплавкових витратомірів

Перша поплавкова пара (рис. 7.16.а) складається з грибоподібного поплавка, який переміщається в конічній розточці. Ця пара застосовується для вимірювання малих витрат (для води 0,025-0,4 м³/год). Друга поплавкова пара (рис. 7.16.б) складається з конічного поплавка, який переміщається в круглому отворі. Ця пара застосовується для вимірювання середніх витрат (для води 0,063-16 м³/год). Третя поплавкова пара (рис. 7.16.в) складається з циліндричного поплавка, який переміщається в конічному отворі. Ця пара застосовується для вимірювання великих витрат (для води 16-63 м³/год). Схеми поплавкових витратомірів з конічним поплавком та з електричною дистанційною системою передачі показань наведені на рис. 7.17.

Рис. 7.17. Схеми поплавкових витратомірів з конічним поплавком: 1 – металевий корпус; 2 – поплавок; 3 – діафрагма; 4 – осердя; 5 – диференціально-трансформаторний перетворювач

Поплавковий витратомір з конічним поплавком має металевий корпус 1, всередині якого розташовані конічний поплавок 2 з діафрагмою 3. При зміні витрати поплавок переміщується, змінюючи прохідний перетин діафрагми. Поплавок через тягу пов'язаний з осердям 4 диференціально-трансформаторного перетворювача 5, вихідний сигнал якого використовується в схемах контролю і управління. Поплавкові витратоміри зазвичай розраховані на робочій тиск 6,27 МПа. Основна допустима похибка цих приладів не перевищує 2,5-3% від верхньої межі вимірювань.

Поршневі або золотникові витратоміри – це різновид витратомірів постійного перепаду тиску, у яких замість поплавка використовують поршень, що переміщуються у втулці з вікнами особливої форми. Вимірювана речовина надходить під поршень, піднімає його і виходить через вікно або проріз у втулці. Тиск над поршнем той же, що і в вихідному штуцері, а під поршнем такий, як і на вході у витратомір. Чим більше витрата, тим вище піднімається поршень, і відкриває все більшу частину отвору у втулці. Перепад тисків на поршні зберігається постійним. Вибираючи належний профіль прорізу, можна отримати бажану залежність між витратою і переміщенням поршня. Схема поршневого витратоміра наведена на рисунку 7.18.

Рис. 7.18. Схема поршневого витратоміра. 1 – поршень; 2 – втулка; 3 – круглий отвір; 4 – прямокутний отвір; 5 – осердя; 6 – тягарі

Витратоміри обтікання з поворотною лопаттю. Принцип роботи заснований на вимірюванні гідродинамічного тиску, що сприймається тілом, розміщеним у потоці. Конструкція витратоміра реалізується шляхом підвішування у трубопроводі лопаті, яка сприймає гідродинамічний тиск рідини чи газу, що протікає по трубопроводу. Витрата визначається за кутом повороту лопаті або за величиною сили протидії, що зрівноважує тиск потоку. Схеми витратомірів з поворотною лопаттю показано на рисунку 7.19.

Рис. 7.19. Схеми витратоміра обтікання з поворотною лопаттю

Кут повороту лопаті для вимірювання витрат рідин не повинен перевищувати до 70¸80°, а для газів – 60°. При великих кутах повороту різко знижується чутливість датчика та стає неприпустимо великою його вібрація. Для боротьби з вібраціями на лопаті роблять ряд невеликих отворів для вирівнювання тиску.

Вихрові витратоміри

Принцип дії вихрових витратомірів ґрунтується на «ефекті Кармана» (на честь дослідника Теодора фон Кармана), згідно з яким при обтіканні нерухомого твердого тіла, що розміщено в потоці контрольованого середовища, за тілом утворюються вихрові доріжки, що складаються з вихорів, які по черзі зриваються з протилежних сторін тіла. На рисунку 7.20 показано обтікання циліндричного тіла потоком і утворення вихорів.

Рис. 7.20. Обтікання циліндричного тіла потоком з утворенням вихорів

Частота утворення і зриву вихорів за тілом пропорційна швидкості потоку та розмірам тіла обтікання. За постійного характерного розмірі тіла частота пропорційна швидкості, а значить і об'ємній витраті. Тіла обтікання можуть мати різну форму: трикутну, трапецієвидну, круглу, прямокутну тощо (рис. 7.21).

Рис. 7.21. Форми тіл обтікання вихрових витратомірів

Залежно від способу детектування частоти вихорів розрізняють вихрові і вихороакустичні витратоміри. У загальному вигляді, вихровий витратомір складається з двох частин: первинного перетворювача і вторинного перетворювача (електронного блоку обробки сигналу). Первинний перетворювач включає в себе вихороперетворювач (тіло обтікання) і пристрій детектування вихорів (сенсор). будова первинного перетворювача наведена на рисунку 7.22.

Рис. 7.22. Схема первинного перетворювача вихрового витратоміра: 1 – потік речовини; 2 – тіло обтікання; 3 – вихори; 4 – сенсор

Для детектування вихорів за тілом обтікання, або всередині нього, встановлюється сенсор. У таких витратомірах може використовуватися кілька варіантів перетворення коливань вихрового потоку на вихідний сигнал. У вихровому витратомірі, що показано на рисунку 7.23, визначення частота утворення вихорів проводиться за допомогою двох п’єзодавачів, які фіксують пульсації тиску в зоні утворення вихорів. У корпусі проточної частини давача розміщені первинні перетворювачі об'ємної витрати, надлишкового тиску і температури.

Рис. 7.23. Схема вихрового витратоміра з п’єзоелектричними перетворювачами: 1 – тіло обтікання; 2 – перетворювач надлишкового тиску 3 – п'єзоелектричні перетворювачі пульсацій тиску; 4 – термоперетворювач опору; 5 – мікропроцесорний пристрій та приклад промислового витратоміра

На вході в проточну частину датчика встановлено тіло обтікання 1. Перетворювач надлишкового тиску 2 тензометричного принципу дії розміщений перед тілом обтікання поблизу його кріплення. За тілом обтікання симетрично розташовані два п'єзоелектричних перетворювача пульсацій тиску 3. Термоперетворювач опору 4 розміщений всередині тіла обтікання. Для забезпечення безпосереднього контакту вимірюваного середовища і термоперетворювача опору в тілі обтікання виконані спеціальні отвори. Мікропроцесорний пристрій оброблює сигналів перетворювачів пульсацій тиску, надлишкового тиску та температури. В процесі оброблення відбуваються фільтрація паразитних складових, зумовлених впливами вібрацій, флуктуації тиску й температури потоку, та формування вихідних сигналів витрати, тиску та температури.

До переваг вихрових витратомірів слід віднести то, що вони не мають рухомих елементів усередині трубопроводу, надають можливість вимірювання витрат забруднених та агресивних потоків рідини, пари та газу

Як недоліки цих витратомірів слід відзначити значні втрати тиску, та непридатність до вимірювання потоків, що рухаються з малою швидкістю.

Різні моделі вихрових витратомірів мають клас точності 1…5. Їх можна встановлювати на трубопроводах діаметрами 15…2000 мм для газів та 50…1200мм для рідин, забезпечуючи вимірювання витрати газів у діапазоні 9…2000000 м³/год, рідин – 1…25000 м³/год.

Вихороакустичні витратоміри

У вихороакустичних витратомірах в якості тіла обтікання застосовується призма трапецієподібного перерізу, а детектування вихорів здійснюється за допомогою ультразвукових пристроїв. Тому їх також називають вихровими ультразвуковими витратомірами. Схема вихороакустичного витратоміра показана на рисунку 7.24.

Рис. 7.24. Схема вихороакустичного витратоміра: 1 – тіло обтікання; 2 – п'єзовипромінювач; 3 – п'єзоприймач; 4 – генератор; 5 – фазовий детектор; 6 – електронний блок

Конструктивно прилад складається з корпусу проточної частини і електронного блоку. Тіло обтікання – призма трапецієподібного перерізу – 1 розташовано на вході проточної частини і при обтіканні за ним утворюються вихрові доріжки. Частота проходження цих вихорів буде пропорційна витратам. За тілом обтікання розташовані ультразвуковий п'єзовипромінювач 2 та діаметрально протилежно йому п'єзоприймач 3, які використовуються для детектування вихорів. На випромінювач від генератора 4 подається змінна напруга, яка перетворюється в ультразвукові коливання. Збурений тілом обтікання потік спотворює сигнал п'єзовипромінювача, в результаті чого ультразвукові коливання при проходженні через потік і взаємодії з вихорами буде модульованими по фазі, яка фіксується п'єзоприймачем сигналу, перетворюється в електричний сигнал і направляються на фазовий детектор 5. Далі в електронному блоці 6 сигнал перетворюється в напругу, яка за частотою й амплітудою відповідає частоті утворення вихорів і відповідно об'ємній витраті.

Прилади відрізняються високою чутливістю, що дозволяє їх використовувати для вимірювань низьких витрат. Залежність точності вимірювань від температури середовища (особливо для газів) і вплив механічних і газових включень на процес вимірювань, обмежують їх область використання до чистих рідин і невеликого числа різновидів газів.

Парціальні витратоміри

Вартість багатьох типів витратомірів значно зростає зі збільшенням діаметра трубопроводу, на якому їх встановлюють. Труби діаметром близько 1 м потребують дуже дорогих приладів, що обмежує можливість масового інструментального обліку води, наприклад на водозаборах. Виходом з цього положення може служити установка витратомірів по так званою парціальною схемою. Характерною особливістю парціальної схеми є наявність невеликої ділянки труби меншого діаметра, що підключена паралельно до основного трубопроводу – так званого обвідного шунта.

Парціальні витратоміри – вимірювальні прилади, в яких загальна витрата речовини визначається через деяку частку основного потоку, що протікає в меншій трубі, яка підключена паралельно до основного трубопроводу. Необхідність вимірювання витрат за допомогою парціальних витратомірів виникає не тільки тоді, коли вимірювання витрат треба проводити в трубопроводах великих діаметрів, а і тоді, коли установка чутливих елементів витратомірів в основному потоці з яких-небудь причин є небажаною (наприклад, велика втрата напору) або складне конструктивне виконання витратоміра для основного потоку. Схема парціального витратоміра показана на рис. 7.25.

Рис. 7.25. Схема парціального витратоміра: 1 – трубопровід; 2 – прийомний отвір обводу; 3 – водомір; 4 – труба обводу;5 – вихідний отвір обводу

Через трубопровід 1 протікає основний потік речовини, витрату якої необхідно визначити. В основний трубопровід врізана труба обводу 4 через яку проходить частина речовини. В трубі обводу встановлений витратомір 3 для визначення витрати речовини, що протікає по цій трубі. Між основною витратою речовини в трубопроводі і витратою, що протікає по обвідний трубі існує залежність за якою визначають основну витрату по величині часткової. Витрату речовини в обвідному шунті визначають стандартними витратомірами (діафрагма, ротаметр та інші). Парціальні витратоміри можна поділити на три основні групи: - витратоміри, у яких відгалужений потік повертається в основну трубу; - витратоміри з відгалуженим потоком, що не повертається в основну трубу; - витратоміри, парціальний потік яких утворюється допоміжною речовиною. Для правильної роботи парціального витратоміра необхідно, щоб безпосередньо вимірювана витрата q (в обвідній трубці) була строго пропорційна основній витраті Q (в основному трубопроводі). Для цього, перш за все, потрібно щоб всі прохідні перерізи в обвідний трубці не змінювалися, не було забруднення обвідної трубки і гідравлічного опору, якщо він є, то щоб дотримувалося рівність або сталість відносини густин середовища в основний і обвідній трубах.

Прилади з безперервно рухомим тілом

Серед приладів групи Б широке застосування знаходять різні різновиди тахометричних витратомірів: турбінні, кулькові і камерні (роторні, з овальними шестернями і інші). Останні використовують в якості лічильників газу, нафтопродуктів та інших рідин. Тахометричними називаються витратоміри і лічильники, що мають рухливий елемент (зазвичай такий, що обертається), швидкість руху якого пропорційна об'ємній витраті.

Тахометричні витратоміри поділяють на:

- швидкісні (турбінні); - кулькові;

- роторно-кульові;

- камерні.

Принцип дії тахометричного витратоміра (лічильника) заснований на вимірюванні швидкості обертання або підрахунку обертів поміщеного в потік рухливого елементу. Якщо вимірювати швидкість руху рухливого елементу, то отримуємо тахометричний витратомір. Для створення тахометричного витратоміра швидкість руху елементу необхідно перетворити в сигнал, що пропорційний витраті та зручний для вимірювання. Якщо підраховувати (вимірювати) загальне число обертів (чи ходів) рухливого елементу – вертушки (крильчатки або турбінки), то отримуємо тахометричний лічильник кількості речовини (об’єм або маси).

Всі тахометричні витратоміри (лічильники) енергонезалежні. Ці прилади вимірювання є досить поширеними і мають клас точності в межах 0,2-0,5. Тахометричні витратоміри (лічильники) з крильчаткою або турбіною можуть виготовлятися для труб діаметру 4¸750 мм та тиску до 250 МПа. Тахометричні прилади зазвичай вимірюють об'ємні витрати в межах 0,03¸1600 м³/год. За необхідності вимірювання масових витрат, вони повинні забезпечуватися або вимірювачами температури та тиску, або густиномірами і обчислювальними пристроями. Тахометричні витратоміри (лічильники) використовують для вимірювання витрати та кількості води, нафтопродуктів та інших рідин. Вони знаходять використання і для вимірювання витрати та кількості газу.

Швидкісні (крильчасті і турбінні) витратоміри (лічильники). Швидкісні витратоміри застосовують для вимірювання витрат рідин, крім дуже забруднених та з високою в’язкістю. Для вимірювання витрати газу їх використовують значно рідше внаслідок його малої густини. В якості рухливого елементу у цих витратомірах використовують крильчатки або турбінки, тому їх часто називають крильчасті та турбінні витратоміри (іноді просто турбінні витратоміри без вказівки на тип рухливого елементу). Різниця між крильчаткою (також називають тангенціальною турбінкою) та турбінкою (також називають аксіальною турбінкою) полягає в тому, що вісь обертання крильчатки розташована перпендикулярно, а турбіни – паралельно напрямку руху потоку речовини. Для лічильника необхідно з’єднати вал рухливого елементу з рахунковим механізмом. Схеми швидкісних витратомірів показані на рисунку 7.26.

а б

Рис. 7.26. Схеми швидкісних витратомірів: а) з турбінкою; б) з крильчаткою. 1 – трубопровід; 2, 3 – струменевипрямлячі; 4 – вертушка; 5 – пристрій формування вихідного сигналу (тахометричний перетворювач або лічильний пристрій)

Корпус 1 перетворювача являє собою відрізок труби з двома фланцями для приєднання його до трубопроводу. Усередині корпусу встановлено струменевипрямлячі 2 і 3, що з'єднані нерухомою віссю, на якій розташована вертушка 4 (на рис 7.26,а зображена турбінка з лопатями які вигнуті за гвинтовою лінією, вісь обертання якої паралельна напрямку руху потоку речовини, нарис 7.26,б зображена крильчатка з прямими лопатями, вісь обертання якої перпендикулярна напрямку руху потоку речовини).

Частота обертання турбінки (крильчатки) пропорційна об'ємній витраті вимірюваного середовища. За допомогою тахометричного перетворювача 5 вона перетворюється в частоту вихідної напруги, а потім в аналоговий вихідний сигнал.

В тахометричних лічильниках вимірявши кількість обертів турбінки (крильчатки) за допомогою лічильного механізму 5 (наприклад, тахометру) можна по ній визначити об'ємну витрата (кількість) речовини. В тахометричних лічильниках про кількість рідини Q, що пройшла через витратомір судять по кількості обертів вертушки, що розташована на шляху потоку: n=k∙V_cеp, де k – коефіцієнт пропорційності. Кількість рідини Q можна визначити через середню швидкість потоку V_сер та площу поперечного перерізу трубопроводу S: Q=V_cеp∙S. На 7.28 наведені приклади зображення лічильників води.

Рис. 7.27. Лічильники води: а - з турбінкою; б - з крильчаткою

У швидкісних витратомірах для можливості безконтактного вимірювання швидкості обертання вертушки її лопаті або виготовляються з феромагнітного матеріалу, або на ній встановлюються включення-відмітки з цього матеріалу. Серед безконтактних перетворювачів, що перетворюють швидкість обертання вертушки в електричний сигнал, найбільшого поширення набули перетворювачі магнітоіндукційного типу.

Кульковими витратомірами називають тахометричні витратоміри, в яких рухомим елементом є кулька, що здійснює неперервний рух по колу. Такий рух кульки забезпечується гвинтовим напрямним апаратом, який закручує потік, чи тангенціальними підведенням вимірюваної речовини. Схеми кулькових перетворювачів для середніх і великих витрат представлені на рисунку 7.28.

Рис. 7.28. Схеми кулькового перетворювача: а) – для великих витрат; б) – для малих витрат. 1 – формувач потоку; 2 – кулька; 3 – обмежувальне кільце; 4 – струменевипрямляч; 5 – тахометричний перетворювач

Камерними називаються тахометричні витратоміри і лічильники, що мають один або кілька рухомих елементів, які при русі відмірюють певні об’єми рідини або газу. Зазвичай ці рухливі елементи рухаються безперервно зі швидкістю, пропорційною об'ємній витраті. Ці витратоміри і лічильники також називають об’ємними. Принцип дії об'ємних лічильників і витратомірів полягає в періодичному або безперервному відліку постійних об'ємних порцій вимірюваної речовини. Існує велика кількість конструкцій, камерних витратомірів і лічильників рідин і газів. Для рідин застосовують лічильники з овальними шестернями, барабанні, лопатеві, поршневі, перекидні лічильники та інші. Для вимірювання великих кількостей газу в основному використовують ротаційні лічильники, а барабанні лічильники використовують для лабораторних вимірювань та вимірювань невеликих кількостей газу. Лічильник з овальними шестірнями (рис. 7.29) складається з двох однакових овальних шестерень 1 та 2, що знаходяться в зачепленні і обертаються в протилежні сторони під дією перепаду тиску рідини, що протікає через його корпус 3. Обидві шестірні знаходяться в безперервному зачепленні і при обертанні шестірні обкатуються своїми бічними поверхнями.

Рис. 7.29. Схема лічильника для рідин з овальними шестірнями

Ротаційні лічильники. Їх робота аналогічна лічильникам з овальними шестернями для вимірювання кількості рідин. У якості перетворювального елемента застосовуються не овальні шестерні, а ротори, що мають восьмиподібну форму (іноді форму порівнюють з лемніскатою або гантеллю). Ротаційний газовий лічильник (рис. 7.30) складається з корпусу, всередині якого обертаються два однакових восьмиподібних ротора, а також передавального і лічильного механізмів, що пов'язані з одним з роторів (на схемі не показані).

Рис. 7.30. Схема ротаційного лічильника

Принцип роботи барабанних лічильників заснований на безперервному вимірюванні і відліку рівних об'ємних порцій речовини. Число цих об’ємів реєструється рахунковим механізмом, що показує в об'ємних одиницях сумарна кількість речовини, що пройшла через прилад. Принципові схеми барабанних лічильників для вимірювання кількості рідини та газу (рис. 7.31) – це циліндричний горизонтальний резервуар, розділений на камери рівного об'єму. При послідовному наповненні й спорожненні камер резервуар, виконаний у вигляді барабана, приходить в обертання. Об’єм рідини, що пройшла через лічильник, пропорційна числу обертів барабану, фіксується рахунковим механізмом. В лічильниках рідини при надходженні в барабан рідини зміщується його центр ваги, що викликає періодичний або неперервний поворот барабану.

Рис. 7.31. Принципові схеми барабанних лічильників для вимірювання кількості рідини (а) та газу (б)

Лопатеві лічильники. Принцип їх роботи заснований на безперервному вимірюванні й відліку рівних об'ємних порцій речовини. Лопатевий лічильник рідини (рис. 7.32) складається з циліндричної камери 1 (корпус) у середині якої обертається циліндр 2, і чотирьох лопатей 5, 6, 7, 8, що переміщаються в радіальних прорізах останнього.

Рис. 7.32. Схема лопатевого лічильника. 1 – корпус; 2 – циліндр; 3 – кулачок; 4 – ролик; 5, 6, 7, 8 – лопаті; 9 – вставка

Лопатеві лічильники переважно використовуються для вимірювання кількості малов’язких рідин (легких нафтопродуктів, спирту і т. п.). Лопатеві лічильники призначені для вимірювання в трубах діаметром 100¸200 мм. Робоча температура цих лічильників може бути в межах від 40 до 120°С і тиск до 6,4 МПа. Втрата напору не повинна перевищувати 50 кПа.

Поршневі лічильники також відносяться до приладів камерного (об’ємного) типу й принцип їх роботи заснований на безперервному вимірюванні і відліку рівних об'ємних порцій речовини, які витісняються поршнем з вимірювального циліндра. Ці лічильники виготовляються з різною кількістю поршнів. Найчастіше зустрічаються лічильники з одним, двома, чотирма і шістьма поршнями. На рисунку 7.33 показана схема поршневого лічильника з одним поршнем. Поршневі лічильники являють собою циліндр, усередині якого під дією рідини, що протікає, переміщається поршень.

Рис. 7.33. Схема поршневого лічильника: 1 – вхідна труба; 2 – золотниковий пристрій; 3 – поршень; 4 – вихідна труба; 5 – механізм

Рідина надходить у лічильник по трубі 1 і через золотниковий пристрій (іноді чотириходовий кран) 2 поступає під поршень 3. Під тиском рідини поршень переміщується вверх. Золотниковий пристрій 2 в робочому стані займає два сталих положення: якщо рідина поступає в нижню порожнину циліндру, то верхня – сполучається із вихідною трубою 4. Поршень при переміщенні вверх витісняє рідину з верхньої порожнини у вихідну трубу 4. Для поршневих лічильників у порівнянні з іншими типами об'ємних лічильників характерна велика втрата тиску. Поршневі лічильники використовуються для вимірювання сумарної кількості мазуту, нафти, бензину та інших рідин. Раніше їх застосовували для вимірювання кількості води. Поршневі лічильники рідини мають похибку до 2%.

Перекидні лічильники (лічильники з хитними судинами) застосовуються тільки для рідини. Ці лічильники складаються з двох камер (або ковшів), перекидання яких відбувається після заповнення однієї з камер певним об’ємом (рис. 7.34,а) або певної масою рідини (рис. 7.34,б) в разі вантажного врівноваження.

Рис. 7.34. Схема перекидних лічильників: а – перекидання відбувається за об’ємом; б – перекидання відбувається за масою

Лічильники працюють наступним чином: поки перша з вимірювальних посудин заповнюється рідиною, з другої вона витікає. Коли перша посудина заповниться, лічильник перекидається й тепер буде заповнюватись друга посудина, а з першої рідина почне витікати.

Силові витратоміри

Силовими називаються витратоміри, в яких за допомогою силового впливу, що залежить від масової витрати потоку, надається прискорення того чи іншого роду, і вимірюється який-небудь параметр, що характеризує ступінь цього впливу (або ефекту від впливу). Прискорення потоку виникає в процесі зміни його первісного руху. Залежно від характеру цієї зміни й отриманого при цьому прискорення силові витратоміри поділяються на: коріолісові, гіроскопічні і турбосилові.

Коріолісовими називаються витратоміри, в перетворювачах яких під силовим впливом виникає коріолісове прискорення, яке пропорційне безпосередньо масовій витраті. Вони набули найбільшого поширення серед силових витратомірів. Перший витратомір, робота якого базується на основі сил Коріоліса був представлений компанією MicroMotion у 1977 році. Сила Коріоліса (сила інерції) діє на тіло масою m, яке рухається з постійною лінійною швидкістю V та одночасно обертається з кутовою швидкістю ω, та направлена під прямим кутом до напрямку руху. Прискорення Коріоліса (прискорення обертання) – це частина повного прискорення тіла, яке з’являється під час його руху в обертальній системі відліку. Дія сили Коріоліса проявляється в коливальних системах, коли рідина або газ переміщаються в напрямку осі коливань,або в протилежному їй напрямку. Згідно з другим законом Ньютона, на якому ґрунтується робота коріолісових витратомірів, прискорення a, що отримане тілом, прямо пропорційно рівнодіючій всіх сил F, що діють на тіло, і обернено пропорційно масі тіла m: a=F/m. Цей вираз справедливий для будь-яких сил будь-якої природи.

Витратомір Коріоліса (рис. 7.35) складається з давача витрати (сенсора) і електронного перетворювача. Сенсор перетворює витрату, густину середовища та температуру сенсорних трубок в електричні сигнали. Електронний перетворювач (на рисунку не показаний) конвертує отриману від давача інформацію в стандартні вихідні сигнали та у цифровий сигнал. Сенсор складається з однієї або двох вимірювальних сенсорних трубок 1, що мають вигнуту форму, і приварені до ділянки трубопроводу з фланцями. Між трубками на спеціальному кріпленні розташована задавальна котушка 3, яка створює коливання трубок. З боків трубок (на виході та вході речовини) встановлені детектори 2, що визначають положення трубок одна відносно другої.

Рис. 7.35. Схема витратоміра Коріоліса: 1 – вимірювальні трубки; 2 – детектор швидкості; 3 – задавальна котушка;4 – термоперетворювача

Вимірюване середовище, що надходить в сенсор, розділяється на рівні половини, що протікають через кожну з сенсорних трубок. Цим трубкам за допомогою котушки задається коливальний рух, що призводить до того, що трубки коливаються вгору-вниз у протилежному напрямку одна до одної (рис. 7.36,а). Коливання трубок подібне коливанням камертону. Амплітуда коливань становить менше 1 мм, а частота – близько 100 Гц.

Рис. 7.36. Робота витратоміра Коріоліса

На сенсорних трубках встановлені детектори 2 (лівий та правий), що складаються з магнітів і котушок-соленоїдів (рис. 7.36,г), причому котушки змонтовані на одній сенсорній трубці, а магніти на інший. Кожна котушка рухається крізь однорідне магнітне поле постійного магніту. Згенерована напруга від кожної котушки детектора має форму синусоїдальної хвилі (рис. 7.36,г). Порівняння цих сигналів показує рух однієї трубки відносно другої. Під час проходження рідини через сенсорну трубку зі швидкістю v та масовою витратою Q, поступальний рух рідини в кожній трубці розділяється на дві фази: рух середовища від основного трубопроводу до середини згину (вхідна сторона) та зворотний рух, назад до трубопроводу (вихідна сторона), причому цей рух здійснюється одночасно з синусоїдальному коливанням площини трубки. Це приводить до виникнення коріолісового прискорення, яке свою чергу, приводить до появи сили Коріоліса F_К (рис. 7.36,б). Сила Коріоліса F_К спрямована в сторону протилежну напрямку руху трубки, що заданий електромеханічним ланцюгом збудження її коливань.

Таким чином, рідині, що протікає, надається вертикальна складова руху вібрувальної трубки. При русі сенсорної трубки вверх під час першої половини циклу коливання (рис. 7.36,б) рідина, що втікає в трубку (перша половина трубки) створює опір руху трубки вверх давлячи на трубку вниз (перешкоджає переміщенню трубки). Поглинувши цей вертикальний імпульс рухом навколо вигину трубки, рідина, що витікає з трубки, при зворотному русі вже опирається зменшенню вертикальної складової руху, штовхає трубку вверх (прискорює переміщення трубки). Це призводить до деякої деформації (вигину)сенсорної трубки – її закручуванню (рис. 7.36,в).

Коли в другій фазі вібраційного циклу трубка рухається вниз, напрям вигину змінюється на протилежний, і трубка закручується в протилежну сторону. У таких закручуваннях сенсорних трубок і проявляється ефект Коріоліса. В результаті трубка здійснює крутильні коливання. Згідно з другим законом Ньютона, кут закручування трубки під дією сил буде пропорційним кількості рідини, що проходить через трубку (рис. 7.36,в) за одиницю часу, тобто масовій витраті Q рідини. Детектори, що встановлені на вхідній та вихідній частинах сенсорних трубок, вимірюють зсув по фазі при русі протилежних сторін сенсорних трубок.

Коли витрат у трубках немає, то синусоїдальні сигнали, що надходять з детекторів, мають однакову фазу (рис. 7.37,а). Коли потоку вимірюваної рідини у трубках немає, вони не вигинаються. За наявності витрати синусоїдальні сигнали, що надходять з детекторів, не співпадають за фазою (рис. 7.37,б), оскільки сигнал від вхідного боку трубок запізнюється відносно сигналу з вихідного боку за рахунок вигину сенсорних трубок. Різниця в часі між сигналами (ΔT) вимірюється в мікросекундах і прямо пропорційна масовій витраті. Чим більше масова витрата, тим більше ΔT.

Рис. 7.37. Сигнали, що надходять з детектора: а – за відсутності витрати; б – за наявності витрати

Частота коливань сенсорних трубок залежить від їх геометрії, матеріалу, конструкції і маси. Маса вимірювального елементу складається з двох частин: маси самих трубок і маси вимірюваного середовища в трубках. Для конкретного типорозміру сенсора маса трубок постійна. Оскільки маса вимірюваного середовища в трубках дорівнює добутку густини середовища і внутрішнього об’єму, а об’єм трубок є також постійним для конкретного типорозміру, то частота коливань трубок може бути прив'язана і до густини середовища та визначена шляхом вимірювання періоду коливань. Оскільки густина рідини залежить від її температури, зміна, спричинена коливаннями температури рідини, яка проходить через витратомір, враховується за допомогою додаткового температурного сенсора 4 (наприклад, платинового термометра опору), який розміщується в сенсорі витратоміра.

Пропорційні витратам сигнали від обох сенсорів, виміряне значення температури та частота збудження власних механічних коливань сенсорних трубок подаються на мікропроцесорний перетворювач сигналів, де формуються стандартні вихідні сигнали витрати, температури та густини продукту. Переміщення сенсорних трубок може реєструватися за допомогою оптичних перетворювачів, сигнал на виході яких також буде представляти собою імпульс, що пропорційний витраті.

Деякі виробники розробили сенсори з прямими трубками. Принцип роботи у них такий же, як і у витратомірів з вигнутими сенсорними трубками. Тут в першій половині сенсора рідина збільшує швидкість під впливом власної інерції, а потім знижує швидкість в другій його половині. Інерція рідини створює силу Коріоліса, котра незначно викривлює трубку. Для визначення степені викривлення трубки застосовують детектори. Коливаннями температури рідини, що проходить через сенсор, враховується за допомогою додаткового температурного сенсора.

Коріолісові витратоміри виконують пряме вимірювання витрати рідин, в тому числі високов’язких, агресивних, суспензій, емульсій, а також газів. Їх можна застосовувати для вимірювання витрати рідин і газів в трубопроводах 15 до 300 мм. Клас точності приладів 0,5¸1,5. Наприклад, коріолісів витратомір із сенсорами компанії MicroMotion дозволяє вимірювати витрати від 55 до 680400 кг/год з похибкою 0,15 %.

Основні переваги коріолісових витратомірів: висока точність вимірювання параметрів упродовж тривалого часу; можливість роботи незалежно від напряму потоку; відсутність необхідності прямолінійних ділянок трубопроводу до і після витратоміра; надійна робота в умовах вібрації трубопроводу, змінюваності температури та тиску контрольованої рідини; тривалий термін служби та простота обслуговування, оскільки немає рухомих та зношуваних частин; немає потреби в періодичному перекалібруванні та регулярному технічному обслуговуванні.

Рис. 7.38. Приклади промислового виконання коріолісових витратомірів

Гіроскопічними називають витратоміри, в яких під впливом зовнішнього силового впливу виникає й потім вимірюється гіроскопічний момент, що залежить від витрати. Первинний перетворювач такого витратоміра складається з ділянки труби у вигляді петлі кільцевої або іншої форми, що обертається з постійною кутовою швидкістю навколо осі.

Турбосиловими називають силові витратоміри, в перетворювачі яких в результаті силового впливу, пропорційного масовій витраті, потік закручується.

Електромагнітні витратоміри

Принцип дії цих приладів ґрунтується на законі електромагнітної індукції (законі Фарадея), згідно з яким рух провідника в магнітному полі, створює електрорушійну силу (ЕРС), яка пропорційна швидкості руху провідника. Напрямок струму, що виникає в провіднику, перпендикулярний напрямку руху провідника та силовим лініям магнітного поля. В електромагнітних витратомірах роль провідника виконує електропровідна рідина, яка протікає по трубопроводу між полюсами магніту і перетинає створене магнітом поле. У рідині буде наводитися ЕРС, що пропорційна швидкості її руху, і, відповідно, витраті рідини. Потрібно, щоб питома електропровідність рідини була не нижче 10^–3 См/м. За допомогою деяких електричних вимірювальних схем межа їх застосування може бути зсунута до 10^–5 См/м. Найбільшого застосування набули електромагнітні витратоміри, у яких вимірюється ЕРС, індукована в рідині, при перетині нею магнітного поля.

Принципові схеми електромагнітних витратомірів наведені на рис. 7.44. У таких приладах між полюсами магніту 2 (рис. 7.39,а) або електромагніту 2 (рис. 7.39,б) встановлюють ділянку трубопроводу 1 (перпендикулярно до напряму магнітних силових ліній), яка виготовлена з немагнітного матеріалу і всередині покрита електроізоляційним матеріалом (наприклад, емаль, склопластик, фторопласт тощо) з потоком контрольованої рідини.

Рис. 7.39. Принципові схеми електромагнітних витратомірів: а – з постійним магнітом; б – з електромагнітом; в – об’ємне зображення витратоміру; 1 – трубопровід; 2 – електромагніт; 3 – електроди; 4 – вимірювальний прилад

У стінки трубопроводу в одному поперечному перерізі діаметрально протилежно введені два електроди 3 (врівень з внутрішнім діаметром труби) в напрямку, перпендикулярному як до напрямку руху рідини, так і до напрямку силових ліній магнітного поля. До електродів за допомогою з'єднувальних провідників підключають високочутливий вимірювальний прилад 4 (наприклад, мілівольтметр чи потенціометр). Шкалу приладу градуюють в одиницях витрат або в одиницях швидкості.

Акустичні (ультразвукові) витратоміри

Акустичні витратоміри – це прилади що ґрунтуються на вимірюванні того чи іншого ефекту, який виникає у разі проходження акустичних коливань через потік рідини або газу і залежить від витрати. Майже всі акустичні витратоміри, що застосовують на практиці, працюють в ультразвуковому діапазоні частот і тому їх називають ультразвуковими.

Дані прилади прийнято розділяти на дві основні групи:

- витратоміри, які базуються на переміщеннях акустичних коливань рухомим середовищем;

- витратоміри, які побудовані на ефекті Допплера.

Найбільшого поширення набули прилади, що ґрунтуються на вимірюванні різниці часу проходження акустичних коливань за напрямом руху потоку і проти нього. Значно рідше зустрічаються прилади, у яких акустичні коливання спрямовують перпендикулярно потоку і вимірюють ступень відхилення цих коливань від початкового напряму.

Прилади, побудовані на ефекті Доплера, призначені в основному для вимірювання місцевої швидкості, але їх також застосовують для вимірювання витрати. Вимірювальні схеми цих приладів простіші за інші. Поряд із трьома зазначеними різновидами ультразвукових витратомірів є акустичні витратоміри, що одержали назву довгохвильових, оскільки вони працюють у звуковому діапазоні частот акустичних коливань.

Ультразвукові витратоміри з вимірюванням різниці часу проходження акустичних коливань. Принцип роботи таких приладів засновано на вимірюванні різниці часу проходження акустичних коливань за потоком і проти нього.

Рис. 7.40. Ультразвуковий витратомір з чотирма п'єзоелементами

Оптичними називаються витратоміри, засновані на залежності від витрати речовини того чи іншого оптичного ефекту в потоці.

Іонізаційними витратомірами називаються прилади, засновані на вимірі того чи іншого ефекту, який залежить від витрати, і виникає в результаті безперервної або періодичної іонізації потоку газу, рідше рідини.

Ядерно-магнітні витратоміри засновані на залежності ядерно-магнітного резонансу (ЯМР) від витрати потоку.

Серед витратомірів групи Г: міткові і концентраційні слугують для разових вимірювань, наприклад, при перевірці промислових витратомірів на місці їх установки.

Питання для самоконтролю

1. Чим визначається кількість речвини? 2. Що називається об'ємною і масовою витратою? 3. Які є прилади для вимірювання витрати або кількості речовини? 4. На які групи поділяють витратоміри і лічильники? 5. Назвіть прилади, робота яких заснована на гідродинамічних методах. 6. Як працюють витратоміри обтікання? 7. Які прилади відносяться до приладів з безперервно рухомим тілом? 8. Вкажіть принцип роботи силових витратомірів. 9. Як працюють електромагнітні витратоміри? 10. Для чого призначені акустичні та ультразвукові витратоміри?

Попередня тема

На початок

Наступна тема