ОБЗОР МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ВОДЫ

OVERVIEW OF METHODS AND MEANS OF MEASURING WATER FLOW

Vadim Tishchenko

student, Department of Automated Control Systems, Magnitogorsk State Technical University named after G. I. Nosov,

Russia, Magnitogorsk

Kananikova Daria Evgenievna

student, Department of Automated Control Systems, Magnitogorsk State Technical University named after G. I. Nosov,

Russia, Magnitogorsk

Mukhina Elena Yurievna

Scientific supervisor, Senior Lecturer of the Department of Automated Control Systems, Magnitogorsk State Technical University named after G. I. Nosov,

Russia, Magnitogorsk

АННОТАЦИЯ

В статье приведён обзор методов измерения расходов воды в трубопроводах, отражены достоинства и недостатки при их применении, само описание метода.

ABSTRACT

The article provides an overview of methods for measuring water flow in pipelines, reflects the advantages and disadvantages of their application, and describes the method itself.

Ключевые слова: расход, объёмный расход, массовый расход, средняя скорость потока, переменный перепад давления, сужающее устройство, манометр, нормальная диафрагма, нормальное сопло, сопло Вентури, счётчики, скоростные счётчики, вертушка, однострунные счётчики, многоструйные счётчики, объёмные счётчики, шестерни, ультразвуковой расходомер, пьезоэлемент, частота повторений импульсов, разность частот, вихревой расходомер, вихревой путь, калориметрические расходомеры, мощность нагрева.

Keywords: flow rate, Volumetric flow rate, Mass flow rate, average flow rate, variable pressure drop, constricting device, Pressure gauge, normal diaphragm, normal nozzle, Venturi nozzle, counters, speed counters, turntable, single-string counters, multi-jet counters, volume counters, gears, ultrasonic flow meter, piezoelectric element, pulse repetition rate, frequency difference, vortex flow meter, vortex path, calorimetric flow meters, heating power.

ВЕДЕНИЕ

Расход – величина, показывающая то, какое количество вещества за некоторое время протечёт по трубопроводу. Среди измерений, выполняемых в промышленности очень важным, является расход.

1. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ЖИДКОСТИ

Расход выражают в объёмных – м³/ч или массовых – кг/ч, соответственно различают объёмный и массовый расход.

Массовый и объёмный расходы связаны между собой зависимостью, аналогичной зависимости между массой и объёмом:

М = ρ Q                                                                            (1)

где М – масса; Q – расход; ρ - плотность измеряемой среды.

Объёмный и массовый расход, используя понятие о средней скорости потока, можно выразить как:

Q₀ = υ_ср F = υ_ср (рi D² / 4)                                                           (2)

Q_м = ρ υ_ср F = ρ υ_ср (рi D² / 4)                                                      (3)

где Q₀ – объёмный расход; υ_ср – средняя скорость потока; F – площадь поперечного сечения; D – диаметр трубопровода; Q_м  - массовый расход [1].

2. ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ЖИДКОСТИ

2.1 Расходомеры переменного перепада давления

Принцип работы расходомеров этого типа с одним и тем же методом измерения, в основе которого лежит принцип измерения перепада давлений, который вызван локальным изменением скорости потока жидкости. Для измерения расхода жидкости перепадом давлений необходимы три устройства: сужающее устройство, как и основная часть расходомера, и создаёт перепад давлений в потоке из – за локальных изменений расхода; измерительный прибор – манометр, непосредственно измеряющий перепад давлений; основное устройство передаёт перепад давлений в манометр.

Основное уравнение потока несжимаемой жидкости через устройство сжатия выглядит следующим образом:

Q = α ‧ S₀ ‧ ((2 ‧ g) / ρ) ‧ Δp) ^ (1 / 2)                                                   (4)

где α - коэффициент расхода сужающего устройства; S₀ - площадь отверстия сужающего устройства; g - ускорение силы тяжести; ρ - плотность жидкости; Δp - измеренная разность давлений.

Сегодня больше всего используют три вида сужающих устройств: нормальная диафрагма, нормальное сопло и сопло Вентури.

Плюсы расходомеров данного типа: никакие части не двигаются, просто изготавливать серийно, мало стоят. Минусы: требования к прямолинейным участкам трубопровода перед и после прибора, большая погрешность измерения, большие погрешности при измерении пульсирующих потоков, постоянство фазового состояния вещества, невозможность монтажа и демонтажа в движущемся потоке [2].

2.2 Счётчики

По принципу действия счётчики жидкостей и газов делятся на скоростные и объёмные. Скоростные счётчики устроены таким образом, что жидкость, протекающая через камеру прибора, приводит во вращение вертушку (крыльчатку), угловая скорость которой пропорциональна скорости потока, следовательно, и расходу.

Скоростной счётчик с винтовой вертушкой служит для измерения больших объёмов воды. С вертикальной крыльчаткой применяется для измерения сравнительно небольших расходов воды и выпускается на номинальные расходы от 1 до 6,3 м³/ч при калибрах от 15 до 40 мм. В зависимости от распределения потока воды, поступающей на крыльчатку, различают две модификации счётчиков одноструйные и многоструйные.

Объёмные счётчики, поступающая в прибор жидкость (или газ) измеряется отдельными, равными по объёму дозами, которые затем суммируются. Наиболее распространённые жидкостные объёмные счётчики с овальными шестернями. Действие этого счётчика основано на вытеснении определённых объёмов жидкости из измерительной камеры прибора овальными шестернями, находящимися в зубчатом зацеплении и вращающимися под действием разности давлений на входном и выходном патрубках прибора.

Достоинства: высокая точность, погрешность ±(0,5 – 1)%; малые потери давления; используются для различных жидкостей.

Недостаток: фильтрация измеряемой среды от механических примесей; высокий уровень акустического шума.

Предел измерения 0,01 - 250 м³/ч [3].

2.3 Ультразвуковой метод измерения расхода

Ультразвуковой расходомер основан на принципе разницы во времени ультразвукового сигнала по направлению потока и против него (рисунок 1).

Рисунок 1. Ультразвуковой расходомер

Расходомер создаёт электрический импульс, который поступает в первый пьезоэлемент П₁, излучающий вибрации в среду. Эти колебания через некоторое время обнаруживаются вторым П₂, преобразующиеся в электрический импульс, поступающий в электронное устройство, и направляется обратно на П₁ и т.д. Главный параметр этой схемы П₁ - П₂ это первая частота повторений импульсов f₁.

Аналогичным образом, электронное устройство посылает импульсы в противоположном направлении от П₂ до П₁. Его главный параметр П₂ – П₁ вторая частота повторений импульсов f₂.

Следующий шаг - определение разности частот:

Δf = f₂ – f₁                                                                                        (2)

эта разность пропорциональна скорости потока среды [4].

2.4 Вихревой метод измерения расхода

Основой работы вихревых расходомеров является скорость потока и частота образования вихрей за твёрдыми веществами.

Принцип работы преобразователя основан на ультразвуковом обнаружении вихрей, образующихся в потоке жидкости, когда жидкость вращается через специальную призму, расположенную вдоль потока (рисунок 2).

Рисунок 2. Вихревой расходомер

В зависимости от конструкции датчика чувствительные тепловые элементы устанавливаются непосредственно на корпусе датчика или на вихревом пути.

Если магнит вставлен в корпус, образующий вихри, он действует как датчик. Реакция, возникающая при разрушении вихрей, приводит к тому, что цилиндр, находящийся в потоке, колеблется с вихревой частотой. Преимущество вихревых расходомеров заключается в том, что качество измерений мало зависит от физико-химических свойств жидкости, состояния трубопровода, распределения скорости по расходу и точности монтажа первичных преобразователей в трубопроводе [5].

2.5 Калориметрические расходомеры

Калориметрические и термоконвективные расходомеры измеряют разность температур при постоянной мощности нагрева. Преимуществом калориметрических и термоконвективных расходомеров является постоянство теплоёмкости при изменении расхода. Кроме того, термоконвективные расходомеры не контактируют с веществом, поскольку они расположены вне трубопровода. Но такие тепловые расходомеры имеют большую инерцию [6].

Список литературы:

1. Мухина, Е. Ю. Системы управления технологическими процессами и информационные технологии: Учебное пособие. Электронное издание / Е. Ю. Мухина, А. Р. Бондарева. – Магнитогорск: Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, 2015.
2. Кулебякин, В. В. Методы и приборы для измерения расхода жидкостей и газов: учебно-методическое пособие для студентов специальности 1-43 01 04 «Тепловые электрические станции» / В. В. Кулебякин. – Минск: БНТУ, 2017. – 46 с.
3. Самарина, И.Г. Основы метрологии, стандартизации и сертификации / И.Г. Cамарина, Т.Г.  Сухоносова; Магнитогорский гос. технический ун-т им Г.И. Носова. - Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та, 2016. – 126 с.
4. Кремлёвский П.П. Расходомеры и счётчики количества веществ: Справочник: Кн. 2 / П.П. Кремлёвский - СПб.: Политехника, 2004. – 412 с.
5. Хансуваров, К.И. Техника измерения давления, расхода, количества и уровня жидкости, газа и пара: Учебное пособие для техникумов. / К.И. Хансуваров, В. Цейтлин. - М.: Изд-во стандартов, 1990. - 287 с.
6. Исакович, Р.Я. Технологические измерения и приборы / Р.Я. Исакович. - М.: «Недра», 1970.