ОБЗОР МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ГАЗА

ВЕДЕНИЕ

Расход – физическая величина, показывающая потребление вещества за некоторый промежуток времени. Расход является одним из важнейших измерений, выполняемых в промышленности.

1. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ГАЗА

Расход выражается в объёмных единицах – м3/ч или массовых – кг/ч, соответственно различается объёмный и массовый расход.

Объёмный расход связан с массовым через плотность вещества:

                                                                          (1)

где  – массовый расход; Q – объёмный расход; ρ - плотность газа в рабочих условиях.

Объемный расход – объем газа, который проходит в единицу времени через поперечное сечение газопровода:

Q =  ()                                                                            (2)

Массовый расход– масса газа, проходящая в единицу времени через данное поперечное сечение:

 = ()                                                                          (3)

где m – масса газа, проходящего через поперечное сечение; t – время.

2. ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ГАЗА

2.1 Виды расходомеров. Принцип работы

Для измерения расхода газа применяются турбинные, роторные и вихревые расходомеры и счетчики газа.

Расходомер газа – это техническое средство, предназначенное для измерения, регистрации и отображения объемного и массового расхода газа при рабочих условиях [1].

Счетчик газа – техническое средство, которое предназначено для измерения, регистрации и индикации объема газа в рабочих условиях, проходящего через поперечное сечение перпендикулярно направлению потока [1].

2.2 Устройство и принцип действия турбинного счетчика газа

В турбинном расходомере колесо турбины приводится во вращение под воздействием потока газа, число оборотов тем больше, чем больший объем газа протекает через трубопровод. Число оборотов турбины через понижающий редуктор и газонепроницаемую магнитную муфту передается на считывающее устройство. Это устройство отображает суммарный объем газа, прошедший через поперечное сечение в рабочих условиях.

На последнем зубчатом колесе редуктора закрепляется постоянный магнит, а рядом с колесом — два переключателя, частота замыкания контактов первого пропорциональна скорости потока газа, от которого зависит скорость вращения ротора турбины. При сигнализации о неразрешенном вмешательстве контакты второго переключателя замыкаются за счет изменения внешнего магнитного поля.

Ротационные газовые счетчики обладают большой пропускной способностью и значительным диапазоном измерения несмотря на небольшие габариты. Помимо этого, они долговечные и не потребляют электроэнергию, а также не чувствительны к кратковременным перегрузкам. Ротационный счетчик, это камерный счетчик, в котором применяются восьмиобразные роторы. Под действием разности давления газа два одинаковых восьмёркообразных ротора начинают вращаться. Газ поступает через в верхний патрубок и выходит через нижний. При вращении роторы обкатываются боковыми поверхностями. Вращение синхронизируется с помощью одинаковых зубчатых колес, которые закреплены на двух концах ротора в торцевых коробках. Для уменьшения износа и трения роторы смазываются маслом, которые заливаются в торцевые коробки.

Вихревой расходомер, это газовый счетчик, принцип которого основан на зависимости от расхода, частоты и колебания давления, которые возникают в потоке в процессе вихреобразования. Особенностью вихревых счетчиков является отсутствие подвижных частей, устойчивость к внешним показателям (такими как давление и температура) имеют большой диапазон измерений, универсальную градуировку и небольшую стоимость. К недостаткам относятся потери давления и ограниченное применение.

2.3 Счетчики

По принципу действия счётчики как для жидкостей, так и для газов делятся на скоростные и объёмные. Скоростные счётчики устроены таким образом, что давление газа, протекающего через камеру прибора, приводит во вращение крыльчатку, её скорость вращения прямо пропорциональна расходу.

Принцип действия объемного газового счетчика объемного типа состоит в том, что измеряемый газ заполняет попеременно камеры (ячейки) фиксированного объема внутри счетчика. Процесс заполнения реализуется с помощью синхронной работы соответствующих клапанов. Их переключение инициирует вращательное движение ротора, по количеству оборотов которого затем рассчитывается объем прошедшего газа.

Скоростной счётчик с винтовой пропеллером служит для измерения больших объёмов газа. С вертикальной крыльчаткой применяется для измерения сравнительно малых расходов газа. В зависимости от распределения потока газа, поступающего на крыльчатку, различают две модификации счётчиков одноструйные и многоструйные [1].

В объёмных счётчиках поступающий в прибор газ измеряется отдельными, одинаковыми по объёму частями, которые впоследствии складываются между собой. Наиболее распространённые газовые объёмные счётчики с овальными шестернями. Действие такого устройства основано на вытеснении определённых объёмов газа из измерительной камеры прибора овальными шестернями, находящимися в зубчатом зацеплении и вращающимися под действием разности давлений на входном и выходном патрубках прибора.

Достоинства данного приспособления: высокая точность при довольно низкой погрешности; потери давления незначительные.

Недостатки: высокий уровень акустического шума.

Предел измерения 0,01 - 250 м3/ч [1].

2.4 Ультразвуковой метод измерения расхода

Принцип работы ультразвуковых расходомеров состоит в прохождении ультразвуковой волны через поток газа. Расходомеры данного типа работают в диапазоне частот от 20кГц до 1000 МГц.

Для прохождения волны и её анализа необходимы приемник и передатчик, которые обладают пьезоэлектрическим эффектом. Пьезоэлектрическим эффектом обладают многие материалы, например, кварц, турмалин, циркона. Помещая кристалл, обладающий данным эффектом в электрическое поле, можно добиться упругая деформация вызывает уменьшение или увеличение его длины в соответствии с величиной и направлением полярности поля (рисунок 1).

Рисунок 1. Ультразвуковой расходомер

Следующий шаг - определение разности частот:

Δf = f2– f1                                                                         (1)

Эта разность пропорциональна скорости потока среды [1].

2.5 Вихревой метод измерения расхода

В расходомерах данного типа создается вихревое движение, для чего на пути движущего потока газа располагают так называемое тело обтекания (чаще всего в виде трапеции в сечении. Образовавшаяся за потоком газа система вихрей называетсявихревой дорожкой Кармана. Частота вихрейв первом приближении пропорциональна скорости потока газаи зависит от безразмерного критерияи ширины тела обтекания (рисунок 2).

Рисунок 2. Вихревой расходомер

Достоинством расходомеров с вихревым типом измерения является отсутствие каких-либо подвижных элементов внутри газопровода, частотный выходной сигнал, а также инвариантность метода относительно электрических свойств и агрегатного состояния движущейся среды.

2.6 Калориметрические расходомеры

Расходомеры калориметрического и термоконвективного типа измеряют разность температур при постоянной мощности нагрева. Преимуществом таких расходомеров является постоянство теплоёмкости при изменении расхода. Кроме того, термоконвективные расходомеры не контактируют с веществом, поскольку они расположены вне трубопровода. Однако такие тепловые расходомеры имеют большую инерцию.

Список литературы:

1. ГОСТ Р 8.740-2011 Государственная система обеспечения единства измерений. Расход и количество газа. Методика измерений с помощью турбинных, ротационных и вихревых расходомеров и счетчиков [Электронный ресурс]. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200093116 (дата обращения 25.11.21)