Измерение расхода — это количественное определение движения объемной жидкости . Расход можно измерить с помощью устройств, называемых расходомерами, различными способами. Ниже перечислены распространенные типы расходомеров с промышленным применением:
Методы измерения расхода, отличные от расходомеров с положительным вытеснением, полагаются на силы, создаваемые текущим потоком при преодолении известного сужения, для косвенного расчета расхода. Расход может быть измерен путем измерения скорости жидкости по известной площади. Для очень больших потоков могут использоваться методы трассеров для выведения расхода из изменения концентрации красителя или радиоизотопа.
Расход газа и жидкости можно измерить в физических величинах типа объемного расхода или массового расхода с соответствующими единицами СИ , такими как кубические метры в секунду или килограммы в секунду соответственно. Эти измерения связаны плотностью материала . Плотность жидкости почти не зависит от условий. Это не относится к газам, плотность которых сильно зависит от давления, температуры и, в меньшей степени, состава.
Когда газы или жидкости передаются для получения их энергетического содержания, как при продаже природного газа , расход также может быть выражен в терминах потока энергии, например, гигаджоуль в час или БТЕ в день. Расход энергии — это объемный расход, умноженный на энергосодержание на единицу объема, или массовый расход, умноженный на энергосодержание на единицу массы. Расход энергии обычно выводится из массового или объемного расхода с помощью вычислителя расхода .
В инженерном контексте объемный расход обычно обозначается символом , а массовый расход — символом .
Для жидкости, имеющей плотность , массовый и объемный расход могут быть связаны соотношением .
Газы сжимаемы и изменяют объем, когда находятся под давлением, нагреваются или охлаждаются. Объем газа при одном наборе условий давления и температуры не эквивалентен тому же газу при других условиях. Будут сделаны ссылки на «фактический» расход через счетчик и «стандартный» или «базовый» расход через счетчик с такими единицами, как acm/h (фактический кубический метр в час), sm 3 /sec (стандартный кубический метр в секунду), kscm/h (тысяча стандартных кубических метров в час), LFM (линейный фут в минуту) или MMSCFD (миллион стандартных кубических футов в день).
Массовый расход газа можно измерить напрямую, независимо от давления и температуры, с помощью ультразвуковых расходомеров , тепловых массовых расходомеров , кориолисовых массовых расходомеров или контроллеров массового расхода .
Для жидкостей используются различные единицы измерения в зависимости от области применения и отрасли, но могут включать галлоны (США или имперские) в минуту, литры в секунду, литры на м2 в час, бушели в минуту или, при описании речных потоков, кумек (кубические метры в секунду) или акро-футы в день. В океанографии общепринятой единицей измерения объемного переноса (например, объема воды, переносимой течением) является свердруп ( Зв) , эквивалентный 106 м3 / с.
Первичный элемент потока — это устройство, вставленное в текущую жидкость, которое создает физическое свойство, которое можно точно связать с потоком. Например, измерительная диафрагма создает перепад давления, который является функцией квадрата объемной скорости потока через отверстие. Первичный элемент потока вихревого расходомера создает ряд колебаний давления. Как правило, физическое свойство, создаваемое первичным элементом потока, удобнее измерять, чем сам поток. Свойства первичного элемента потока и точность практической установки в отношении предположений, сделанных при калибровке, являются критическими факторами точности измерения потока. [1]
Счетчик положительного вытеснения можно сравнить с ведром и секундомером. Секундомер запускается, когда поток начинается, и останавливается, когда ведро достигает своего предела. Объем, деленный на время, дает скорость потока. Для непрерывных измерений нам нужна система непрерывного наполнения и опорожнения ведер, чтобы разделить поток, не выпуская его из трубы. Эти непрерывно формирующиеся и схлопывающиеся объемные смещения могут принимать форму поршней, совершающих возвратно-поступательное движение в цилиндрах, зубьев шестерен, сопрягающихся с внутренней стенкой счетчика, или через прогрессивную полость, созданную вращающимися овальными шестернями или винтовым винтом.
Поскольку они используются для измерения расхода воды в бытовых целях, поршневые счетчики, также известные как ротационные поршневые или полупоршневые счетчики, являются наиболее распространенными устройствами для измерения расхода в Великобритании и используются практически для всех размеров счетчиков вплоть до 40 мм ( 1+1 ⁄ 2 дюйма). Поршневой счетчик работает по принципу поршня, вращающегося в камере известного объема. За каждый оборот через поршневую камеру проходит определенное количество воды. Через зубчатый механизм и, иногда, магнитный привод выдвигаются стрелочный циферблат и дисплей одометрического типа.
Счетчик с овальными шестернями — это счетчик с положительным вытеснением, который использует две или более продолговатых шестерни, сконфигурированных для вращения под прямым углом друг к другу, образуя форму буквы T. Такой счетчик имеет две стороны, которые можно назвать A и B. Жидкость не проходит через центр счетчика, где зубья двух шестерен всегда зацепляются. С одной стороны счетчика (A) зубья шестерен перекрывают поток жидкости, поскольку удлиненная шестерня на стороне A выступает в измерительную камеру, в то время как с другой стороны счетчика (B) полость удерживает фиксированный объем жидкости в измерительной камере. Когда жидкость толкает шестерни, она вращает их, позволяя жидкости в измерительной камере на стороне B выходить в выпускное отверстие. Между тем, жидкость, поступающая во впускное отверстие, будет направляться в измерительную камеру на стороне A, которая теперь открыта. Зубья на стороне B теперь перекроют жидкость от входа в сторону B. Этот цикл продолжается по мере вращения шестерен, и жидкость измеряется через чередующиеся измерительные камеры. Постоянные магниты во вращающихся шестернях могут передавать сигнал на электрический геркон или преобразователь тока для измерения расхода. Хотя и делаются заявления о высокой производительности, они, как правило, не так точны, как конструкция скользящей пластины. [2]
Шестеренчатые счетчики отличаются от счетчиков с овальными шестернями тем, что измерительные камеры состоят из зазоров между зубьями шестерен. Эти отверстия разделяют поток жидкости, и когда шестерни вращаются от впускного отверстия, внутренняя стенка счетчика закрывает камеру, чтобы удерживать фиксированное количество жидкости. Выпускное отверстие расположено в области, где шестерни сходятся вместе. Жидкость вытесняется из счетчика, поскольку зубья шестерен зацепляются и уменьшают доступные карманы почти до нулевого объема.
Расходомеры с винтовыми шестернями получили свое название от формы своих шестерен или роторов. Эти роторы напоминают форму спирали, которая представляет собой спиралевидную структуру. Когда жидкость протекает через счетчик, она попадает в отсеки роторов, заставляя роторы вращаться. Длина ротора достаточна, чтобы вход и выход всегда были отделены друг от друга, тем самым блокируя свободный поток жидкости. Сопрягающиеся винтовые роторы создают прогрессивную полость, которая открывается для впуска жидкости, герметизируется, а затем открывается в сторону нисходящего потока для выпуска жидкости. Это происходит непрерывно, и расход рассчитывается на основе скорости вращения.
Это наиболее часто используемая система измерения для измерения водоснабжения в домах. Жидкость, чаще всего вода, поступает с одной стороны счетчика и ударяется о нутирующий диск, который установлен эксцентрично. Затем диск должен «качаться» или нутироваться вокруг вертикальной оси, поскольку нижняя и верхняя части диска остаются в контакте с монтажной камерой. Перегородка разделяет входную и выходную камеры. Когда диск нутируется, он дает прямое указание на объем жидкости, прошедшей через счетчик, поскольку объемный расход указывается зубчатой передачей и регистрирующим устройством, которое соединено с диском. Он надежен для измерений расхода в пределах 1 процента. [3]
Турбинный расходомер (лучше описать как осевую турбину) преобразует механическое действие турбины, вращающейся в потоке жидкости вокруг оси, в считываемую пользователем скорость потока (галлоны в минуту, л/мин и т. д.). Турбина стремится, чтобы весь поток проходил вокруг нее.
Колесо турбины установлено на пути потока жидкости. Текущая жидкость ударяется о лопатки турбины, передавая усилие на поверхность лопаток и приводя ротор в движение. Когда достигается постоянная скорость вращения, скорость становится пропорциональной скорости жидкости.
Турбинные расходомеры используются для измерения расхода природного газа и жидкости. [4] Турбинные расходомеры менее точны, чем вытеснительные и струйные расходомеры при низких расходах, но измерительный элемент не занимает и не ограничивает существенно весь путь потока. Направление потока, как правило, прямолинейное через счетчик, что обеспечивает более высокие скорости потока и меньшие потери давления, чем у счетчиков вытеснительного типа. Они являются счетчиками выбора для крупных коммерческих пользователей, противопожарной защиты и в качестве основных счетчиков для системы распределения воды . Фильтры, как правило, должны быть установлены перед счетчиком, чтобы защитить измерительный элемент от гравия или другого мусора, который может попасть в систему распределения воды. Турбинные счетчики, как правило, доступны для 4-30 см ( 1+1 ⁄ 2 –12 дюймов) или более. Корпуса турбинных счетчиков обычно изготавливаются из бронзы, чугуна или ковкого чугуна. Внутренние элементы турбины могут быть из пластика или некорродирующих металлических сплавов. Они точны в нормальных рабочих условиях, но сильно зависят от профиля потока и состояния жидкости.
Пожарные счетчики — это специализированный тип турбинных счетчиков с одобрениями для высоких скоростей потока, необходимых в системах противопожарной защиты. Они часто одобрены Underwriters Laboratories (UL) или Factory Mutual (FM) или аналогичными органами для использования в противопожарной защите. Переносные турбинные счетчики могут быть временно установлены для измерения воды, используемой из пожарного гидранта . Счетчики обычно изготавливаются из алюминия, чтобы быть легкими, и обычно имеют емкость 7,5 см (3 дюйма). Водоканалы часто требуют их для измерения воды, используемой при строительстве, заполнении бассейнов или там, где еще не установлен постоянный счетчик.
Расходомер Вольтмана (изобретенный Рейнхардом Вольтманом в 19 веке) состоит из ротора с винтовыми лопастями, вставленными в поток аксиально, как канальный вентилятор; его можно считать разновидностью турбинного расходомера. [5] Их обычно называют винтовыми расходомерами, и они популярны в больших размерах.
Одноструйный счетчик состоит из простого рабочего колеса с радиальными лопастями, на которые воздействует одна струя. Они становятся все более популярными в Великобритании в больших размерах и являются обычным явлением в ЕС .
Расходомеры с лопастным колесом состоят из трех основных компонентов: датчика лопастного колеса, трубного фитинга и дисплея/контроллера. Датчик лопастного колеса состоит из свободно вращающегося колеса/крыльчатки со встроенными магнитами, которые перпендикулярны потоку и будут вращаться при вставке в текущую среду. Когда магниты в лопастях вращаются мимо датчика, счетчик лопастного колеса генерирует сигнал частоты и напряжения, который пропорционален расходу. Чем быстрее поток, тем выше частота и выходное напряжение.
Счетчик с лопастным колесом предназначен для вставки в трубную арматуру, как в линию, так и в стиле вставки. Они доступны с широким диапазоном стилей арматуры, методов соединения и материалов, таких как ПВДФ, полипропилен и нержавеющая сталь. Подобно турбинным счетчикам, счетчик с лопастным колесом требует минимального участка прямой трубы до и после датчика. [6]
Дисплеи и контроллеры расхода используются для получения сигнала от лопастного счетчика и преобразования его в фактический расход или общие значения расхода. Обработанный сигнал может использоваться для управления процессом, генерации сигнала тревоги, отправки сигналов на внешний источник и т. д.
Расходомеры с лопастным колесом (также известные как датчики с колесом Пелтона ) предлагают относительно недорогой и высокоточный вариант для многих систем измерения расхода, обычно с водой или водоподобными жидкостями. [6]
Многоструйный или многоструйный счетчик — это счетчик скорости, имеющий рабочее колесо, вращающееся горизонтально на вертикальном валу. Элемент рабочего колеса находится в корпусе, в котором несколько впускных отверстий направляют поток жидкости на рабочее колесо, заставляя его вращаться в определенном направлении пропорционально скорости потока. Этот счетчик работает механически так же, как одноструйный счетчик, за исключением того, что отверстия направляют поток на рабочее колесо равномерно из нескольких точек по окружности элемента, а не только из одной точки; это сводит к минимуму неравномерный износ рабочего колеса и его вала. Таким образом, эти типы счетчиков рекомендуется устанавливать горизонтально, чтобы его роликовый указатель был направлен в небо.
Турбина с колесом Пелтона (лучше описать как радиальную турбину ) преобразует механическое действие колеса Пелтона, вращающегося в потоке жидкости вокруг оси, в считываемую пользователем скорость потока (галлонов в минуту, л/мин и т. д.). Колесо Пелтона имеет тенденцию иметь весь поток, проходящий вокруг него, с входящим потоком, фокусируемым на лопатках струей. Оригинальные колеса Пелтона использовались для выработки энергии и состояли из турбины с радиальным потоком с «реакционными чашками», которые не только движутся под действием силы воды на поверхности, но и возвращают поток в противоположном направлении, используя это изменение направления жидкости для дальнейшего повышения эффективности турбины .
Расход через большой напорный водовод, такой как используемый на гидроэлектростанции, можно измерить, усреднив скорость потока по всей площади. Измерители течения пропеллерного типа (похожие на чисто механический измерители течения Экмана , но теперь с электронным сбором данных) можно перемещать по площади напорного водовода, а скорости усреднять для расчета общего расхода. Он может составлять порядка сотен кубических метров в секунду. Поток должен поддерживаться постоянным во время перемещения измерителей течения. Методы испытаний гидроэлектрических турбин приведены в стандарте IEC 41. Такие измерения расхода часто имеют коммерческое значение при испытании эффективности больших турбин.
Существует несколько типов расходомеров, которые основаны на принципе Бернулли . Давление измеряется либо с помощью ламинарных пластин, отверстия, сопла или трубки Вентури для создания искусственного сужения, а затем измеряется потеря давления жидкостей при прохождении этого сужения [7], либо путем измерения статического и стагнационного давления для получения динамического давления .
Расходомер Вентури сужает поток некоторым образом, а датчики давления измеряют перепад давления до и внутри сужения. Этот метод широко используется для измерения расхода при передаче газа по трубопроводам и использовался со времен Римской империи . Коэффициент расхода расходомера Вентури составляет от 0,93 до 0,97. Первые крупногабаритные расходомеры Вентури для измерения потоков жидкости были разработаны Клеменсом Гершелем , который использовал их для измерения малых и больших потоков воды и сточных вод , начиная с самого конца 19 века. [8]
Диафрагма — это пластина с отверстием, расположенная перпендикулярно потоку; она сужает поток, а измерение перепада давления на сужении дает скорость потока. По сути, это грубая форма расходомера Вентури , но с более высокими потерями энергии. Существует три типа диафрагм: концентрическая, эксцентрическая и сегментная. [9] [10]
Трубка Далла — это укороченная версия расходомера Вентури с меньшим перепадом давления, чем у диафрагмы. Как и в этих расходомерах, расход в трубке Далла определяется путем измерения перепада давления, вызванного ограничением в трубопроводе. Перепад давления обычно измеряется с помощью мембранных датчиков давления с цифровым считыванием. Поскольку эти счетчики имеют значительно меньшие постоянные потери давления, чем диафрагменные счетчики, трубки Далла широко используются для измерения расхода в больших трубопроводах. Перепад давления, создаваемый трубкой Далла, выше, чем у трубки Вентури и сопла, все они имеют одинаковый диаметр горловины.
Для измерения скорости потока жидкости используется трубка Пито . Трубка направляется в поток, и измеряется разница между давлением застоя на кончике зонда и статическим давлением на его стороне, что дает динамическое давление, из которого вычисляется скорость жидкости с помощью уравнения Бернулли . Объемный расход может быть определен путем измерения скорости в различных точках потока и построения профиля скорости. [11]
Усредняющие трубки Пито (также называемые ударными зондами) расширяют теорию трубки Пито на более чем одно измерение. Типичная усредняющая трубка Пито состоит из трех или более отверстий (в зависимости от типа зонда) на измерительном наконечнике, расположенных по определенной схеме. Большее количество отверстий позволяет прибору измерять направление скорости потока в дополнение к его величине (после соответствующей калибровки). Три отверстия, расположенные в линию, позволяют зондам давления измерять вектор скорости в двух измерениях. Введение большего количества отверстий, например, пяти отверстий, расположенных в форме «плюс», позволяет измерять трехмерный вектор скорости.
Конусные счетчики — это новое устройство измерения перепада давления, впервые выпущенное в 1985 году компанией McCrometer в Хемете, штат Калифорния. Конусный счетчик — это универсальный, но надежный измеритель перепада давления (DP), который показал свою устойчивость к воздействию асимметричного и завихряющегося потока. Работая по тем же основным принципам, что и счетчики Вентури и диафрагменного типа, конические счетчики не требуют одинаковых трубопроводов вверх и вниз по потоку. [12] Конус действует как устройство кондиционирования, а также как производитель перепада давления. Требования вверх по потоку составляют от 0 до 5 диаметров по сравнению с 44 диаметрами для диафрагмы или 22 диаметрами для Вентури. Поскольку конические счетчики, как правило, имеют сварную конструкцию, рекомендуется всегда калибровать их перед обслуживанием. Неизбежно тепловые эффекты сварки вызывают искажения и другие эффекты, которые не позволяют собирать и публиковать табличные данные по коэффициентам расхода в отношении размера линии, бета-коэффициента и рабочих чисел Рейнольдса. Калиброванные конические счетчики имеют погрешность до ±0,5%. Некалиброванные конические счетчики имеют погрешность ±5,0% [ необходима цитата ]
Измерители линейного сопротивления, также называемые ламинарными расходомерами, измеряют очень низкие потоки, при которых измеренный перепад давления линейно пропорционален потоку и вязкости жидкости. Такой поток называется потоком вязкого сопротивления или ламинарным потоком, в отличие от турбулентного потока, измеряемого с помощью диафрагм, расходомеров Вентури и других измерителей, упомянутых в этом разделе, и характеризуется числами Рейнольдса ниже 2000. Первичный элемент потока может состоять из одной длинной капиллярной трубки, пучка таких трубок или длинной пористой пробки; такие низкие потоки создают небольшие перепады давления, но более длинные элементы потока создают более высокие, более легко измеряемые перепады. Эти расходомеры особенно чувствительны к изменениям температуры, влияющим на вязкость жидкости и диаметр элемента потока, как можно увидеть в регулирующем уравнении Хагена–Пуазейля . [13] [14]
«Счетчик переменной площади» измеряет поток жидкости, позволяя площади поперечного сечения устройства изменяться в ответ на поток, вызывая некоторый измеримый эффект, который указывает на скорость. Ротаметр является примером счетчика переменной площади, где взвешенный «поплавок» поднимается в конической трубке по мере увеличения скорости потока; поплавок перестает подниматься, когда площадь между поплавком и трубкой достаточно велика, чтобы вес поплавка был уравновешен сопротивлением потока жидкости. Разновидностью ротаметра, используемого для медицинских газов, является расходомер с трубкой Торпа . Поплавки изготавливаются во многих различных формах, наиболее распространенными из которых являются сферы и сферические эллипсы. Некоторые из них предназначены для видимого вращения в потоке жидкости, чтобы помочь пользователю определить, застрял ли поплавок или нет. Ротаметры доступны для широкого спектра жидкостей, но чаще всего используются с водой или воздухом. Они могут быть сделаны для надежного измерения потока с точностью до 1%.
Другой тип — это отверстие переменной площади, где подпружиненный конический плунжер отклоняется потоком через отверстие. Смещение может быть связано со скоростью потока. [15]
Оптические расходомеры используют свет для определения расхода. Мелкие частицы, которые сопровождают природные и промышленные газы, проходят через два лазерных луча, сфокусированных на небольшом расстоянии друг от друга на пути потока в трубе с помощью освещающей оптики. Лазерный свет рассеивается, когда частица пересекает первый луч. Детекторная оптика собирает рассеянный свет на фотодетекторе, который затем генерирует импульсный сигнал. Когда та же частица пересекает второй луч, детекторная оптика собирает рассеянный свет на втором фотодетекторе, который преобразует входящий свет во второй электрический импульс. Измеряя временной интервал между этими импульсами, скорость газа вычисляется как , где — расстояние между лазерными лучами, — временной интервал.
Оптические расходомеры на основе лазера измеряют фактическую скорость частиц, свойство, которое не зависит от теплопроводности газов, изменений в потоке газа или состава газов. Принцип работы позволяет оптической лазерной технологии предоставлять высокоточные данные о потоке, даже в сложных условиях, которые могут включать высокую температуру, низкую скорость потока, высокое давление, высокую влажность, вибрацию труб и акустический шум.
Оптические расходомеры очень стабильны, не имеют подвижных частей и обеспечивают высокую повторяемость измерений в течение всего срока службы продукта. Поскольку расстояние между двумя лазерными листами не меняется, оптические расходомеры не требуют периодической калибровки после их первоначального ввода в эксплуатацию. Оптические расходомеры требуют только одну точку установки вместо двух точек установки, которые обычно требуются для других типов счетчиков. Одна точка установки проще, требует меньшего обслуживания и менее подвержена ошибкам.
Коммерчески доступные оптические расходомеры способны измерять поток от 0,1 м/с до более 100 м/с (коэффициент снижения 1000:1) и продемонстрировали свою эффективность для измерения факельных газов из нефтяных скважин и нефтеперерабатывающих заводов, которые являются источником загрязнения атмосферы. [16]
Поток в открытом канале описывает случаи, когда текущая жидкость имеет верхнюю поверхность, открытую для воздуха; поперечное сечение потока определяется только формой канала на нижней стороне и является переменным в зависимости от глубины жидкости в канале. Методы, подходящие для фиксированного поперечного сечения потока в трубе, бесполезны в открытых каналах. Измерение потока в водных путях является важным применением потока в открытом канале; такие установки известны как измерители потока .
Уровень воды измеряется в назначенной точке за водосливом или в лотке с помощью различных вторичных устройств (обычными методами являются барботеры, ультразвук, поплавок и дифференциальное давление). Эта глубина преобразуется в расход в соответствии с теоретической формулой вида, где — расход, — константа, — уровень воды, — показатель степени, который меняется в зависимости от используемого устройства; или преобразуется в соответствии с эмпирически полученными точками данных уровня/расхода («кривая расхода»). Затем расход может быть интегрирован с течением времени в объемный расход. Устройства измерения уровня-расхода обычно используются для измерения расхода поверхностных вод (родников, ручьев и рек), промышленных сбросов и сточных вод. Из них водосливы используются на потоках с низким содержанием твердых частиц (обычно поверхностные воды), в то время как лотки используются на потоках с низким или высоким содержанием твердых частиц. [17]
Площадь поперечного сечения потока рассчитывается на основе измерения глубины, а средняя скорость потока измеряется напрямую (распространены методы Доплера и пропеллера). Скорость, умноженная на площадь поперечного сечения, дает расход, который можно интегрировать в объемный расход. Существует два типа расходомеров площади скорости: (1) смачиваемые; и (2) бесконтактные. Датчики скорости смачиваемой площади обычно устанавливаются на дне канала или реки и используют Доплера для измерения скорости увлеченных частиц. С глубиной и запрограммированным поперечным сечением это может затем обеспечить измерение расхода сброса. Бесконтактные устройства, которые используют лазер или радар, устанавливаются над каналом и измеряют скорость сверху, а затем используют ультразвук для измерения глубины воды сверху. Радарные устройства могут измерять только поверхностные скорости, тогда как лазерные устройства могут измерять скорости под поверхностью. [18]
Известное количество красителя (или соли ) в единицу времени добавляется в поток. После полного смешивания измеряется концентрация. Скорость разбавления равна скорости потока.
Акустическая допплеровская велосиметрия (ADV) предназначена для регистрации мгновенных компонентов скорости в одной точке с относительно высокой частотой. Измерения выполняются путем измерения скорости частиц в удаленном объеме выборки на основе эффекта допплеровского сдвига. [19]
Тепловые массовые расходомеры обычно используют комбинации нагреваемых элементов и датчиков температуры для измерения разницы между статической и текущей теплопередачей жидкости и выведения ее потока со знанием удельной теплоемкости и плотности жидкости . Температура жидкости также измеряется и компенсируется. Если плотность и удельная теплоемкость жидкости постоянны, счетчик может обеспечить прямое считывание массового расхода и не нуждается в дополнительной компенсации давления и температуры в указанном диапазоне.
Технический прогресс позволил изготавливать тепловые массовые расходомеры микроскопического масштаба в виде датчиков МЭМС ; эти расходомеры могут использоваться для измерения расхода в диапазоне нанолитров или микролитров в минуту.
Технология термического массового расходомера (также называемая термическим дисперсионным или термическим расходомером смещения) используется для сжатого воздуха, азота, гелия, аргона, кислорода и природного газа. Фактически, большинство газов можно измерять, если они достаточно чистые и не вызывают коррозии. Для более агрессивных газов счетчик может быть изготовлен из специальных сплавов (например, Hastelloy ), а предварительная осушка газа также помогает минимизировать коррозию.
Сегодня тепловые массовые расходомеры используются для измерения расхода газов в растущем диапазоне приложений, таких как химические реакции или приложения теплопередачи, которые сложны для других технологий измерения расхода. Некоторые другие типичные приложения датчиков расхода можно найти в медицинской области, например, устройства CPAP, анестезиологическое оборудование или дыхательные устройства. [7] Это связано с тем, что тепловые массовые расходомеры отслеживают изменения одной или нескольких тепловых характеристик (температуры, теплопроводности и/или удельной теплоты) газообразных сред для определения массового расхода.
Во многих последних моделях автомобилей датчик массового расхода воздуха (MAF) используется для точного определения массового расхода всасываемого воздуха, используемого в двигателе внутреннего сгорания . Многие такие датчики массового расхода используют нагреваемый элемент и датчик температуры ниже по потоку для индикации расхода воздуха. Другие датчики используют подпружиненную лопасть. В любом случае электронный блок управления транспортного средства интерпретирует сигналы датчика как индикацию в реальном времени потребности двигателя в топливе.
Другой метод измерения расхода заключается в размещении плохо обтекаемого тела (называемого стержнем обтекания) на пути жидкости. Когда жидкость проходит через этот стержень, в потоке создаются возмущения, называемые вихрями . Вихри тянутся за цилиндром поочередно с каждой стороны плохо обтекаемого тела. Этот вихревой след называется вихревой дорожкой Кармана после математического описания явления, данного фон Карманом в 1912 году. Частота, с которой эти вихри чередуют стороны, по существу пропорциональна скорости потока жидкости. Внутри, над или ниже по потоку от стержня обтекания находится датчик для измерения частоты сбрасывания вихрей. Этот датчик часто представляет собой пьезоэлектрический кристалл, который производит небольшой, но измеримый импульс напряжения каждый раз, когда создается вихрь. Поскольку частота такого импульса напряжения также пропорциональна скорости жидкости, объемный расход рассчитывается с использованием площади поперечного сечения расходомера. Частота измеряется, а расход рассчитывается электроникой расходомера с использованием уравнения , где — частота вихрей, характерная длина плохообтекаемого тела, — скорость потока над плохообтекаемым телом, — число Струхаля , которое по сути является константой для заданной формы тела в пределах его рабочих характеристик.
Гидроакустические расходомеры — это неинтрузивные накладные устройства, которые измеряют расход в трубах, транспортирующих пульпы, едкие жидкости, многофазные жидкости и потоки, где расходомеры вставного типа нежелательны. Гидроакустические расходомеры широко применяются в горнодобывающей промышленности, металлообработке и добыче нефти и газа, где традиционные технологии имеют определенные ограничения из-за их устойчивости к различным режимам потока и коэффициентам снижения.
Гидроакустические расходомеры обладают способностью измерять скорость жидкостей или газов неинтрузивно внутри трубы, а затем использовать это измерение скорости в расходе, используя площадь поперечного сечения трубы, а также давление и температуру в линии. Принцип, лежащий в основе этого измерения расхода, заключается в использовании подводной акустики.
В подводной акустике для определения местоположения объекта под водой сонар использует два известных метода:
а затем вычисляет неизвестное:
Аналогично, гидролокационное измерение расхода использует те же методы и алгоритмы, что и в подводной акустике, но применяет их к измерению расхода в нефтяных и газовых скважинах и трубопроводах.
Для измерения скорости потока гидроакустические расходомеры используют два известных параметра:
а затем вычисляет неизвестное:
_008.jpg/1280px-Tetley's_brewery,_Leeds_(10th_May_2010)_008.jpg)
Современные инновации в измерении расхода включают электронные устройства, которые могут вносить поправки на изменяющиеся условия давления и температуры (т. е. плотности), нелинейности и характеристики жидкости.
Магнитные расходомеры , часто называемые «mag meter» или «electromag», используют магнитное поле , приложенное к измерительной трубке, что приводит к разности потенциалов, пропорциональной скорости потока, перпендикулярной линиям потока . Разность потенциалов определяется электродами, выровненными перпендикулярно потоку и приложенному магнитному полю. Физический принцип работы — закон электромагнитной индукции Фарадея . Для магнитного расходомера требуется проводящая жидкость и непроводящая труба. Электроды не должны подвергаться коррозии при контакте с технологической жидкостью; некоторые магнитные расходомеры имеют вспомогательные преобразователи, установленные для очистки электродов на месте. Приложенное магнитное поле является импульсным, что позволяет расходомеру нейтрализовать эффект паразитного напряжения в системе трубопроводов.
Система измерения скорости на основе силы Лоренца называется расходомером силы Лоренца (LFF). LFF измеряет интегрированную или объемную силу Лоренца, возникающую в результате взаимодействия между жидким металлом в движении и приложенным магнитным полем. В этом случае характерная длина магнитного поля имеет тот же порядок величины, что и размеры канала. Необходимо отметить, что в случае использования локализованных магнитных полей можно выполнять локальные измерения скорости, и поэтому используется термин «измеритель скорости на основе силы Лоренца».
Существует два основных типа ультразвуковых расходомеров : допплеровские и времяпереходные. Хотя оба они используют ультразвук для проведения измерений и могут быть неинвазивными (измеряют поток снаружи трубки, трубопровода или сосуда, также называемые зажимным устройством), они измеряют поток совершенно разными методами.
Ультразвуковые расходомеры времени прохождения измеряют разницу времени прохождения ультразвуковых импульсов, распространяющихся по направлению потока и против него. Эта разница времени является мерой средней скорости жидкости вдоль пути ультразвукового луча. Используя абсолютное время прохождения, можно вычислить как усредненную скорость жидкости, так и скорость звука. Используя два времени прохождения и и расстояние между приемным и передающим преобразователями и угол наклона, можно записать уравнения: и где - средняя скорость жидкости вдоль пути звука, а - скорость звука.
При использовании широкополосного освещения время прохождения ультразвука также можно использовать для измерения объемного расхода независимо от площади поперечного сечения сосуда или трубки. [22]
Ультразвуковые доплеровские расходомеры измеряют доплеровский сдвиг , возникающий в результате отражения ультразвукового луча от частиц в текущей жидкости. Частота передаваемого луча зависит от движения частиц; этот частотный сдвиг можно использовать для расчета скорости жидкости. Для работы принципа Доплера должна быть достаточно высокая плотность звукоотражающих материалов, таких как твердые частицы или пузырьки воздуха , взвешенные в жидкости. Это находится в прямом противоречии с ультразвуковым расходомером времени прохождения, где пузырьки и твердые частицы снижают точность измерения. Из-за зависимости от этих частиц существуют ограниченные области применения доплеровских расходомеров. Эта технология также известна как акустическая доплеровская велосиметрия .
Одним из преимуществ ультразвуковых расходомеров является то, что они могут эффективно измерять расход для самых разных жидкостей, если известна скорость звука в этой жидкости. Например, ультразвуковые расходомеры используются для измерения таких разнообразных жидкостей, как сжиженный природный газ (СПГ) и кровь. [23] Можно также рассчитать ожидаемую скорость звука для данной жидкости; ее можно сравнить со скоростью звука, эмпирически измеренной ультразвуковым расходомером, в целях контроля качества измерений расходомера. Снижение качества (изменение измеренной скорости звука) является признаком того, что счетчик нуждается в обслуживании.
Используя эффект Кориолиса , который заставляет поперечную вибрирующую трубку искажаться, можно получить прямое измерение массового расхода в кориолисовом расходомере . [24] Кроме того, получается прямое измерение плотности жидкости. Кориолисово измерение может быть очень точным независимо от типа измеряемого газа или жидкости; одну и ту же измерительную трубку можно использовать для водорода и битума без повторной калибровки . [ требуется ссылка ]
Расходомеры Кориолиса могут использоваться для измерения расхода природного газа. [25]
Луч лазерного света, падающий на движущуюся частицу, будет частично рассеиваться с изменением длины волны, пропорциональным скорости частицы ( эффект Доплера ). Лазерный доплеровский велосиметр (LDV), также называемый лазерным доплеровским анемометром (LDA), фокусирует лазерный луч в небольшой объем в текущей жидкости, содержащей мелкие частицы (естественного или индуцированного происхождения). Частицы рассеивают свет с доплеровским смещением. Анализ этой смещенной длины волны может быть использован для непосредственного и с большой точностью определения скорости частицы и, таким образом, близкого приближения скорости жидкости.
Для определения доплеровского сдвига доступно множество различных методов и конфигураций устройств. Все они используют фотодетектор (обычно лавинный фотодиод ) для преобразования света в электрическую волну для анализа. В большинстве устройств исходный лазерный свет делится на два луча. В одном общем классе LDV два луча пересекаются в своих фокусных точках, где они интерферируют и генерируют набор прямых полос. Затем датчик выравнивается по потоку таким образом, чтобы полосы были перпендикулярны направлению потока. Когда частицы проходят через полосы, свет с доплеровским смещением собирается в фотодетекторе. В другом общем классе LDV один луч используется в качестве опорного, а другой рассеивается доплеровским рассеянием. Затем оба луча собираются на фотодетекторе, где для извлечения доплеровского сигнала используется оптическое гетеродинное обнаружение . [26]
Хотя в идеале расходомер не должен подвергаться влиянию окружающей среды, на практике это вряд ли так. Часто ошибки измерения возникают из-за неправильной установки или других факторов, зависящих от окружающей среды. [27] [28] Методы in situ используются, когда расходомер калибруется в правильных условиях потока. Результат калибровки расходомера приведет к двум связанным статистическим данным: метрике показателя производительности и метрике расхода. [29]
Для потоков в трубах применяется так называемый метод времени прохождения, при котором радиоактивный индикатор вводится в виде импульса в измеряемый поток. Время прохождения определяется с помощью детекторов излучения, размещенных снаружи трубы. Объемный расход получается путем умножения измеренной средней скорости потока жидкости на внутреннее поперечное сечение трубы. Это опорное значение расхода сравнивается с одновременным значением расхода, полученным при калибровке измерения расхода.
Процедура стандартизирована (ISO 2975/VII для жидкостей и BS 5857-2.4 для газов). Наилучшая аккредитованная погрешность измерения для жидкостей и газов составляет 0,5%. [30]
Метод разбавления радиоактивного индикатора используется для калибровки измерений потока открытого канала. Раствор с известной концентрацией индикатора вводится с постоянной известной скоростью в поток канала. Ниже по течению раствор индикатора тщательно перемешивается по сечению потока, отбирается непрерывный образец и определяется его концентрация индикатора по отношению к концентрации индикатора в введенном растворе. Опорное значение потока определяется с использованием условия баланса индикатора между введенным потоком индикатора и разбавляющим потоком. Процедура стандартизирована (ISO 9555-1 и ISO 9555-2 для потока жидкости в открытых каналах). Наилучшая аккредитованная погрешность измерения составляет 1%. [30]
