Измерение расхода — это количественная оценка движения объемной жидкости . Расход можно измерить с помощью устройств, называемых расходомерами , различными способами. Ниже перечислены распространенные типы расходомеров промышленного применения:
Методы измерения расхода, отличные от расходомеров прямого вытеснения, основаны на силах, создаваемых текущим потоком, когда он преодолевает известное сужение, для косвенного расчета расхода. Расход можно измерить путем измерения скорости жидкости на известной площади. Для очень больших потоков можно использовать методы индикаторов, чтобы определить скорость потока по изменению концентрации красителя или радиоизотопа.
Расход газа и жидкости можно измерять в физических величинах , таких как объемный расход или массовый расход , в соответствующих единицах СИ , таких как кубические метры в секунду или килограммы в секунду соответственно. Эти измерения связаны с плотностью материала . Плотность жидкости практически не зависит от условий. Это не относится к газам, плотность которых сильно зависит от давления, температуры и в меньшей степени от состава.
Когда газы или жидкости передаются по их энергетическому содержанию, как при продаже природного газа , скорость потока также может быть выражена в терминах потока энергии, например, в гигаджоулях в час или БТЕ в день. Скорость потока энергии представляет собой объемный расход, умноженный на содержание энергии на единицу объема, или массовый расход, умноженный на содержание энергии на единицу массы. Скорость потока энергии обычно рассчитывается на основе массового или объемного расхода с помощью компьютера расхода .
В инженерном контексте объемный расход обычно обозначается символом , а массовый расход — символом .
Для жидкости, имеющей плотность , масса и объемный расход могут быть связаны соотношением .
Газы сжимаемы и изменяют объем под давлением, нагреваются или охлаждаются. Объем газа при одном наборе условий давления и температуры не эквивалентен одному и тому же газу при разных условиях. Будут указаны «фактический» расход через счетчик и «стандартный» или «базовый» расход через счетчик в таких единицах измерения, как аксм/ч (фактический кубический метр в час), см 3 /сек (стандартный кубический метр в час). секунда), kscm/h (тысяча стандартных кубических метров в час), LFM (линейные футы 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 , массовых расходомеров Кориолиса или контроллеров массового расхода .
Для жидкостей используются различные единицы измерения в зависимости от применения и отрасли, но они могут включать галлоны (американские или британские) в минуту, литры в секунду, литры на м 2 в час, бушели в минуту или, при описании речных потоков, кумеки (кубические метры в секунду) или акр-фут в день. В океанографии общепринятой единицей измерения переноса объема (например, объема воды, переносимой течением) является свердруп ( Зв), эквивалентный 10 6 м 3 /с.
Первичный элемент потока — это устройство, вставленное в текущую жидкость, которое создает физические свойства, которые можно точно связать с потоком. Например, диафрагма создает перепад давления, который является функцией квадрата объемной скорости потока через отверстие. Первичный расходомер вихревого расходомера производит серию колебаний давления. Как правило, физическое свойство, генерируемое основным элементом потока, удобнее измерять, чем сам поток. Свойства первичного элемента расхода и соответствие практической установки допущениям, сделанным при калибровке, являются решающими факторами точности измерения расхода. [1]
Измеритель положительного смещения можно сравнить с ведром и секундомером. Секундомер запускается, когда начинается поток, и останавливается, когда ведро достигает предела. Объем, разделенный 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 сжимающиеся объемные смещения могут принимать форму поршней, совершающих возвратно-поступательное движение в цилиндрах, зубьев шестерни, соприкасающихся с внутренней стенкой счетчика, или через прогрессивную полость, создаваемую вращением овальных шестерен или винтового винта.
Поскольку они используются для измерения расхода воды в бытовых целях, поршневые счетчики, также известные как ротационно-поршневые или полуположительные счетчики, являются наиболее распространенными устройствами измерения расхода в Великобритании и используются почти для всех размеров счетчиков до 40 мм включительно ( 1+1 ⁄ дюйма ). Поршневой счетчик работает по принципу вращения поршня внутри камеры известного объема. За каждый оборот через поршневую камеру проходит определенное количество воды. За счет зубчатого механизма, а иногда и магнитного привода, развиты стрелочный циферблат и дисплей типа одометра .
Счетчик с овальной шестерней — это счетчик с прямым смещением, в котором используются две или более продолговатые шестерни, выполненные с возможностью вращения под прямым углом друг к другу, образуя Т-образную форму. У такого счетчика есть две стороны, которые можно назвать А и Б. Никакая жидкость не проходит через центр счетчика, где всегда зацепляются зубья двух шестерен. На одной стороне расходомера (А) зубцы шестерен перекрывают поток жидкости, поскольку удлиненная шестерня на стороне А выступает в измерительную камеру, а на другой стороне расходомера (В) имеется полость, в которой находится фиксированный объем жидкости в измерительной камере. Когда жидкость толкает шестерни, она вращает их, позволяя жидкости из измерительной камеры на стороне B вылиться в выпускное отверстие. При этом жидкость, поступающая во впускное отверстие, будет поступать в измерительную камеру на стороне А, которая теперь открыта. Зубья на стороне B теперь перекроют поступление жидкости на сторону B. Этот цикл продолжается, пока шестерни вращаются, и жидкость дозируется через чередующиеся измерительные камеры. Постоянные магниты во вращающихся шестернях могут передавать сигнал на электрический геркон или датчик тока для измерения расхода. Несмотря на заявления о высокой производительности, они, как правило, не так точны, как конструкция со скользящими лопастями. [2]
Зубчатые счетчики отличаются от овальных зубчатых счетчиков тем, что измерительные камеры состоят из зазоров между зубьями шестерен. Эти отверстия разделяют поток жидкости, и когда шестерни вращаются в направлении от впускного отверстия, внутренняя стенка расходомера закрывает камеру, удерживая фиксированное количество жидкости. Выходное отверстие расположено в зоне, где шестерни снова сходятся вместе. Жидкость вытесняется из расходомера, когда зубья шестерни зацепляются и уменьшают объем доступных карманов почти до нуля.
Расходомеры с винтовыми шестернями получили свое название из-за формы шестерен или роторов. Эти роторы напоминают форму спирали, которая представляет собой спиралевидную структуру. Когда жидкость проходит через расходомер, она попадает в отсеки роторов, заставляя роторы вращаться. Длина ротора достаточна для того, чтобы впускное и выпускное отверстия всегда были отделены друг от друга, блокируя тем самым свободный поток жидкости. Сопряженные винтовые роторы создают прогрессивную полость, которая открывается для впуска жидкости, закрывается, а затем открывается в сторону выхода по потоку для выпуска жидкости. Это происходит непрерывно, а расход рассчитывается по скорости вращения.
Это наиболее часто используемая измерительная система для измерения водоснабжения в домах. Жидкость, чаще всего вода, поступает с одной стороны расходомера и ударяется о нутирующий диск, установленный эксцентрично. При этом диск должен «качаться» или вращаться вокруг вертикальной оси, поскольку нижняя и верхняя части диска остаются в контакте с монтажной камерой. Перегородка разделяет входную и выходную камеры. По мере вращения диска он дает прямую индикацию объема жидкости, прошедшей через расходомер, поскольку объемный расход указывается с помощью зубчатой передачи и устройства регистрации, которое соединено с диском. Он надежен при измерении расхода с точностью до 1 процента. [3]
Турбинный расходомер (лучше описываемый как осевая турбина) преобразует механическое действие турбины, вращающейся в потоке жидкости вокруг оси, в читаемую пользователем скорость потока (галлоны в минуту, л/мин и т. д.). Турбина имеет тенденцию перемещать весь поток вокруг себя.
Колесо турбины установлено на пути потока жидкости. Текущая жидкость ударяется о лопатки турбины, придавая силу поверхности лопаток и приводя ротор в движение. Когда достигается устойчивая скорость вращения, эта скорость пропорциональна скорости жидкости.
Турбинные расходомеры используются для измерения расхода природного газа и жидкости. [4] Турбинные счетчики менее точны, чем объемные и струйные счетчики при низких расходах, но измерительный элемент не занимает и не сильно ограничивает весь путь потока. Направление потока обычно прямое через расходомер, что обеспечивает более высокие скорости потока и меньшие потери давления, чем расходомеры поршневого типа. Они являются предпочтительным счетчиком для крупных коммерческих потребителей, противопожарных служб и в качестве главных счетчиков для систем водоснабжения . Обычно перед счетчиком необходимо устанавливать сетчатые фильтры для защиты измерительного элемента от гравия или другого мусора, который может попасть в систему распределения воды. Турбинные счетчики обычно доступны для размеров от 4 до 30 см ( 1+Трубы диаметром 1 ⁄ 2–12 дюймов или выше. Корпуса турбинных счетчиков обычно изготавливаются из бронзы, чугуна или ковкого чугуна. Внутренние элементы турбины могут быть изготовлены из пластика или нержавеющих металлических сплавов. Они точны в нормальных рабочих условиях, но на них сильно влияют профиль потока и условия жидкости.
Пожарные счетчики — это специализированный тип турбинных счетчиков, одобренный для высоких скоростей расхода, необходимых в системах противопожарной защиты. Они часто одобрены Underwriters Laboratories (UL), Factory Mutual (FM) или аналогичными органами для использования в противопожарной защите. Переносные турбинные счетчики могут быть временно установлены для измерения расхода воды из пожарного гидранта . Счетчики обычно изготавливаются из алюминия, чтобы быть легкими, и обычно имеют емкость 7,5 см (3 дюйма). Водоканалам они часто требуются для измерения воды, используемой в строительстве, наполнении бассейнов или там, где еще не установлен постоянный счетчик.
Счетчик Вольтмана (изобретенный Райнхардом Вольтманом в 19 веке) состоит из ротора со спиральными лопастями, вставленными в поток по оси, очень похоже на канальный вентилятор; его можно считать разновидностью турбинного расходомера. [5] Их обычно называют спиральными счетчиками, и они популярны при больших размерах.
Одноструйный счетчик состоит из простой крыльчатки с радиальными лопастями, на которые воздействует одна струя. Они становятся все более популярными в Великобритании в больших размерах и являются обычным явлением в ЕС .
Лопастные расходомеры состоят из трех основных компонентов: лопастного датчика, трубопроводной арматуры и дисплея/контроллера. Датчик с лопастным колесом состоит из свободно вращающегося колеса/крыльчатки со встроенными магнитами, которые расположены перпендикулярно потоку и будут вращаться при попадании в текущую среду. Когда магниты в лопастях вращаются мимо датчика, лопастной расходомер генерирует сигнал частоты и напряжения, пропорциональный расходу. Чем быстрее поток, тем выше частота и выходное напряжение.
Лопастной счетчик предназначен для вставки в трубопроводный фитинг либо «в линию», либо врезным способом. Они доступны с широким спектром стилей фитингов, методов соединения и материалов, таких как ПВДФ, полипропилен и нержавеющая сталь. Как и турбинные счетчики, лопастные счетчики требуют минимального участка прямой трубы до и после датчика. [6]
Дисплеи и контроллеры расхода используются для получения сигнала от лопастного расходомера и преобразования его в фактический расход или значения общего расхода. Обработанный сигнал может использоваться для управления процессом, формирования сигнализации, отправки сигналов на внешние устройства и т. д.
Расходомеры с лопастными колесами (также известные как датчики с колесами Пелтона ) предлагают относительно недорогой вариант с высокой точностью для многих применений в системах измерения расхода, обычно с водой или водоподобными жидкостями. [6]
Многоструйный или многоструйный счетчик представляет собой счетчик скоростного типа, который имеет 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, пропорциональном скорости потока. Механически этот счетчик работает так же, как одноструйный счетчик, за исключением того, что порты направляют поток на рабочее колесо одинаково 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 так, чтобы указатель ролика был направлен вверх.
Колесная турбина Пелтона (лучше описываемая как радиальная турбина ) преобразует механическое действие колеса Пелтона, вращающегося в потоке жидкости вокруг оси, в читаемую пользователем скорость потока (галлоны в минуту, л/мин и т. д.). В колесе Пелтона весь поток движется вокруг него, а входящий поток фокусируется на лопастях с помощью струи. 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, действующей на поверхность, но и возвращают поток в противоположном направлении, используя это изменение направления жидкости для дальнейшее увеличение эффективности турбины .
Расход через большой водовод , например, используемый на гидроэлектростанции , можно измерить путем усреднения скорости потока по всей площади. Измерители тока пропеллерного типа (похожие на чисто механические измерители тока Экмана , но теперь с электронным сбором данных) можно перемещать по площади водовода и усреднять скорости для расчета общего расхода. Это может быть порядка сотен кубических метров в секунду. Поток должен поддерживаться постоянным во время перемещения амперметров. Методы испытаний гидроэлектрических турбин приведены в стандарте IEC 41. Такие измерения расхода часто имеют коммерческое значение при проверке эффективности больших турбин.
Существует несколько типов расходомеров, основанных на принципе Бернулли . Давление измеряется либо с помощью ламинарных пластин, отверстия, сопла или трубки Вентури для создания искусственного сужения, а затем измерения потери давления жидкостей при прохождении этого сужения [ 7] , либо путем измерения статического и статического давления для измерения давления. получить динамическое давление .
Расходомер Вентури каким-то образом сужает поток, а датчики давления измеряют перепад давления до и внутри сужения. Этот метод широко используется для измерения скорости потока при транспортировке газа по трубопроводам и применяется со времен Римской империи . Коэффициент расхода счетчика Вентури колеблется от 0,93 до 0,97. Первые крупногабаритные счетчики Вентури для измерения потоков жидкости были разработаны Клеменсом Гершелем , который использовал их для измерения малых и больших расходов воды и сточных вод , начиная с самого конца XIX века. [8]
Диафрагма представляет собой пластину с отверстием в ней, расположенную перпендикулярно потоку; он сужает поток, а измерение перепада давления на сужении дает скорость потока. По сути, это грубая форма счетчика Вентури , но с более высокими потерями энергии. Существует три типа отверстий: концентрические, эксцентрические и сегментные. [9] [10]
Трубка Далла представляет собой укороченную версию расходомера Вентури с меньшим перепадом давления, чем у диафрагмы. Как и в случае с этими расходомерами, скорость потока в трубке Далла определяется путем измерения падения давления, вызванного сужением 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 крупных трубопроводах. Перепад давления, создаваемый трубкой Далла, выше, чем трубка Вентури и сопло, причем все они имеют одинаковый диаметр горловины.
Трубка Пито используется для измерения скорости потока жидкости. Трубку направляют в поток и измеряют разницу между давлением торможения на кончике зонда и статическим давлением на его стороне, что дает динамическое давление, на основе которого рассчитывается скорость жидкости с использованием уравнения Бернулли . Объемная скорость потока может быть определена путем измерения скорости в различных точках потока и создания профиля скорости. [11]
Усредняющие трубки Пито (также называемые датчиками ударного действия) расширяют теорию трубки Пито более чем на одно измерение. Типичная усредняющая трубка Пито состоит из трех или более отверстий (в зависимости от типа зонда) на измерительном наконечнике, расположенных определенным образом. Большее количество отверстий позволяет прибору измерять направление скорости потока в дополнение к его величине (после соответствующей калибровки). Три отверстия, расположенные в линию, позволяют датчикам давления измерять вектор скорости в двух измерениях. Введение большего количества отверстий, например пяти отверстий, расположенных в виде «плюса», позволяет измерить трехмерный вектор скорости.
Конусные расходомеры — это новое устройство для измерения перепада давления, впервые выпущенное в 1985 году компанией McCrometer в Хемете, Калифорния. Конусный расходомер представляет собой универсальный, но надежный измеритель перепада давления (DP), который доказал свою устойчивость к воздействию асимметричного и закрученного потока. Работая по тем же основным принципам, что и расходомеры Вентури и диафрагменного типа, конусные расходомеры не требуют одинаковых трубопроводов на входе и выходе. [12] Конус действует как устройство кондиционирования, а также как создатель перепада давления. Требования к восходящему потоку составляют от 0 до 5 диаметров по сравнению с 44 диаметрами для диафрагмы или 22 диаметрами для Вентури. Поскольку конусные расходомеры обычно имеют сварную конструкцию, рекомендуется всегда калибровать их перед эксплуатацией. Тепловые эффекты сварки неизбежно вызывают искажения и другие эффекты, которые препятствуют сбору и публикации табличных данных о коэффициентах разряда в зависимости от размера линии, коэффициента бета и рабочих чисел Рейнольдса. Калиброванные конусные счетчики имеют погрешность до ±0,5%. Некалиброванные конусные расходомеры имеют погрешность ± 5,0 % .
Измерители линейного сопротивления, также называемые ламинарными расходомерами, измеряют очень низкие расходы, при которых измеренный перепад давления линейно пропорционален расходу и вязкости жидкости. Такой поток называется потоком вязкого сопротивления или ламинарным потоком, в отличие от турбулентного потока, измеряемого диафрагмами, приборами Вентури и другими расходомерами, упомянутыми в этом разделе, и характеризуется числами Рейнольдса ниже 2000. Первичный элемент потока может состоять из одного длинного элемента потока. капиллярная трубка, пучок таких трубок или длинная пористая пробка; такие низкие потоки создают небольшие перепады давления, но более длинные элементы потока создают более высокие и более легко измеряемые перепады. Эти расходомеры особенно чувствительны к изменениям температуры, влияющим на вязкость жидкости и диаметр элемента потока, как это видно из основного уравнения Хагена-Пуазейля . [13] [14]
«Измеритель переменной площади» измеряет поток жидкости, позволяя площади поперечного сечения устройства изменяться в зависимости от потока, вызывая некоторый измеримый эффект, указывающий скорость. Ротаметр является примером измерителя переменной площади, в котором утяжеленный «поплавок» поднимается в конической трубке по мере увеличения скорости потока ; Поплавок перестает подниматься, когда пространство между поплавком и трубкой становится достаточно большим, чтобы вес поплавка уравновешивался сопротивлением потока жидкости. Разновидностью ротаметра, используемого для медицинских газов, является расходомер с трубкой Торпа . Поплавки изготавливаются самых разных форм, наиболее распространенными являются сферы и сферические эллипсы. Некоторые из них предназначены для видимого вращения в потоке жидкости, чтобы помочь пользователю определить, застрял поплавок или нет. Ротаметры доступны для широкого спектра жидкостей, но чаще всего используются с водой или воздухом. Их можно сделать для надежного измерения расхода с точностью до 1%.
Другой тип - это отверстие с переменной площадью, в котором подпружиненный конический плунжер отклоняется потоком через отверстие. Смещение может быть связано со скоростью потока. [15]
Оптические расходомеры используют свет для определения скорости потока. 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 самая частица пересекает второй луч, детекторная оптика собирает рассеянный свет на втором фотодетекторе, который преобразует падающий свет во второй электрический импульс. Измеряя временной интервал между этими импульсами, скорость газа рассчитывается как где – расстояние между лазерными лучами и – временной интервал.
Лазерные оптические расходомеры измеряют фактическую скорость частиц, свойство, которое не зависит от теплопроводности газов, изменений расхода газа или состава газов. Принцип работы позволяет оптической лазерной технологии предоставлять высокоточные данные о расходе даже в сложных условиях, которые могут включать высокую температуру, низкие скорости потока, высокое давление, высокую влажность, вибрацию труб и акустический шум.
Оптические расходомеры очень стабильны, не имеют движущихся частей и обеспечивают высокую повторяемость измерений в течение всего срока службы изделия. Поскольку расстояние между двумя лазерными листами не меняется, оптические расходомеры не требуют периодической калибровки после первоначального ввода в эксплуатацию. Оптические расходомеры требуют только одной точки установки вместо двух точек установки, которые обычно требуются для расходомеров других типов. Одна точка установки проще, требует меньшего обслуживания и менее подвержена ошибкам.
Коммерчески доступные оптические расходомеры способны измерять поток от 0,1 м/с до скорости более 100 м/с (диапазон уменьшения 1000:1) и доказали свою эффективность при измерении факельных газов из нефтяных скважин и нефтеперерабатывающих заводов. к загрязнению атмосферы. [16]
Поток в открытом канале описывает случаи, когда верхняя поверхность текущей жидкости открыта воздуху; поперечное сечение потока определяется только формой канала с нижней стороны и меняется в зависимости от глубины жидкости в канале. Методы, подходящие для фиксированного сечения потока в трубе, бесполезны в открытых каналах. Измерение расхода воды на водных путях является важным применением измерения расхода в открытых каналах; такие установки известны как расходомеры .
Уровень воды измеряется в назначенной точке за плотиной или в лотке с использованием различных вторичных устройств (обычными методами являются барботеры, ультразвуковые, поплавковые и дифференциальные давления). Эта глубина преобразуется в скорость потока в соответствии с теоретической формулой вида где – скорость потока, – константа, – уровень воды, а – показатель степени, который меняется в зависимости от используемого устройства; или он преобразуется в соответствии с точками данных уровня/расхода, полученными эмпирическим путем («кривая расхода»). Затем скорость потока можно интегрировать с течением времени в объемный расход. Устройства уровня до 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), а 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 доплеровский и пропеллерный методы). Умножение скорости на площадь поперечного сечения дает скорость потока, которую можно интегрировать в объемный расход. Существует два типа расходомеров поверхностной скорости: (1) смачиваемый; и (2) бесконтактный. Датчики скорости в смоченной зоне обычно устанавливаются на дне канала или реки и используют доплеровский режим для измерения скорости увлеченных частиц. Благодаря глубине и запрограммированному поперечному сечению это может обеспечить измерение расхода на выходе. Бесконтактные устройства, использующие лазер или радар, устанавливаются над каналом и измеряют скорость сверху, а затем с помощью ультразвука измеряют глубину воды сверху. Радарные устройства могут измерять только поверхностные скорости, тогда как лазерные устройства могут измерять скорости под поверхностью. [18]
В поток потока добавляется известное количество красителя (или соли ) в единицу времени. После полного смешивания измеряют концентрацию. Скорость разбавления равна скорости потока.
Акустическая допплеровская велоциметрия (ADV) предназначена для регистрации мгновенных составляющих скорости в одной точке с относительно высокой частотой. Измерения проводятся путем измерения скорости частиц в удаленном объеме отбора проб на основе эффекта доплеровского сдвига. [19]
В тепловых массовых расходомерах обычно используются комбинации нагревательных элементов и датчиков температуры для измерения разницы между статической и проточной теплопередачей жидкости и определения ее расхода, зная удельную теплоемкость и плотность жидкости. Температура жидкости также измеряется и компенсируется. Если плотность и удельная теплоемкость жидкости постоянны, расходомер может обеспечить прямое считывание массового расхода и не требует дополнительной компенсации давления и температуры в указанном диапазоне .
Технический прогресс позволил производить тепловые массовые расходомеры микроскопического масштаба в качестве датчиков MEMS ; эти расходомерные устройства можно использовать для измерения скорости потока в диапазоне нанолитров или микролитров в минуту.
Технология теплового массового расходомера (также называемая термодисперсионным или термовытесняющим расходомером) используется для сжатого воздуха, азота, гелия, аргона, кислорода и природного газа. Фактически, большинство газов можно измерить, если они достаточно чистые и неагрессивные. Для более агрессивных газов счетчик может быть изготовлен из специальных сплавов (например, Hastelloy ), а предварительная сушка 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 применения датчиков потока можно найти в области медицины, например, в устройствах CPAP, анестезиологическом оборудовании или респираторных устройствах. [7] Это связано с тем, что тепловые массовые расходомеры отслеживают изменения одной или нескольких тепловых характеристик (температуры, теплопроводности и/или удельной теплоемкости) 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 нагревательный элемент и датчик температуры на выходе для индикации расхода воздуха. В других датчиках используется подпружиненная лопасть. В любом случае электронный блок управления автомобиля интерпретирует сигналы датчиков как индикацию потребности двигателя в топливе в реальном времени.
Другой метод измерения расхода предполагает размещение обтекаемого тела (называемого перегородкой) на пути жидкости. Когда жидкость проходит этот стержень, в потоке создаются возмущения, называемые вихрями . Вихри тянутся за цилиндром поочередно с каждой стороны обтекаемого тела. Этот вихревой след назван вихревой улицей Кармана в честь математического описания этого явления, данного фон Карманом в 1912 году. Частота, с которой эти вихри меняют стороны, по существу пропорциональна скорости потока жидкости. Внутри, сверху или после перекладины находится датчик для измерения частоты образования 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 по уравнению где - частота вихрей, характерная длина обтекаемого тела, - скорость потока над обтекаемым телом, - число Струхаля , что по существу является константой для данной формы тела в пределах его рабочих пределов.
Сонарные расходомеры представляют собой неинтрузивные накладные устройства, которые измеряют расход в трубах, транспортирующих суспензии, коррозионные жидкости, многофазные жидкости и потоки, где расходомеры вставного типа нежелательны. Сонарные расходомеры получили широкое распространение в горнодобывающей, металлургической и нефтегазовой отраслях, где традиционные технологии имеют определенные ограничения из-за их устойчивости к различным режимам потока и коэффициентам регулирования.
Сонарные расходомеры способны измерять скорость жидкостей или газов неинтрузивно внутри трубы, а затем использовать это измерение скорости для определения скорости потока, используя площадь поперечного сечения трубы, а также давление и температуру в линии. Принципом измерения расхода является использование подводной акустики.
В подводной акустике для определения местоположения объекта под водой гидролокатор использует два известных:
а затем вычисляет неизвестное:
Аналогичным образом, при измерении расхода с помощью гидролокатора используются те же методы и алгоритмы, что и в подводной акустике, но они применяются к измерению расхода в нефтяных и газовых скважинах и выкидных линиях.
Для измерения скорости потока в гидролокационных расходомерах используются два известных:
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 корректировать изменяющиеся условия давления и температуры (т.е. плотности), нелинейности и характеристики жидкости.
Магнитные расходомеры , часто называемые «магметрами» или «электромагами», используют магнитное поле, приложенное к измерительной трубке, что приводит к возникновению разности потенциалов, пропорциональной скорости потока, перпендикулярной линиям потока . Разность потенциалов воспринимается электродами, расположенными перпендикулярно потоку и приложенному магнитному полю. Физический принцип работы — закон электромагнитной индукции Фарадея . Для магнитного расходомера требуется проводящая жидкость и непроводящий вкладыш трубы. Электроды не должны подвергаться коррозии при контакте с технологической жидкостью; в некоторых магнитных расходомерах установлены вспомогательные преобразователи для очистки электродов на месте. Приложенное магнитное поле является импульсным, что позволяет расходомеру компенсировать влияние паразитного напряжения в системе трубопроводов.
Система силовой скорости Лоренца называется силовым расходомером Лоренца (LFF). LFF измеряет интегральную или объемную силу Лоренца, возникающую в результате взаимодействия движущегося жидкого металла и приложенного магнитного поля. В этом случае характерная длина магнитного поля того же порядка, что и размеры канала. Следует отметить, что в случае использования локализованных магнитных полей можно выполнять измерения локальной скорости, и поэтому используется термин силовой велосиметр Лоренца.
Существует два основных типа ультразвуковых расходомеров : доплеровские и времяпроходные. Хотя оба они используют ультразвук для проведения измерений и могут быть неинвазивными (измерение потока снаружи трубки, трубы или сосуда, также называемое накладным 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 во времени является мерой средней скорости жидкости на пути ультразвукового луча. Используя абсолютное время прохождения, можно рассчитать как среднюю скорость жидкости, так и скорость звука. Используя два времени прохождения и расстояние между приемным и передающим преобразователями, а также угол наклона, можно записать уравнения:
При широколучевом освещении 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. На частоту передаваемого луча влияет движение частиц; этот сдвиг частоты можно использовать для расчета скорости жидкости. Чтобы принцип Доплера работал, необходима достаточно высокая плотность звукоотражающих материалов, таких как твердые частицы или пузырьки воздуха, взвешенные в жидкости. Это прямо контрастирует с ультразвуковым расходомером, использующим время прохождения, в котором пузырьки и твердые частицы снижают точность измерения. Из-за зависимости от этих частиц доплеровские расходомеры имеют ограниченное применение. Эта технология также известна как акустическая доплеровская велосиметрия .
Одним из преимуществ ультразвуковых расходомеров является то, что они могут эффективно измерять скорость потока 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; это можно сравнить со скоростью звука, эмпирически измеренной ультразвуковым расходомером с целью контроля качества измерений расходомера. Падение качества (изменение измеряемой скорости звука) является признаком необходимости обслуживания счетчика.
Используя эффект Кориолиса , который вызывает деформацию трубки, колеблющейся в поперечном направлении, можно получить прямое измерение массового расхода с помощью расходомера Кориолиса . [24] Кроме того, получается прямая мера плотности жидкости. Измерение Кориолиса может быть очень точным независимо от типа измеряемого газа или жидкости; одну и ту же измерительную трубку можно использовать для газообразного водорода и битума без повторной калибровки . [ нужна цитата ]
Расходомеры Кориолиса могут использоваться для измерения расхода природного газа. [25]
Луч лазерного света, падающий на движущуюся частицу, частично рассеивается 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 текущей жидкости, содержащий мелкие частицы (естественные или индуцированные). Частицы рассеивают свет с доплеровским сдвигом. Анализ этой смещенной длины волны можно использовать для прямого и с большой точностью определения скорости частицы и, таким образом, точного приближения к скорости жидкости.
Для определения доплеровского сдвига доступен ряд различных методов и конфигураций устройств. Все они используют фотодетектор (обычно лавинный фотодиод ) для преобразования света в электрический сигнал для анализа. В большинстве устройств исходный лазерный свет разделяется на два луча. В одном общем классе LDV два луча пересекаются в своих фокальных точках, где они интерферируют и создают набор прямых полос. Затем датчик выравнивается по потоку так, чтобы полосы были перпендикулярны направлению потока. Когда частицы проходят через полосы, доплеровско-смещенный свет собирается в фотодетекторе. В другом общем классе LDV один луч используется в качестве эталонного, а другой подвергается доплеровскому рассеянию. Оба луча затем собираются на фотодетекторе, где используется оптическое гетеродинное детектирование для извлечения доплеровского сигнала. [26]
Хотя в идеале на расходомер не должна влиять окружающая среда, на практике это маловероятно. Часто ошибки измерений 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. Результатом калибровки расходомера будут две связанные статистические данные: показатель производительности и показатель 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, расположенных 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 измерении расхода, подлежащем калибровке.
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 разведения радиофармпрепарата используется для калибровки измерений расхода в открытом канале. Раствор с известной концентрацией индикатора впрыскивается в поток канала с постоянной известной скоростью. Далее по потоку раствор индикатора тщательно перемешивается по сечению потока, отбирается непрерывная проба и определяется ее концентрация индикатора по отношению к концентрации впрыскиваемого раствора. Опорное значение расхода определяется с использованием условия баланса трассера между впрыскиваемым потоком трассера и потоком разбавления. Процедура стандартизирована (ISO 9555-1 и ISO 9555-2 для течения жидкости в открытых каналах). Наилучшая аккредитованная погрешность измерения составляет 1%. [30]
{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка ){{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка )