О чем эта статья

Какие бывают виды расходомеров. Как каждый из них устроен и для чего создан. Какие у них преимущества и в каких случаях разные расходомеры стоит применять. Все это вы узнаете в этой статье.
Вы также можете посмотреть другие статьи. Например, «Устройство и принцип работы датчиков уровня» или «Психрометр Августа (стационарный психрометр)».

Расходомер, как видно из названия — устройство, предназначенное для измерения расхода какого-либо вещества — как правило, жидкости или газа. Если имеется канал диаметром d и по нему со средней скоростью Va перемещается жидкость или газ, то расходом является величина:

где A=πd2/4 — площадь поперечного сечения канала.

Следует сразу отметить, что вещества, расход которых необходимо измерить, могут быть сжимаемыми (газ) или несжимаемыми (жидкость), и методики измерения расхода в обоих случаях имеют свои особенности.

Независимо от типа используемого устройства определения расхода вещества является довольно сложной комплексной задачей, при решении которой приходится учитывать множество факторов, таких как:

  1. Физические характеристики исследуемой среды
  2. Физические характеристики окружающей среды
  3. Форма канала и свойства материала, из которого он изготовлен

К каждому датчику как правило прилагается набор документов описывающих технические параметры прибора, его ограничения и рекомендации по эксплуатации. Перед покупкой изучите все эти документы и выберете наиболее подходящее для ваших задач устройство.

Среди довольно большого разнообразия расходомеров по принципу действия можно выделить следующие основные группы:

  • Датчики скорости потока по перепаду давления
  • Тепловые расходомеры
  • Ультразвуковые расходомеры
  • Электромагнитные расходомеры
  • Микрорасходомеры
  • Кориолисовские расходомеры
  • Расходомеры с мишенями
  • Детекторы изменения скорости потока

Рассмотрим основные виды расходомеров.

Электромагнитные расходомеры

В основе устройства электромагнитных расходомеров – закон электромагнитной индукции, известный как закон Фарадея. Когда проводящая жидкость, например вода, проходит через силовые линии магнитного поля, индуцируется электродвижущая сила. Она пропорциональна скорости движения проводника, а направление тока – перпендикулярно направлению движения проводника.

В электромагнитных расходомерах жидкость течет между полюсами магнита, создавая электродвижущую силу. Прибор измеряет напряжение между двумя электродами, рассчитывая тем самым объем проходящей через трубопровод жидкости. Это надежный и точный метод, потому что сам прибор не влияет на скорость течения жидкости, а за счет отсутствия движущихся частей оборудование долговечное.

Преимущества электромагнитных расходомеров:

  • Умеренная стоимость.
  • Нет движущихся и неподвижных частей в поперечном сечении.
  • Большой динамический диапазон измерений.

Недостатки:

  • На работу прибора влияют магнитные и проводящие осадки.

Принцип работы электромагнитного расходомера

Ультразвуковые расходомеры

В конструкции расходомеров есть передатчик ультразвуковых сигналов (УЗС). Когда жидкость движется по трубопроводу, происходит снос ультразвуковой волны. Из-за этого меняется время, за которое сигнал от передатчика достигает приемника. Время прохождения увеличивается против потока жидкости и уменьшается, если ультразвуковой сигнал идет по направлению потока. Ультразвуковые расходомеры рассчитывают объемный расход жидкости на основе разности времени прохождения УЗС по течению потока и против него – эта разность пропорциональна скорости движения и объему воды.

Достоинства ультразвуковых расходомеров:

  • Невысокая стоимость.
  • Нет движущихся и неподвижных частей в поперечном сечении.
  • Средний динамический диапазон измерений.
  • Возможность монтажа на трубопроводы большого диаметра.

Недостатки:

  • Чувствительность измерений к отражающим и поглощающим ультразвук осадкам.
  • Чувствительность к вибрациям.
  • Чувствительность к перекосам потока для однолучевых расходомеров.

Расходомеры перепада давления

Принцип действия этого типа расходомеров основан на измерении перепадов давления, которые возникают, когда поток жидкости, газа или пара проходит через шайбу, сопло или другое сужающее устройство. Скорость потока в этом месте меняется, давление возрастает: чем выше скорость потока, тем больший расход.

Преимущества:

  • Отсутствие движущихся частей.

Недостатки:

  • Механические препятствия в сечении: шайба или сопло.
  • Малый динамический диапазон измерений.
  • Чувствительность к любым осадкам на сужающем устройстве.

Вихревые расходомеры

Вихревые расходомеры измеряют частоту колебаний, которые возникают в потоке жидкости или газа, когда они обтекают препятствия. При обтекании препятствий образуется вихрь, от которого приборы и получили свое название.

Преимущества:

  • Отсутствие движущихся частей.

Недостатки:

  • Механические препятствия в сечении расходомера.
  • Малый динамический диапазон.
  • Температурная чувствительность.
  • Неустойчивость характеристик при осадках на теле обтекания.
  • Влияние вибраций на результаты измерений.

Принцип работы вихревого расходомера

Тахометрические расходомеры

Тахометрические расходомеры измеряют скорость вращения, количество оборотов крыльчатки или турбины в потоке воды, газа или пара. Принцип действия не меняется в зависимости от того, установлена ли в приборе крыльчатка или турбина; разница только в том, что ось вращения крыльчатки находится перпендикулярно движению потока, а турбины – параллельно потоку жидкости или газа.

Преимущества:

  • Невысокая стоимость.
  • Работают без источника питания.

Недостатки:

  • Механические препятствия в сечении расходомера.
  • Малый динамический диапазон.
  • Неустойчивость измерений.
  • Невысокая надежность.
  • Примеси и посторонние предметы в воде влияют на результаты измерений.
  • Небольшой срок эксплуатации.

Принцип работы тахометрического расходомера

Кориолисовы расходомеры

Принцип действия этих расходомеров опирается на эффект Кориолиса: изменение фаз механических колебаний U-образных трубок, по которым движется жидкость, газ или пар. Сдвиг фаз зависит от массового расхода. Сила Кориолиса, которая воздействует на стенки колеблющейся трубки, меняется под напором воды или пара.

Преимущества:

  • Прямое измерение массового расхода.
  • Осадки не влияют на измерения.
  • Нет препятствий во внутреннем сечении.
  • Измерение расхода жидкостей не зависит от их электрической проводимости.

Недостатки:

  • Высокая стоимость.
  • Строгие требования к технологии изготовления.
  • Влияние вибраций на метрологические характеристики.

Сравнив достоинства и недостатки разных видов оборудования, несложно понять, почему самыми востребованными остаются электромагнитные расходомеры: они недорогие, точные и практичные. Через каталог компании «Интелприбор» вы можете заказать измерительные модули высокого качества. Мы не только поможем выбрать оборудование, но также установим его и обеспечим техобслуживание.

Тепловые расходомеры

В основе метода лежит довольно простая идея: если локально изменять свойства вещества в потоке (например, температуру) и регистрировать эти изменения на некотором удалении от места воздействия, можно определить среднюю скорость перемещения вещества в потоке (рисунок 1). Предположим, в потоке установлена пара датчиков температуры (A и B) и один нагревательный элемент C, причём расстояния AC>BC. Если вещество неподвижно, повышение температуры происходит локально за счёт теплопроводности, и датчик B нагревается быстрее, поскольку расположен ближе к нагревательному элементу. Если же поток придёт в движение, температура в области A упадёт до исходной температуры вещества в потоке, а температура в области B будет чуть выше исходной. Анализ данных с датчиков позволяет однозначно судить о скорости перемещения вещества в потоке.

Рисунок 1. Общая схема расположения ключевых элементов теплового расходомера.

Подобным образом изменению могут быть подвергнуты и другие параметры вещества (например, его химический состав), однако в большинстве случаев это недопустимо, например, когда речь идёт о медицинском применении расходомеров.

В устройствах данного типа используется свойство звуковых волн изменять скорость своего распространения в подвижной среде. Если установить источник (A) и приёмник (B) ультразвука со смещением (рисунок 2), то о скорости потока можно судить по изменению скорости распространения звуковой волны вдоль отрезка AB.

Рисунок 2. Общая схема расположения ключевых элементов ультразвукового расходомера

Кроме того, для измерения локальной скорости потока может быть использован эффект Допплера, для этого источник и приёмник располагаются как указано на рисунке 3. Исходный сигнал, а также сигнал с приёмника отправляются на смеситель. Частота ультразвука, которую фиксирует приёмник, изменяется в зависимости от скорости потока, исходная частота остаётся неизменной. Частота сигнала на выходе из смесителя является разностью частот исходного и принятого сигнала — по этой величине можно однозначно судить о локальной скорости вещества в потоке.

Рисунок 3. Общая схема расположения ключевых элементов расходомера на эффекте Допплера

Ультразвук достаточно часто используется в производстве датчиков. Например, существуют ультразвуковые дефектоскопы

Если жидкость проводит ток, её перемещение поперёк линий магнитного поля приведёт к возникновению ЭДС, пропорциональной скорости потока. На практике эта схема реализуется путём установки электромагнитов таким образом, чтобы линии магнитного потока были перпендикулярны потенциальному перемещению потока жидкости, а также установкой пары электродов, фиксирующих наведённую движением потока ЭДС (рисунок 4).

Рисунок 4. Общая схема расположения ключевых элементов электромагнитного расходомера

Возможно несколько различных реализаций данного метода, однако изменения в целом касаются схемы обработки данных и не затрагивают принципиальные основы метода.

Вихревые расходомеры (Расходомеры с мишенями)

В расходомерах данного типа основным элементом является дискообразная или шарообразная мишень, укреплённая на эластичном тросе, один противоположный конец которого неподвижно закреплён (рисунок 5). Поток жидкости или газа приводит к смещению мишени, что вызывает деформацию троса, а установленные на нём тензодатчики регистрируют тип и степень деформации. Полученные данные позволяют судить о скорости потока вещества, а также о его направлении.

Рисунок 5. Схема расположения ключевых элементов вихревого расходомера

Достоинством таких датчиков является возможность проведения измерений расхода и скорости потока в двух или даже в трёх различных направлениях. Для обеспечения подобной многозадачности необходимо обеспечить симметричность мишени для всех нужных направлений.

Кориолисовские расходомеры

Обычно кориолисовский расходомер состоит из трубки, которая подвергается вибрационному воздействию от внешнего генератора колебаний (рисунок 6). Если трубка пуста, колебания приведут к синхронному ускорению всех участков трубки. Если же по трубке перемещается жидкость, на неё из-за воздействия ускорения, вызванного колебательным воздействием, будет также действовать кориолисова сила, направленная в различные стороны для входного и выходного потоков жидкости, что приведёт к сдвигу фазы колебаний трубки. Величина фазового рассогласования зависит от массы жидкости, протекающей по трубке в единицу времени.

Рисунок 6. Схема функционирования кориолисовского расходомера

Главным достоинством устройств данного типа является их универсальность — они могут применяться для определения скорости потока большого спектра веществ — как жидкостей, так и газов. Основным же недостатком кориолисовских расходомеров является их относительно высокая стоимость.

Микрорасходомеры

Этот класс представлен расходомерами теплового или емкостного принципа действия в миниатюрном исполнении. Требования к габаритам обусловлены областью применения подобных устройств — это, как правило, химическое производство или медицинские технологии. По принципу действия микрорасходомеры полностью идентичны своим крупногабаритным аналогам, однако стоимость миниатюрных устройств, как правило, гораздо выше.

Расходомеры по перепаду давления

Для понимания принципа функционирования данного типа расходомеров проще всего прибегнуть к аналогии с законом Ома. В рамках данной аналогии давление эквивалентно напряжению, а скорость потока эквивалентна силе тока. Если на пути прохождения потока установить препятствие (сопротивление), возникнет перепад давления до и после препятствия (падение напряжения на сопротивлении). Определение перепада давление можно осуществлять как непосредственно измеряя давление жидкости до и после прохождения препятствия, так и с помощью дифференциального датчика давления, установленного на ответвлении от основного канала. Аналогично можно определить силу тока на участке цепи, зная падение напряжения на сопротивлении известного номинала.

Измерение давления газа. Газы, находящиеся в сосудах, оказывают на поверхность этих сосудов определенное давление, которое называют силой давления.
Силу, приходящуюся на единицу поверхности, принято называть давлением газа.
В системе СИ единица измерения давления — паскаль (Па). Единица паскаль обозначает давление, вызываемое силой 1 ньютон (Н), равномерно распределенной по нормальной к ней поверхности площадью 1 м.кв.
Давление может быть избыточным и абсолютным. Газопроводы находятся под действием избыточного давления, т.е. разности внутреннего и наружного давлений. Величину избыточного давления измеряют манометрами, а для получения абсолютного давления необходимо к избыточному давлению прибавить атмосферное.
Измерение температуры. Температура — мера теплового состояния тела. С изменением температуры свойства тел изменяются. Теплота всегда самопроизвольно переходит от более нагретых тел к менее нагретым. Объясняется это тем, что в холодном теле молекулы двигаются медленнее, чем в теплом. При соприкосновении тел в нагретом теле скорость движения молекул уменьшится и температура понизится, а в теле с низкой температурой температура повысится за счет увеличения скорости движения молекул. При нагревании тела расширяются и увеличиваются в объеме. Больше всего расширяются газообразные тела, меньше — твердые.
Пример. Газопровод длиной 100 м при нагревании до 100 градусов С увеличит свою длину только на 12 см; 100 л воды при нагревании до 100 градусов С увеличат свой объем на 4 л. При нагревании газа от 0 до 273 градусов С его объем увеличивается в два раза.
Температуру газа, транспортируемого по газопроводам, измеряют термометрами, шкала которых имеет две постоянные точки: таяния льда (0 градусов С) и кипения воды (100 градусов С).

Детектор изменения скорости потока (датчики наличия расхода)

Часто требуется определение не количественных, а качественных характеристик потока жидкости или газа. К примеру, от устройства необходимо получать сигнал только в случае, если скорость потока отклоняется от номинальной. В данном случае чаще всего используются пороговые расходомеры на основе пьезоэффекта. В потоке устанавливается пара пьезокристаллов, включенных в электрическую цепь навстречу друг другу. Один из кристаллов изолирован от внешнего воздействия, второй находится непосредственно в потоке вещества (Рисунок 7).

Рисунок 7. Схема расположения ключевых элементов порогового расходомера на пьезокристаллах

В случае если кристаллы находятся в одинаковых условиях, заряды на них имеют равную величину и разные знаки, напряжение на резисторе R равно нулю. Если же скорость потока изменяется, возникает изменение заряда на не изолированном кристалле, баланс зарядов нарушается, напряжение на резисторе изменяется — регистрация этого явления позволяет сделать вывод об отклонении скорости потока от номинального значения.

Приборы, в основу которых положен данный метод, как правило, могут быть использованы для анализа как жидких, так и газообразных сред.

Механические расходомеры

К этой группе относится ряд устройств, полностью лишённых электронных компонентов. В расходомерах такого типа скорость потока может измеряться, например, путём определения скорости вращения механической турбины при погружении её в поток. Механические расходомеры довольно дешевы, однако их точность, как правило, не позволяет использовать их в большинстве критичных к этому параметру приложений. Помимо низкой точности, их недостатком является наличие подвижных частей, препятствующих потоку жидкости или газа, что также снижает точностные характеристики приборов данного типа. Однако, это не мешает им широко использоваться в приборах учета расхода воды установленных в квартирах.

Опубликована 04-03-12.
Если вам понравилась статья нажмите на одну из кнопок ниже

Состав природных газов

Физико-химические и теплотехнические характеристики природных газов обусловлены различием в составе горючих компонентов и наличием в газе негорючих газообразных компонентов (балластов) и вредных примесей.

К горючим компонентам относят следующие вещества.

Метан СН4. Содержание метана в природных газах достигает 98 %, и его свойства практически полностью определяют свойства природных газов.

В состав метана входит 75 % углерода и 25 % водорода; 1 м3 метана имеет массу 0,717 кг. При атмосферном давлении и температуре 111 К метан сжижается и его объем уменьшается в 600 раз. Использование и транспортирование сжиженного газа дает большой экономический эффект, позволяет значительно снизить затраты на сооружение газопроводов и помогает решить проблемы, связанные с резервированием газоснабжения в отдельных районах и созданием запасов сырья для промышленности.

Вследствие содержания в метане 25 % водорода (по массе) имеется большое различие между высшей и низшей теплотой сгорания.

Высшая теплота сгорания метана QB составляет 39820 кДж/м3, 9510 ккал/м3; низшая QH – соответственно 35880 кДж/м3, 8570 ккал/м3.

Метан обладает сравнительно низкой реакционной способностью, так как на разрыв четырех связей в молекуле метана требуются большие затраты энергии. Кроме метана в горючих газах могут содержаться этан С2Н6, пропан С3Н8, бутан C4H10. Углеводороды метанового ряда имеют общую формулу СnН2n+2, где n – углеродное число, равное 1 (для метана), 2 (для этана) и 3 (для пропана). Структура молекул этих углеводородов может быть представлена в следующем виде (рис. 1):

Рис. 1. Структура молекул углеводородов

С увеличением числа атомов в молекуле тяжелых углеводородов возрастают их плотность и теплота сгорания.

Оксид углерода СО – бесцветный газ без запаха и вкуса; масса 1 м3 составляет 1,25 кг; теплота сгорания 13250 кДж/м3, 3016 ккал/м3. В газах, содержащих метан и другие углеводороды, увеличение процентного содержания оксида углерода понижает теплоту сгорания газа. Оксид углерода оказывает на организм человека токсическое воздействие, так как легко вступает в соединение с гемоглобином крови. В табл. 1 показано влияние оксида углерода на организм человека при различных его концентрациях в воздухе.

Водород Н2 – бесцветный нетоксичный газ без вкуса и запаха, масса 1 м3 равна 0,09 кг. Он в 14,5 раза легче воздуха, отличается высокой реакционной способностью; водородно-воздушные смеси имеют широкие пределы воспламенения и весьма взрывоопасны.

Таблица 1. Физиологическое воздействие оксида углерода СО на организм человека

Содержание СО в воздухе Длительность и характер воздействия
объем, % мг/л
0,01 0,125 В течение нескольких часов не оказывает воздействия
0,05 0,625 В течение 1 ч нет заметного воздействия
0,1 1,25 Через 1 ч наблюдаются головная боль, тошнота, недомогание
0,5 6,25 Через 20–30 мин оказывает смертельное воздействие

Теплота сгорания водорода составляет: QB – 12750 кДж/м3, 3040 ккал/м3; QH – соответственно 10790 кДж/м3, 2580 ккал/м3. Сгорая в теоретически необходимом количестве воздуха, 1 м3 водорода образует 2,88 м3 продуктов горения.

В негорючую часть газообразного топлива входят азот и диоксид углерода.

Азот N2 – двухатомный бесцветный газ без запаха и вкуса, масса 1 м3 азота равна 1,25 кг. Атомы азота соединены между собой в молекуле тройной связью, на разрыв этой связи расходуется 170200 ккал/моль. Азот практически не реагирует с кислородом, поэтому при расчетах процесса горения его рассматривают как инертный газ.

Диоксид углерода СО2 – бесцветный газ, тяжелый и слабореакционный при низких температурах, имеет слегка кисловатый запах и вкус. Концентрация СО2 в воздухе в пределах 4–5 % приводит к сильному раздражению органов дыхания; 10 %-ная концентрация СО2 в воздухе вызывает сильное отравление. Масса 1 м3 СО2 составляет 1,98 кг. Диоксид углерода тяжелее воздуха в 1,53 раза, при температуре –20 °С и давлении 5,8 МПа превращается в жидкость, которую можно перевозить в стальных баллонах.

В горючих газах могут содержаться также сероводород и кислород.

Сероводород H2S – тяжелый газ с сильным и неприятным запахом, напоминающим запах тухлых яиц, обладает высокой токсичностью. Масса 1 м3 сероводорода равна 1,54 кг; является газообразной кислотой и, воздействуя на металлы, образует сульфиды. Поэтому он сильно корродирует газопроводы, особенно при одновременном содержании в нем H2S, H2O и О2. При сжигании газа сероводород образует сернистый газ, вредный для здоровья. Содержание сероводорода не должно превышать 2 г на 100 м3 газа.

Кислород О2 – газ без запаха, цвета и вкуса, масса 1 м3 кислорода составляет 1,43 кг. Содержание кислорода в газе понижает его теплотворную способность и делает газ взрывоопасным. Поэтому содержание кислорода в газе не должно быть более 1 % по объему.

Все природные газы в большинстве своем не имеют запаха. Чтобы утечки газа были своевременно обнаружены, горючие газы одоризируют, то есть придают им специфический запах, по которому их легко обнаружить даже при незначительных концентрациях в воздухе помещений. Наиболее часто в качестве одоранта применяют этилмеркоптан.

Приборы учета расхода газа

Приборы учета — средства измерений и средства для передачи информации, которые выполняют одну или несколько функций: измерение, накопление, хранение, отображение информации о расходе (объеме), температуре, давлении газа и времени работы приборов.

Расход газа — объем газа, прошедший через поперечное сечение трубопровода за единицу времени, приведенный к стандартным условиям.

Вычислитель расхода — средства измерений, осуществляющие обработку, хранение и отображение информации о расходе и количестве газа, приведенные к стандартным условиям.

Узел учета — комплект средств измерений и устройств, обеспечивающий учет количества газа, а также контроль и регистрацию его параметров.

Потребление газа промышленными, транспортными, сельскохозяйственными, коммунально-бытовыми и иными организациями без использования приборов учета не допускается (п. 21 Правил поставки газа в РФ).

Учет газа организуется с целью:

  • осуществления взаимных финансовых расчетов между поставщиком, газораспределительной организацией и потребителем газа;
  • контроля за расходными и гидравлическими режимами систем газоснабжения;
  • составления баланса приема и отпуска газа;
  • контроля за рациональным и эффективным использованием газа.

Ответственность за надлежащее состояние и исправность узлов учета газа, а также за их своевременную поверку несут владельцы узлов учета. (п. 25 Правил поставки газа в РФ, ст. 15 п. 4 Закона об обеспечении единства измерений).

Средства измерений, входящие в комплект узлов учета газа, должны иметь сертификат Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии (Госстандарт России) об утверждении типа средств измерений и быть поверены в органах Государственной метрологической службы.

Монтаж, эксплуатация и поверка контрольно-измерительных приборов производятся в порядке, устанавленном Законом Российской Федерации «Об обеспечении единства измерений» и действующими нормативными правовыми актами Российской Федерации (п. 24 Правил поставки газа в РФ).

Определение количества газа должно производиться для стандартных условий (ГОСТ 2939-63).

При отсутствии узлов учета газа у потребителя, их неисправности, отсутствии действующего поверительного клейма количество поданного газа определяется по проектной мощности установок, исходя из 24 часов работы их в сутки за время неисправности узлов учета газа (п. 3.9 Правил учёта газа).

Перед первичным пуском газа и началом отопительного сезона узлы учёта газа должны быть приняты в эксплуатацию метрологической службой Поставщика.

Виды приборов учета расхода газа

Приборы учета расхода газа бывают:

  • Бытовыми – такие газовые счетчики обладают пропускной способностью до 10 м3/ч,
  • Коммунально-бытовыми – такие счетчики располагают пропускной способностью от 10 м3/ч,
  • Промышленными – пропускная способность более 40 м3/ч.

Коммунально-бытовые газовые счетчики – наиболее популярный вариант для частного дома, а также для установки в квартире – за счет своей невысокой стоимости и оптимальной пропускной способности он полностью окупает себя в первые же месяцы работы, исправно выполняя учет потребления газа. Гарантийный срок газовый счетчиков такого типа достигает 5 лет, у счетного механизма имеется надежная защита, которая исключает подделки. Сам счетчик выполнен из материалов, способных выдерживать высокую температуру, а проверять счетчик необходимо раз в 10 лет.

Промышленные газовые счетчики устанавливаются в котельных, распределительных газовых узлах, на газовых магистралях. Промышленные газовые счетчики отличаются повышенной прочностью, легки в эксплуатации, устойчивы к механическим повреждениям и не требуют специального обслуживания, работают даже при высоких температурах и давлении.

Рубрики: Статьи

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *