Методы и средства измерения расхода Расход — количество вещества (объем, масса), проходящего в единицу времени через сечение трубопровода.
Расходомер — это прибор, который измеряет расход жидкости, пара или газа.
Счетчик количества (счетчик) — прибор, который измеряет объем вещества (массу) пара, жидкости или газа.
Счетчик-расходомер — это прибор, который измеряет количество и расход вещества (жидкости, газа, пара).
Вышеперечисленные термины используются в сочетании с названием измеряемых веществ, например: расходомер пара, расходомер воды со счетчиком, счетчик газа.
Преобразователь расхода — устройство, которое непосредственно воспринимает расход (это может быть мембрана, диафрагма, напорная трубка сопло) и преобразует его в величину, удобную для измерения (к примеру, в перепад давления).
Количество вещества прошедшего через устройство может измеряться единицах объема (м3, см3 …), в единицах массы (кг, тн, г …).
Массовый расход вещества gm это расход массы в единицу времени (кг/с, кг/ч ...).
Объемный расход вещества go это расход объема в единицу времени (м3/с, м3/ч ...).
Величина объемного расхода газа приводится к стандартным показателям: температура = 293,15 К, давление = 760 мм рт. ст., так как количество вещества (газа, пара) в единице объема зависит от давления и температуры.
Расходомеры необходимы, прежде всего, для управления производством. Без них нельзя обеспечить оптимальный режим технологических процессов в энергетике, металлургии, в химической, нефтяной, целлюлозно-бумажной и многих других отраслях промышленности. Эти приборы требуются также для автоматизации производства и достижения при этом максимальной его эффективности.
Расходомеры нужны для управления самолетами и космическими кораблями, для контроля работы оросительных систем в сельском хозяйстве и во многих других случаях. Кроме того, они требуются для проведения лабораторных и исследовательских работ.
Счетчики жидкости и газа необходимы для учета массы или объема нефти, газа и других веществ, транспортируемых по трубам и потребляемых различными объектами. Без этих измерений очень трудно контролировать утечки и исключать потери ценных, продуктов. Снижение погрешности измерений хотя бы на 1 % может обеспечить многомиллионный экономический эффект.
Прибор, измеряющий расход вещества, называется расходомером, а массу или объем вещества — счетчиком количества или просто счетчиком (ГОСТ 15528-86). Прибор, который одновременно измеряет расход и количество вещества, называется расходомером со счетчиком. К этим терминам следует добавлять название измеряемого вещества; например: расходомер газа, счетчик воды, расходомер пара со счетчиком
Устройство, непосредственно воспринимающее измеряемый расход (например, диафрагма, сопло, напорная трубка) и преобразующее его в другую величину (например, в перепад давления), которая удобна для измерения, называется преобразователем расхода.
В настоящее время к расходомерам и счетчикам предъявляется много требований, удовлетворить которые совместно достаточно сложно и не всегда возможно.
Имеются две группы требований. К первой группе относятся индивидуальные требования, предъявляемые к приборам для измерения расхода и количества; высокая точность, надежность, независимость результатов измерения от изменения-плотности вещества, быстродействие и значительный диапазон измерения. Ко второй группе относятся требования, которые характеризуют всю группу расходомеров и счетчиков; необходимость измерения расхода и количества очень разнообразной номенклатуры вещества о отличающимися свойствами, различных значений расхода от очень малых до чрезвычайно больших и при различных давлениях и температурах.
Рассмотрим основные требования.
1) Высокая точность измерения — одно из основных требований, предъявляемых особенно к счетчикам и дозаторам. Если раньше погрешность измерения в 1,5 —2 % считалась нормальной и достаточно удовлетворительной, то в настоящее время нередко требуется иметь погрешность не более 0,2 —0,5 %. Повышение точности достигается как за счет применения новых прогрессивных методов и приборов (тахометрических, электромагнитных, ультразвуковых и т.п.), так и за счет совершенствования старых классических методов. К числу наиболее точных относятся камерные счетчики жидкости (в частности, с овальными шестернями и лопастные). Погрешность первых не более 0,5 %, а вторых даже не более 0,2 % от измеряемой величины. Расходомеры и счетчики о сужающими устройствами менее точны. Снижение их погрешности достигается с помощью износоустойчивых диафрагм, а также при повышении точности дифманометров и применении вычислительных устройств для учета изменения плотности вещества.
2) Надежность (наряду с точностью) — одно из главных требований, предъявляемых к расходомерам и счетчикам количества. Основным показателем надежности является время, в течение которого прибор сохраняет работоспособность и достаточную точность. Это время зависит как от устройства прибора, так и отего назначения и условий применения.
Тахометрические приборы, элементы которых при измерении непрерывно движутся, имеют меньший срок службы. Так, у турбинных расходомеров износ оси и опор будет тем меньше, чем лучше смазывающая способность измеряемого вещества и чем оно чище. Для повышения надежной работы этих расходомеров необходимо применение фильтров или других очистных устройств. В технических условиях на некоторые тахометрические расходомеры турбинного типа указывается шестилетний срок нормальной работы.
3) Большой диапазон измерения (Qmax/Qmin) необходим, когда значения расхода могут изменяться в значительных пределах. У приборов с линейной характеристикой, например электромагнитных, этот диапазон равен восьми — десяти. У расходомеров с сужающими устройствами он очень мал и равен трем. Повысить его до девяти-десяти можно путем подключения к сужающему устройству двух дифманометров с разными Dpmax. У тепловых расходомеров можно посредством изменения мощности нагревателя получить многопредельную шкалу с очень большим общим диапазоном измерения. Требования к расходомерам, ротаметрам, счетчикам
Требования к расходомерам различаются в зависимости от приоритета решаемых задач. Можно выделить нескольео основных характеристик расходомеров и счетчиков:
- надежность;
- точность измерения;
- влияние изменения плотности вещества;
- быстродействие;
- диапазон изменения;
- возможность измерения расхода в критических условиях;
- способность измерять потоки различных веществ.
В реальные приборы не могут сочетать в себе все вышеперечисленные требования одновременно. Поэтому при выборе расходомеров (счетчиков) потребитель будет исходить из приоритетности требуемых характеристик к измерению расхода (количества) вещества.
1.Надежность: время, в течение которого прибор безотказно работает и показывает изначальную точность. Это зависит от производителя и модели (типа) расходомера или счетчика и от условий его эксплуатации. Например, ротаметры рассчитаны на срок работы не менее 10 лет. Меньший срок службы у тахометрических счетчиков и расходомеров, так как у них движущийся ротор и высокая зависимость от чистоты измеряемой жидкости и ее смазывающих характеристик. Ряд турбинных расходомеров имеют 6-летний межповерочный период.
2. Точность измерения: принципиальная характеристика, особенно при измерении не мгновенного расхода, а массу или объем проходящего вещества. Погрешность в пределах 0,2-0,5 % считается нормой, хотя в прошлом погрешность 1,5-2 % была достаточной. 0,2-0,5 %-достаточно малая погрешность, измеряемая лопастными, ролико-лопастными счетчиками жидкостей. В трубопроводах больших диаметров как правило используют расходомеры с сужающими устройствами. Для улучшения точности применяют преобразователи температуры, давле¬ния или плотности. От преобразователей сигналы поступают в программные устройства, которые корректируют показания расходомера. Некоторые вихревые, тахометрические, ультразвуковые, электромагнитные расходомеры имеют точность измерения в пределах 0,25-1,0 %, но лишь отдельные расходомеры из них можно применять в трубопроводах с большим диаметром.
3. Незначительная погрешность измерения при изменении плотности вещества. Только тепловые (массовые) расходомеры способны относительно точно давать показания расхода при варьирующейся плотности вещества. Для расходомеров других конструктивных принципов измерения необходимы устройства корректирующие меняющуюся температуру, плотность, давленияе измеряемой среды (для измерения расхода газа это принципиальный вопрос).
4. Быстродействие прибора (динамические показатели) актуально в устройствах автоматического регулирования потока (расхода) при измерении часто меняющихся расходов. Динамические показатели принято оценивать величиной постоянной времени Т расходомера (это время, за период которого показания резкого перепада расхода меняется на 2\3 от величины. Градация быстродействия достаточно велика: от Т, измеряемого сотыми и тясячными секунды у расходомеров турбинных, до Т в десятки сек. у расходомеров тепловых. Для повышения динамических показателей у тепловых расходомеров используют дифференцирующие измерительные схемы. Промежуточное положение занимают расходомеры с СУ. Величина времени Т у них будет падать в зависимости от уменьшения длины соединительных трубок, измерительного объема дифманометра и предельного перепада давлений.
5. Широкий диапазон изменения. Широкий диапазон: у расходомеров, имеющих линейную характеристику он варьируется от 8 до 20 и более, а у расходомеров с сужающими устройствами с квадратичными характеристиками, диапазон измерения находится в пределах от 3 до 10. В отдельных случаях диапазон измерения можно увеличить до 16, присоединив к сужающему устройству 2 дифманометра с разными ΔPmax
Предпочтительнее с точки зрения простоты измерять средние расходы. Труднее всего считывать самые малые и самые большие потоки (расходы).
6. Возможность измерения расхода в критических рабочих условиях при экстремально низких до -255°С (криогенные жидкости) и экстремально высоких температурах (перегретый пар сверхвысокого давления до +600°С). Такие условия предполагают более жесткие требования к конструкции расходомеров, что в конечном итоге сказывается на стоимости оборудования.
7. Способность расходомеров (счетчиков) измерять потоки (расходы) различных веществ. Измеряемая среда может быть не однородной и состоять из нескольких компонентов. В настоящее время актуальность приобретает вопрос расхода или измерения потока 2-фазных и более сложных.
Примеры двух-фазных сред:
• водогрунтовая смесь (гидросмесь или смесь твердой и жидкой фаз)
• пылеугольное топливо (смесь твердой и газообразной среды)
• влажный насыщенный пар (смесь газа и жидкости)
Измерение расхода в 2-х фазных, 3-х фазных и более смесей технологически непростая, но решаемая задача.
