устройств до сих пор оставляет желать лучшего. Однако постоянно повышающие, требования к качеству продукции во многих областях производства обусловлива!й необходимость прямых и точных методов из.мерения расхода. Иногда оправда].., применение даже очень дорогих датчиков.

Измерение расхода базируется на физических свойствах движущейся жидкости связанных либо с массой, либо с объемом. В случае однородной несжимаемой жидко, сти эти два показателя связаны через плотность р

т = р - V

Однако .многие жидкости, применяемые в промышленности, не имеют постоянно!, плотности, или ее трудно определить. Примером является сырая нефть, представляю-П1ая собой на выходе из скважины смесь собственно нефти (которая са.ма но себе-сложная смесь жидких и твердых углеводородов), воды, песка, других сопутствуюши BCHiecTB, растворенного воздуха и пузырьков попутного га.за. Большинство методов из.мерения расхода основано на объемных показателях. Ниже кратко рассмотрены некоторые из них, а также методы, свя.занные с измерением массового расхода. Во.многа.); случаях интерес представляет не только мгновенное .значение расхода, но и общее количество жидкости, прошедшее через точку измерения (напри.мер, для расчета платежей). Измерительный прибор в этом случае называется расходомером {flowmeter).

Измерение объемного расхода

Объемный расход .можно определить на основе скорости истечения потока. Связь .между этими величинами одно.значтю определяется геометрией сечения трубы, где производится из.мерение, поэтому их взаимный пересчет легко выполняется с помощью калибровочной таблицы, поставляемой производителем датчика. Для измерения объемного расхода .можно использовать следуюп1ие физические принципы:

- разность давлений;

- скорость вращения турбины;

- распространение ультразвука в жидкости;

- .магнитную индукцию;

- интенсивность образования вихрей.

Датчики расхода, основанные на измерении разности давлений, работают в соответствии с законом Бернулли. Движуп1аяся в трубопроводе жидкость и.меет постоянный объемный расход во всех сечениях. Даже если трубопровод имеет сужение, то .массовый и объемный расход должны оставаться Одинаковыми. Чтобы удовлетворить законы сохранения энергии и количества движения, в .месте сужения скоростьн статическое давление жидкости должны отличаться от остальных сечений трубопровода. В соответствии с законом Бернулли в месте сужения скорость движения жидкости увеличивается, а давление падает. По величине перепада давления /\р= - р2 можно рассчитать скорость жидкости. Расход пропорционален v3p; коэффициент пропорциональности зависит от геометрии сужения. Для измерения .можно использовать с.мен1ение мембраны, возникающее из-за увеличения давления. Если ме.мбрЗ на соединена с магнитным сердечником дифференциального трансформатора, его выходное напряжение также будет пропорционально разности давлений и, следовательно, расходу жидкости (рис. 4.16 а).

мембрты диффертциальный " трансформатор

датчики давления

Рис. 4.16. Измерение расхода по разности давлений: а - общий подход с использованием сужения трубопровода; 6 - принцип трубки Вентури

В месте сужения всегда присутствуют потери на трение, которые можно у.мень-шить за счет выбора гидродина.мически обтекаемой формы. При.меро.м такого устройства является трубка Вентури (рис. 4.16 б), которая состоит из сужающегося и расширяющегося сопел. Такая конструкция приводит к уменьшению вихреобразова-ния при прохождении потока через наименьшее сечение и позволяет пренебречь потерями на трение. Трубки Вентури обычно исноль.зуются для из.мсрений больших расходов в открытых каналах; однако их стои.мость, как правило, выше, чем стоимость обычных дифференциальных расходомеров.

Расход можно измерить турбиной со счетчико.м частоты вращения, поскольку он нропорционален скорости вращения. Обычно этот принцип при.меияется в расходомерах, которые выдают импульс при прохождении через турбину определенного количества жидкости. Такой измеритель можно использовать только для чистых жидкостей, так как любые твердые частицы будут .мешать вращению турбины.

Простой способ измерения объемного расхода основан на свойствах распространения ультразвука в жидкости. В результате ультразвукового и.з.мерения .можно получить среднюю скорость жидкости, которая определяется по скорости распространения ультразвуковых волн. В предположении, что эта скорость равна средней скорости движения жидкости (скорость считается средней потому, что в действительности она иеравиомерио распределена по сечению и .меняется от точки к точке), объемный расход получается просты.м у.множением полученной скорости на площадь сечения трубопровода.

Ультразвуковое измерение выполняется с помощью двух ньезо.электрических преобразователей, помещенных по ра.зиые стороны трубы иа расстоянии (вдоль оси трубы) ио крайней мере 100 .мм друг от друга; они .могут работать как в режиме излучения (пря.мо.м), так и в режиме отражения (рис. 4.17).

Существуют два основных способа ультразвуковых из.мереиий: одни основан на определении времени прохождения волны через жидкость, другой - на изменении частоты.

Первый способ связан с и.з.мереиием разницы во времени распространения последовательности и.мпульсов в жидкости (скорость звука зависит от вида жидкости; она составляет 344 м/с в воздухе при комнатной температуре и 1483 м/с в воде). Сначала

первый пьезопреобразователь генерирует группу импульсов, а второй принимает затем они меняются ролями: второй преобразователь становится излучателем, аде;, вый - приемником. В одном случае составляюп1ая скорости жидкости v • со5ауве% чивает время пробега волны, в друго.м - уменьшается. Исходя их двух из.меренц; можно определить среднюю скорость жидкости v.

пьезоэлектрические

преобразователи

(излучатели/приемники)

пьезоэлектрический преобразователь (приемник)

направление потока

отражатель

о О

Рис. 4.17. Принцип ультразвукового измерения расхода: а - прямой метод; б - метод отражения

Второй способ основан на разности частот и.злученных и принятых импульсов Составляющая v cosa скорости жидкости влияет на длину волны ультразвуковк! импульсов (эффект Доплера), что означает, что их частота увеличивается в одно! направлении и уменьшается в друго.м. Из разности частот можно найти среднюю скорость жидкости. Достоинство этих способов состоит в том, что ре.зультат не зависит от скорости распространения звука в конкретной жидкости и поэтому не требуется специальной градуировки устройства, поскольку и.змерения в разных направлениях компенсируют друг друга. В обоих случаях, однако, на результат измеренш-влияют неоднородность жидкости, пузырьки или твердые частицьг

Другое преимущество ультразвуковых из.мерений состоит в то.м, что датчики лег ко монтируются на трубе (существуют даже переносные приборы), не требуют из.ме-нения ее конструкции, не влияют на характеристики потока (нет потерь давление в месте установки датчика). Точность и.з.мерении такая же, как и для датчиков другие типов, - в пределах 0.5-1 % от из.меряе.мой величины.

Мапштные датчики расхода работают на основе закона Фарадея, который утвер* дает, что в проводнике, движущемся в магнитном поле, во.зникает э.д.с, величина которой прямо пропорциональна индукции магнитного поля и скорости движения про водника; э.д.с. ориентирована в пространстве нериендикулярно направлению ноля f движению проводника. При .магнитном измерении расхода проводник обра.зуетс* движущимися ионами электропроводящей жидкости; проводимость жидкости дол* на составлять по крайней мере 0.1 мкСм/см. Магнитное поле создается двумя обмог ками, расположенны.ми по разные стороны трубы, питающи.мися переменнььм ил