Средства проведения теплофизических измерений. Средства измерения температур. Классы точности средств измерений

Часть 2

Средства проведения теплофизических измерений

2.1. Средства измерения расхода

Измерение расхода жидкостей и газов является одной из основных составляющих теплофизических измерений, к которым также относятся температурные измерения и измерение давления. Мы начали рассмотрение средств измерения именно с этой группы, так как общий объем теплофизических измерений превышает 70% всех измерений в науке и технике.

Приборы, предназначенные для измерения расхода жидкостей и газов, называются расходомерами. Ниже будет рассмотрено девять типов расходомеров, отличающихся принципом действия.

Расходомеры переменного перепада давления

Основным элементом расходомеров переменного перепада давления  является сужающее устройство (диафрагма или сопло), помещенное в трубопровод с площадью сечения F, по которому со скоростью V_1ср  протекает жидкость (газ) [11]. Проходя через отверстие площадью F₀  (см. рис. 2.1), поток сужается, и на некотором расстоянии за диафрагмой возникает зона максимального сжатия сечением F₁, в пределах которой жидкость движется со скоростью V_2ср. 

Величины давлений до и после сужающего устройства связаны со скоростями протекания жидкости в соответствующих зонах соотношением:

,                                            2.1

где  ρ – плотность вещества;

Р₁ и P₂ – давление до и после сужающего устройства, соответственно.

Площадь сечения максимального сжатия пропорциональна площади отверстия, а зависимость от вида сужающего устройства характеризуется коэффициентом μ’:

.                                                            2.2

Если предположить, что плотность вещества после прохождения сужающего устройства не изменяется, то имеет место равенство:

.                                         2.3

В результате выражение 2.1 может быть записано в следующем виде:

.                           2.4

Отсюда может быть найдено значение скорости потока в сечении F₁:

.                          2.5

Объемный расход Q может быть приведен к сечению максимального сжатия:

.                                                      2.6

Расходомеры подобной конструкции используются для определения стационарных расходов жидкостей и сухих газов на трубопроводах диаметром более 50 мм.

Расходомеры обтекания

В данном типе расходомере осуществляется преобразование скоростного напора в перемещение обтекаемого тела. В качестве примера на рисунке 2.2 показано устройство ротаметра и поршневого расходомера, используемого на нефтепроводах. Давление со стороны обтекающего потока может уравновешиваться либо собственным весом поплавка (поршня) или усилием сжатой пружины.

Тахометрические расходомеры

В зависимости от конструкции выделяют несколько видов тахометрических расходомеров. Рассмотрим наиболее распространенные из них.

Объемный расходомер (рис. 2.3) имеет две лопасти  по форме напоминающие восьмерку (лопасти также могут иметь форму трапеций).

Вещество проходит через расходомер подобной конструкции небольшими «порциями», объем которых равен объему полости образованной стенкой корпуса и впадиной в середине лопасти, поэтому общий расход однозначно определяется числом оборотов лопастей. Счетчик числа оборотов обычно связан с одной из лопастей при помощи магнитной муфты.

Расходомеры подобной конструкции работают даже при очень малых перепадах давления (до 2,5 кг/см²) и могут быть использованы для измерения больших расходов газа.

Принцип действия турбинных расходомеров заключается в том, что протекающая жидкость (газ) приводит во вращение турбинку. Как правило, ось турбинки расположена параллельно потоку (аксиальная турбинка), а скорость ее вращения зависит от скорости потока. По сути, турбинные расходомеры, как и большинство других расходомеров, являются измерителями скорости, но при известном сечении трубопровода определение объемного расхода не составляет труда. Турбинные расходомеры не пригодны для измерения расхода жидкостей, меняющих свою вязкость. Основное отличие различных видов турбинных расходомеров заключается в способе преобразования частоты вращения турбинки в измерительный сигнал. 

В счетчиках Вольтмана [6], которые обычно используются для измерения расхода воды, аксиальная турбинка связана со счетным механизмом через шестеренчатый редуктор. Конструкция этих счетчиков многократно совершенствовалась, однако, относительную погрешность измерения расхода не удается  снизить до значений меньше, чем 5-10 процентов.

Для повышения точности до ±(0,3 – 0,5) % в конструкции турбинных расходомеров используют преобразователи, не имеющие механического контакта с турбинкой – индукционные, индуктивные, фотоэлектрические и оптические.

Принцип действия индукционных тахометрических преобразователей основан на возникновении ЭДС в обмотке катушки, расположенной с внешней стороны трубы из диамагнитного материала, при прохождении возле нее магнита, закрепленного на лопатке турбинки. Для увеличения числа импульсов в катушке при измерении относительно малых расходов магниты можно располагать на каждой лопатки. В одной из существующих моделей турбинка снабжена кольцевым ободом, на котором размещено несколько десятков магнитов.