Расходомеры и счетчики количества

Расходомеры и счетчики количества - устройства для измерения количества, расхода и скорости течения жидкостей или газов. Тип используемого для измерений устройства зависит от измеряемой характеристики, величины объемного расхода и требуемой точности измерений. Большинство измерительных устройств этого типа можно отнести, как правило, к одной из следующих трех широких категорий: наполнительные системы, манометрические системы напорного действия и тепловые расходомеры. Ниже описываются примеры таких систем.

Наполнительные расходомеры

В системах наполнительного действия регистрируются времена заполнения жидкостью одной или нескольких камер, объемы которых известны.

Расходомер с качающимся диском

Обычно расходомер с качающимся диском или качающейся пластиной используют для измерения расхода холодной (при температуре не выше 32°С) воды в бытовых условиях, когда не требуется высокая точность измерений. Измерительная камера делится пополам диском, который может свободно качаться, т.е. отклоняться вверх и вниз, совершая машущие движения. Последовательные объемы воды проходят через камеру поочередно над диском и под ним. Механически связанный с диском редуктор приводит в движение счетное устройство, которое регистрирует количество прошедшей жидкости на циферблате, проградуированном в литрах или кубометрах.

Преобразователи расхода

В таких преобразователях расход жидкости определяют по скорости вращения крыльчатки (вертушки), приводимой в действие потоком. Скорость вращения пропорциональна скорости потока. Вращающаяся головка вертушечного расходомера приводит в действие счетное устройство.

Манометрические системы напорного действия

Трубки Пито для течений жидкостей и газов А — манометр статического давления; В — манометр полного давления; С — дифференциальный манометр, измеряющий скоростной напор в миллиметрах ртутного (водяного) столба.

Расходомер Вентури

Дифференциальный манометр является устройством, которым можно измерять разность давлений в двух последовательных точках по тракту трубы. Можно показать, что скорость течения жидкости пропорциональна квадратному корню из этого перепада давления, так что по измеренной разности давлений можно определить расход жидкости. Разность давлений можно определить визуально по разности высот столбов ртути в манометрических трубках или при помощи манометра с сильфонной трубкой Бурдона, который градуируют непосредственно в единицах объемного расхода. Дифманометр может быть снабжен интегрирующим устройством для определения полного объема жидкости, прошедшей за некоторый промежуток времени.

Трубка Пито

Трубки Пито, или приемники полного давления, традиционно применяют для измерения скорости потока (например, на самолетах). Они удобны как для измерений в фиксированной точке, так и для измерения распределений скорости. Жидкость, движущаяся по трубе, будет подниматься в открытой сверху манометрической трубке до высоты h_s. Высота h_s показывает, насколько статическое давление в жидкости больше барометрического (атмосферного), и называется статическим напором. Следовательно, h_s = p_s/rg, где p_s — разность между статическим давлением в потоке жидкости и барометрическим давлением, r — плотность жидкости и g — ускорение силы тяжести. Отметим, что измерительное отверстие в стенке трубы выполняется строго перпендикулярно к направлению течения, и, следовательно, высота подъема жидкости в манометрической трубке характеризует только статическое давление и не зависит от скорости течения.

Если эту трубку опустить внутрь трубы и изогнуть под углом 90°, направив ее приемное отверстие навстречу потоку, то жидкость перед ним будет тормозиться до нулевой скорости. Теперь высота столба будет складываться из статического напора и дополнительной высоты, называемой скоростным напором. Эта сумма называется полным напором. Скоростной напор определяется изменением импульса жидкости перед трубкой при изменении ее скорости от V до нуля.

Скоростной напор равен разности между высотой h_t столба полного напора и высотой h_s. Скорость течения можно вычислить по формуле

Вместо двух трубок А и В можно использовать комбинированную трубку С, и разность высот уровней ртути в двух коленах трубки будет характеризовать скоростной напор. Вследствие более высокой плотности ртути (13,5 г/см³) разность высот ее столбов будет в 1/12,5 раз меньше соответствующей разности высот двух столбов воды и, следовательно, очень длинные трубки не понадобятся.

Если по трубе течет газ, то через измерительную трубку с открытым концом, будет происходить его утечка. Подходящие для этого случая конструкции показаны на рисунке. Вода в U-образной трубке не только изолирует газ от атмосферы, но и служит для определения величины измеряемого напора. Если hв — разность уровней столбов воды в измерительном устройстве, то соответствующую высоту газового столба h_г (напор) можно вычислить по формуле

где r_в и r_г — плотности воды и газа соответственно.

Расходомер Вентури

Расходомер Вентури представляет собой сужение, или горло, в тракте трубопровода постоянного сечения. В горле скорость возрастает, а давление соответственно уменьшается. Разность статических давлений на входе и в горле регистрируется дифференциальным манометром, и расход жидкости определяется по формуле

где Q — объемный расход жидкости, измеряемый в м³/с, А₁ и А₂ — площади поперечных сечений на входе и в горле соответственно, r — плотность жидкости, (p₁ — p₂) — разность статических давлений на входе и в горле и С — определяемый экспериментально коэффициент расходомерного насадка, принимающий значения, как правило, от 0,95 до 0,99. Введение коэффициента насадка отражает потери давления внутри расходомера.

Это уравнение (с равным единице коэффициентом насадка) непосредственно следует из уравнения Бернулли (см. ГИДРОАЭРОМЕХАНИКА) и уравнения неразрывности Q = A₁V₁ = A₂V₂. Член (p₁ — p₂)/r в приведенном уравнении пропорционален разности высот двух столбов ртути. В случае течения газа это уравнение несколько видоизменяется за счет появления дополнительного множителя, учитывающего сжимаемость газа.

Выходной (расширяющийся) конус трубы Вентури предназначен для расширения проходного сечения потока до прежнего значения. Суммарные потери давления в трубе Вентури составляют от 5 до 20%.

Аналогичным устройством для измерения расхода является диафрагма (мерная шайба), или тонкая пластина с круглым калиброванным отверстием в центре, устанавливаемая в поперечном сечении расходной трубы. Диафрагма выполняет ту же роль, что и сужение в расходомере Вентури.

Тепловой расходомер

Газовый расходомер этого типа представляет собой трубу, внутри которой установлен электрический нагреватель. В соответствии с показаниями двух термометров сопротивления, установленных перед нагревателем и за ним, приводится в действие регулятор электрического тока, который автоматически поддерживает постоянную (равную, например, 1°С) разность температур газа в выходном и входном сечениях. Чем больше скорость газа, тем больше потребляемый ток. Так как удельная теплоемкость газа известна, счетчик электрической энергии можно проградуировать в единицах расхода воздуха в м³.