ВИМІРЮВАННЯ ВИТРАТ План Загальні відомості Вимірювання витрат за перепадом тиску Витратоміри сталого перепаду тиску Об'ємні методи вимірювання витрат (с). 1. Загальні відомості Вимірювання параметрів рідких та газоподібних речовин широко застосовують у різних галузях народного господарства, зокрема, в нафтодобувній промисловості, в нафтопереробних та нафтогазотранспортних системах, харчовій промисловості. Головними параметрами руху потоків рідин та газоподібних речовин є такі витрати, як кількість речовини, що протікає через переріз трубопроводу за одиницю часу, та загальна кількість перенесеної речовини (повні витрати). Розрізняють такі види витрат: об'ємні витрати Qv=V/t (тут V -об'єм, t - час) та масові витрати QM=M/t, де М - маса речовини. Співвідношення між масовими та об'ємними витратами визначається залежністю Qm=?Qv, де ? - густина речовини. Одиницями об'ємних витрат можуть бути м3/с, м3/год, л/с, а масовими - кг/с, кг/год тощо. Вимірювання витрат становлять понад 15 % від усіх промислових вимірювань. Похибки вимірювань витрат в промислових умовах становлять 1 ...2 %, хоча в окремих галузях спостерігається тенденція її зменшення до рівня 0,2...0, 5%. Прилади для вимірювань називаються витратомірами, а для вимірювання кількості речовини - лічильниками кількості або коротко лічильниками. Існує велике різноманіття методів вимірювань та конструктивних різновидів витратомірів і лічильників. Найпоширенішими є витратоміри змінного перепаду тисків з звуженими пристроями, сталого перепаду тиску з перетворенням витрат в силу або переміщення, тахометричні, теплові, індукційні витратоміри. 2. Вимірювання витрат за перепадом тиску Метод вимірювання витрат за перепадом тиску оснований на використанні звужувального пристрою (діафрагма, сопло, труба Вентурі тощо), що створює перепад тиску на ділянці трубопроводу, де встановлений дросельний пристрій для звуження струменя рідини. Як вторинний прилад у даному випадку використовується диференціальний манометр, що вимірює перепад тиску. На рис.1 показана ділянка трубопроводу з дросельним звужувальним пристроєм у вигляді діафрагми, а також характер розподілу тиску вздовж стінки трубопроводу (спільна лінія) та по осі трубопроводу (пунктирна лінія). Починаючи з перерізу А струмінь досліджуваної рідини звужується, а середня швидкість потоку зростає. На деякій ділянці після діафрагми внаслідок інерції струмінь продовжує звужуватися і досягає найбільшого звуження в перерізі В. Внаслідок збільшення швидкості тиск потоку падає і в перерізі В досягає найменшого значення Рв. Після перерізу В струмінь починає розширюватися, швидкість потоку зменшуватися, а тиск зростає до деякого значення Рс, що відрізняється від початкового Ра в перерізі А на величину ?Р.
Рис..1. До принципу дії витратоміра з завужуючою діафрагмою Вимірювальна схема витратоміра даного типу наведена на рис. 2. За допомогою звужувальної діафрагми 1 вимірювані витрати перетворюються в перепад тиску ?Р=Р1-Р2, а у диференціальному манометрі 2 перепад тиску перетворюється в силу Fx, пропорційну різниці цих тисків, а отже, пропорційну квадрату вимірюваних витрат: Fx=kQ . Сила Fx, що діє на важіль осердя 3 диференціально-трансформаторного перетворювача, повертає його на деякий кут, внаслідок чого порушується баланс ЕРС у верхній та нижній вторинних обмотках диференціально-трансформаторного перетворювача, в результаті чого з'являється різниця напруг ?U. Після підсилення ця напруга подається в коло обмотки зворотного феродинамічного перетворювача, в якому створюється компенсувальна сила Fк, пропорційна квадрату електричного струму І, що протікає через обмотки зворотного перетворювача: Fк=kІ
Рис..2. Принципові схеми витратомірів зрівноважувального перетворення Якщо сили Fx і Fk рівні, значення вимірюваних витрат розраховується як
тобто покази міліамперметра в даному випадку будуть пропорційними вимірюваним витратам. Дещо вищу точність мають витратоміри, в котрих різниця тисків ?Р, яка створюється звужувальним пристроєм, урівноважується тиском, що створюється компресором (рис. 2,б). Оскільки тиск, що розвивається компресором К, пропорційний квадрату частоти обертання його ротора, то ця частота, що вимірюється тахометром Т, пропорційна вимірюваним витратам, а загальна кількість обертів ротора, визначена лічильником Л, вказує на кількість речовини, що пройшла через трубопровід. Вимірювання витрат за перепадом тиску є найпоширенішим методом вимірювання витрат рідких та газоподібних речовин в умовах високого тиску (до 100 Па) та високих температур - до декількох сотень градусів за Цельсієм. Недоліком цього методу є порівняно невисока точність. Похибка витратомірів змінного тиску становить 1 ...2 %. 3. Витратоміри сталого перепаду тиску Серед витратомірів сталого перепаду тиску для вимірювань малих витрат рідини (0,01.... 16 м3/г) та газів (0,01....40 м3/г) у вертикальних трубопроводах найпоширенішими є так звані ротаметри. Ротаметр (рис. 3, а)-це вертикальна труба 1 конічного перерізу з розміщеним в ній поплавком 2. Поплавок звичайно має циліндричну форму з нижньою конічною частиною та верхнім бортиком з вирізаними в ньому скісними рівчаками. При протіканні через ці рівчаки досліджуваної рідини остання забезпечує обертання поплавка і його центрування по осі трубопроводу, що усуває її тертя до стінок труби. Під дією струменя досліджуваної рідини поплавок буде підніматися вгору. В міру підняття поплавка площа Sb кільцевого проміжку між ним і внутрішньою поверхнею труби збільшуватиметься до положення, при якому підйомна сила, що діє на поплавок, урівноважиться силою тяжіння поплавка. Отже, певним витратам відповідатиме певна площа Sb кільцевого проміжку, тобто певна висота поплавка.
Рис..3. До принципу дії ротаметрів Звичайно в ротаметрах використовуються скляні конічні трубки, на зовнішній поверхні яких нанесена шкала. Показником служить верхня горизонтальна площина поплавка. Такі ротаметри застосовуються для вимірювання витрат газів та прозорих рідин, що знаходяться під тиском не більше ніж 0,6 МПа. Для вимірювань витрат середовищ, що знаходяться під високим тиском, використовують ротаметри з металевою конічною трубкою. Такі ротаметри звичайно мають диференціально-трансформаторні або пневматичні вторинні перетворювачі. їх класи точності 1,5 та 2,5. 4. Об'ємні методи вимірювання витрат Об'ємні методи основані на принципі послідовного додавання порцій досліджуваного потоку рідини чи газу, що проходить через вимірювальні камери, або на обертанні чутливого елемента (пробірки) під дією струменя досліджуваного середовища. Останній різновид об'ємного методу ще називається тахометричним. За першим принципом будують об'ємні лічильники першої дії, зокрема лічильники з овальними шестернями та ротаційні лічильники, за другим - турбінні (без вимірювальних камер).
Рис. 4. Об’ємні лічильники Лічильник з овальними шестернями (рис.4, а) має вимірювальну камеру, в котрій знаходяться дві овальні шестерні, котрі обкочують одна одну в зустрічних напрямках, оскільки мають зубчасте зачеплення. Крутний момент, що діє на шестерні, виникає під дією різниці тисків до та після вимірювальної камери через овальну форму шестерні. З кожним обертом шестерень переміщується певний об'єм досліджуваного середовища. Згадані лічильники - швидкодіючі. При певних конструктивних розмірах вони дають змогу вимірювати значні об'ємні витрати. А враховуючи специфіку роботи таких витратомірів, можна без особливих ускладнень формувати вихідні сигнали у вигляді імпульсів, пропорційних до об'ємних витрат, струмових та частотних сигналів, що можуть бути використані як для дистанційної передачі вимірювальної інформації, так і в системах контролю та регулювання витрат у технологічних установках. У зв'язку з високою точністю (основна похибка 0,5 %) у широкому діапазоні вимірювальних витрат, незалежністю показів від в'язкості досліджуваного середовища, малими витратами тиску, значним крутним моментом та довговічністю лічильники з овальними шестернями широко застосовуються як побутові витратоміри рідин та газів, а також як первинні перетворювачі в системах управління та регулювання параметрів технологічних процесів. Недоліком таких лічильників є високий рівень акустичного шуму, чутливість до забруднення досліджуваної речовини, що зумовлює необхідність її фільтрації. Основними елементами роторного лічильника є два гладкі ротори у формі вісімки, які обкочують один одного в камері з перерізом неповних кіл (рис.4, б). Ротори з'єднані шестеренчастим редуктором, залитим оливою, з лічильником обертів. Оскільки проміжок між поверхнями роторів не перевищує 0,1 мм, то. при обертанні, яке викликане досліджуваним потоком газу, ротори не торкаються. Роторні лічильники використовують переважно для встановлення на магістральних газопроводах та для вимірювань витрат дорогих газів, їх застосовування доцільне при низькому тиску газу та вимогах порівняно високої точності. Похибка, що не перевищує 1 %, може бути досягнена при врахуванні реальних параметрів досліджуваного газу (температури, тиску, вологості) та безперервній корекції показів відповідно до значення названих параметрів. У розглянених вище об'ємних лічильниках кожному повороту чутливого елемента відповідає точно обмежений об'єм досліджуваного середовища. В лічильниках, які будуть розглянуті нижче, як чутливий елемент використовується турбінка з лопатками, яка обертається під дією, досліджуваного потоку, а кількість її обертів пропорційна об'ємним витратам. Турбінні витратоміри (лічильники) бувають двох типів: з аксіальною турбінкою, вісь якої збігається з напрямком досліджуваного потоку і з'єднана передачею з лічильником обертів, і з вертикальною турбінкою - вісь якої безпосередньо зв'язана з лічильником обертів (рис. 5).
Рис. 5. Турбінні лічильники Принцип дії лічильників обидвох типів оснований на вимірюванні швидкості обертання турбінки під дією досліджуваного потоку. Для безперебійної їх роботи необхідна відсутність завихрень у потоці, що надходить на турбінку. Для цього використовують спеціальні випрямлячі струменя досліджуваної речовини, виконані у вигляді набору трубок або взаємоперпендикулярних схрещених пластин і вмонтованих по перерізу трубопроводу перед турбінкою та після неї. Турбінні лічильники з механічним лічильним механізмом застосовують переважно для вимірювання витрат гарячої та холодної води і встановлюють на трубопроводах з приєднувальними розмірами понад 50 см. Література Поліщук Є.С. Методи та засоби вимірювань неелектричних величин: Підручник. – Львів: Видавництво Державного університету „Львівська політехніка”,2000. – 360с. Об'ємні методи вимірювання витрат Об'ємні методи основані на принципі послідовного додавання порцій досліджуваного потоку рідини чи газу, що проходить через вимірювальні камери, або на обертанні чутливого елемента (пробірки) під дією струменя досліджуваного середовища. Останній різновид об'ємного методу ще називається тахометричним. За першим принципом будують об'ємні лічильники першої дії, зокрема лічильники з овальними шестернями та ротаційні лічильники, за другим - турбінні (без вимірювальних камер).
Рис. 1. Об’ємні лічильники Лічильник з овальними шестернями (рис.1, а) має вимірювальну камеру, в котрій знаходяться дві овальні шестерні, котрі обкочують одна одну в зустрічних напрямках, оскільки мають зубчасте зачеплення. Крутний момент, що діє на шестерні, виникає під дією різниці тисків до та після вимірювальної камери через овальну форму шестерні. З кожним обертом шестерень переміщується певний об'єм досліджуваного середовища. Згадані лічильники - швидкодіючі. При певних конструктивних розмірах вони дають змогу вимірювати значні об'ємні витрати. А враховуючи специфіку роботи таких витратомірів, можна без особливих ускладнень формувати вихідні сигнали у вигляді імпульсів, пропорційних до об'ємних витрат, струмових та частотних сигналів, що можуть бути використані як для дистанційної передачі вимірювальної інформації, так і в системах контролю та регулювання витрат у технологічних установках. У зв'язку з високою точністю (основна похибка 0,5 %) у широкому діапазоні вимірювальних витрат, незалежністю показів від в'язкості досліджуваного середовища, малими витратами тиску, значним крутним моментом та довговічністю лічильники з овальними шестернями широко застосовуються як побутові витратоміри рідин та газів, а також як первинні перетворювачі в системах управління та регулювання параметрів технологічних процесів. Недоліком таких лічильників є високий рівень акустичного шуму, чутливість до забруднення досліджуваної речовини, що зумовлює необхідність її фільтрації. Основними елементами роторного лічильника є два гладкі ротори у формі вісімки, які обкочують один одного в камері з перерізом неповних кіл (рис.1, б). Ротори з'єднані шестеренчастим редуктором, залитим оливою, з лічильником обертів. Оскільки проміжок між поверхнями роторів не перевищує 0,1 мм, то. при обертанні, яке викликане досліджуваним потоком газу, ротори не торкаються. Роторні лічильники використовують переважно для встановлення на магістральних газопроводах та для вимірювань витрат дорогих газів, їх застосовування доцільне при низькому тиску газу та вимогах порівняно високої точності. Похибка, що не перевищує 1 %, може бути досягнена при врахуванні реальних параметрів досліджуваного газу (температури, тиску, вологості) та безперервній корекції показів відповідно до значення названих параметрів. У розглянених вище об'ємних лічильниках кожному повороту чутливого елемента відповідає точно обмежений об'єм досліджуваного середовища. В лічильниках, які будуть розглянуті нижче, як чутливий елемент використовується турбінка з лопатками, яка обертається під дією, досліджуваного потоку, а кількість її обертів пропорційна об'ємним витратам. Турбінні витратоміри (лічильники) бувають двох типів: з аксіальною турбінкою, вісь якої збігається з напрямком досліджуваного потоку і з'єднана передачею з лічильником обертів, і з вертикальною турбінкою - вісь якої безпосередньо зв'язана з лічильником обертів (рис. 2).
Рис. 2. Турбінні лічильники Принцип дії лічильників обидвох типів оснований на вимірюванні швидкості обертання турбінки під дією досліджуваного потоку. Для безперебійної їх роботи необхідна відсутність завихрень у потоці, що надходить на турбінку. Для цього використовують спеціальні випрямлячі струменя досліджуваної речовини, виконані у вигляді набору трубок або взаємоперпендикулярних схрещених пластин і вмонтованих по перерізу трубопроводу перед турбінкою та після неї. Турбінні лічильники з механічним лічильним механізмом застосовують переважно для вимірювання витрат гарячої та холодної води і встановлюють на трубопроводах з приєднувальними розмірами понад 50 см. Література Поліщук Є.С. Методи та засоби вимірювань неелектричних величин: Підручник. – Львів: Видавництво Державного університету „Львівська політехніка”,2000. – 360с.
