Измерение расхода: простое руководство для начинающих

Если вы менеджер по закупкам или инженер-механик, прибор под названием расходомер вы встретите всегда, но не являетесь специалистом в нем. Расходомер используется на горнодобывающих, нефтегазовых, химических и электростанциях. Основное назначение расходомера – измерение количества материала, протекающего в трубопроводах, то есть расчет расхода вещества через заданное сечение потока.

Вот все, что вы узнаете в этом руководстве:

• Что такое измерение расхода 
• Каковы различные типы расходомеров
• Что влияет на расходомер
• Как измеряется расходомер
• Что такое измерение расхода
• Установка расходомера
• Почему мы измеряем поток
• Какой тип расходомера наиболее точен

Скорость потока на определенном участке потока является основным показателем измерения расхода. Чтобы максимизировать эффективность автоматизированного производства, измерение расхода должно быть включено в каждую технологическую схему процесса.

Каждый вид имеет уникальный метод определения скорости потока жидкости. Сегодняшний рынок предлагает пять основных типов расходомеров, включая расходомеры дифференциального давления, расходомеры скорости, объемные расходомеры, массовые расходомеры и расходомеры с открытым каналом.

Существующие расходомеры классифицируются следующим образом:

Расходомеры основаны на гидродинамических методах: переменного перепада давления, переменного уровня, обтекаемого потока, вихревого метода и других.
Расходомер с объектами непрерывного движения: скорость, мощность и т.д.;
В основе расходомеров лежат различные физические явления: тепловые, электромагнитные, акустические, оптические и т.д.     

Каковы два типа расходомеров?

Для новичков мы сначала классифицируем два типа расходомеров в зависимости от состояния среды: газ и жидкость или жидкость. Расходомеры жидкости имеют 5 подкатегорий: расходомер дифференциального давления, расходомер скорости, расходомер прямого вытеснения, расходомер массового расхода и расходомер открытого канала.

Что влияет на расходомер?

Такие переменные, как температура, вязкость, давление и проводимость, могут влиять на точность расходомеров конкретных типов. Качество воды также может быть фактором, определяющим конструкцию расходомера. Знание свойств контролируемого потока – следующий этап выбора расходомера.

Каковы различные типы расходомеров?

В предыдущем пункте мы узнали, что существует 5 основных типов расходомеров, и теперь познакомим их один за другим.

1. Расходомеры перепада давления

Большинство расходомеров воды и газа используют технологию дифференциального давления. Опыт говорит сам за себя в виде многочисленных выступлений. Будь то газ, жидкость или пар, расходомер дифференциального давления может определять количество газов, пара или жидкостей, проходящих через систему. Они находят особую полезность в приложениях, где присутствуют экстремальные давления, температуры или диаметры. Их можно найти в нефтехимической, газовой, электроэнергетической и химической промышленности.

Типичные типы расходомеров дифференциального давления включают:

Диафрагмы

Системы расходомеров с диафрагмами контролируют изменение давления потока от верхнего к нисходящему потоку, когда поток частично затруднен в трубе.

Сопла потока

Сопло потока — это недорогая и базовая конструкция расходомера Вентури. Насадка закреплена между концами материалонесущей трубы. Датчик перепада давления отслеживает снижение давления для расчета расхода.

Трубы Вентури

Расходомеры Вентури контролируют скорость потока жидкости и измеряют изменение давления, вызванное площадью поперечного сечения пути потока.

Ротаметры

Ротаметры — это расходомеры переменной производительности, которые измеряют силу вес воздействие на жидкость путем вращения поплавка, который движется вертикально через коническую трубку. Они часто используются для измерений жидкостей и газов. Ротаметры просты, доступны по цене, контролируют низкие перепады давления, имеют линейный выходной сигнал и широкий спектр условий. 

2. Измеритель скорости потока

Скорость потока измеряется расходомерами скорости. Они генерируют показания, отслеживая глубину потока и среднюю скорость воздуха, что позволяет инженерам поддерживать соответствующий поток на протяжении всего потока. Диапазон скоростных расходомеров выше, чем у расходомеров дифференциального давления. Существуют пилотные трубки, калориметрические, турбинные и электромагнитные расходомеры скорости.

Пилотная трубка

Расходомеры с пилотной трубкой, используемые в системах вентиляции и кондиционирования воздуха, измеряют скорость потока путем преобразования кинетической энергии в потенциальную.

Калориметрические расходомеры

Калориметрические расходомеры, также известные как мониторы теплового потока, определяют различие между непрерывным и контролируемым нагревом, используя принципы теплопередачи. Первый датчик контролирует температуру нагревательного элемента, а второй измеряет температуру жидкости.

Турбины

Турбинные расходомеры используются с чистыми и вязкими жидкостями с точностью до 0.5% для измерения скорости вращения турбины. Они имеют ротор со множеством лопастей, расположенных перпендикулярно потоку. Выходная частота представляет собой синусоидальную или прямоугольную волну. На них можно ставить разделители сигналов, но только взрывозащищенных категорий.

Электромагнитные расходомеры

Электромагнитные расходомеры, иногда называемые магнитными расходомерами, представляют собой объемные устройства, в которых используется закон электромагнитной индукции Фарадея.

Вихревые расходомеры

Вихревые расходомеры оценивают скорость потока, помещая барьер непосредственно в канал потока, заставляя жидкости или газы обходить препятствие. Обтекание барьера создает два симметричных вихря на противоположной стороне, изменяя давление потока. Между вихрями датчик потока фиксирует колебания давления.

Ультразвуковые расходомеры

Ультразвуковые расходомеры рассчитывают объем потока путем измерения скорости жидкости с помощью ультразвука. Существует две разновидности ультразвуковых расходомеров: линейные и накладные. Линейные ультразвуковые счетчики состоят из двух комплектов ультразвуковых устройств, ориентированных противоположно и помещенных в подающую трубу. В зажимных устройствах используются одни и те же два компонента, но ни одно из них не помещается в трубу.

Гидравлические расходомеры

Гидравлические расходомеры используются для тестирования, диагностики и обслуживания гидравлических систем путем измерения скорости потока или объема жидкости в гидравлической системе. Они оценивают эффективность и результативность системы и устраняют любые возникающие проблемы.

Расходомеры воздуха

Расходомеры воздуха контролируют давление и скорость воздуха. Они подходят для получения быстрых и последовательных измерений систем вентиляции и для мониторинга процессов.

3. Поступательный расходомер (расходомеры PD)

Расходомеры прямого вытеснения используют роторы в качестве датчиков для обнаружения потока вязкой жидкости. При использовании лопастей, шестерен, поршней или диафрагм воздушный поток вытесняется. Вращение роторов пропорционально объему потока. Они используются для измерений, когда прямая труба недоступна, или в качестве замены турбинных счетчиков и лопастных датчиков, когда поток слишком турбулентный.

4. Массовые расходомеры

Объемный расход рассчитывается путем деления массового расхода на плотность жидкости с помощью массового расходомера. Он использует эффект Кориолиса — силу инерции, которая действует на движущиеся объекты внутри заданной точки отсчета. Термальный массовый расходомер оснащен двумя датчиками для контроля температуры: активным тепловым датчиком для измерения потерь тепла в жидкости и расходомером для расчета расхода.

Массовые расходомеры газа или расходомеры Кориолиса основаны на механике движения и эффекте Кориолиса. Когда жидкость попадает в датчик, она разделяется, в результате чего трубки датчика вибрируют и создают синусоидальную волну. Массовый расход определяется задержкой времени между колебаниями двух трубок. Они используются для проверки утечек и измерения низких скоростей потока.

5. Расходомеры открытого канала.

Цифровые расходомеры — это любые устройства с цифровым дисплеем, измеряющие расход. Поставщики электроэнергии используют стандартный цифровой счетчик для отслеживания потока энергии в вашем доме и передачи статистики вашего использования электротехнической компании, которая использует эту информацию для выставления вам счетов.

Дополнительные типы расходомеров

Шламы, вода и другие жидкости в закрытых трубах измеряются с помощью расходомеров воды. Для выражения расхода используются литры или кубические метры.

Расходомеры топлива подсчитывают объем перемещаемой жидкости. Пользователь может видеть на механическом или цифровом дисплее, сколько топлива было передано во время транзакции.

Пикфлоуметры оценивают емкость легких и используются для лечения проблем с дыханием. Вдыхая воздух в мундштук, который записывает объем вдыхаемого за минуту воздуха в литрах, портативный недорогой гаджет оценивает емкость легких.

Оператор может видеть жидкость, проходящую через трубу, благодаря индикаторам потока. Они являются компонентом промышленного процесса, который требует мгновенного наблюдения за потоком внутри трубы, и иногда их называют индикаторами потока. Масса или скорость потока не рассчитываются и не измеряются расходомерами. Они представляют собой самый простой тип расходомеров и не имеют движущихся компонентов. Их часто называют индикаторами простого обзора.

Как измеряется расходомер?

Различные типы расходомеров имеют разные принципы работы, поэтому давайте узнаем, как измеряется расходомер каждого типа. 

1. Принцип работы расходомера/диафрагмы дифференциального давления

Расход определяется в устройстве дифференциального перепада давления путем измерения перепада давления на засорах, вставленных в поток. Расходомер дифференциального давления основан на уравнении Бернулли, которое утверждает, что падение давления и последующий измеренный сигнал являются функциями квадрата скорости потока.

ДП(△P) = ρv² / 2 (1)

в котором

DP(△P) = перепад давления (Па, фунт на квадратный дюйм)

ρ = Плотность жидкости (кг/м³, пули/фут3)

v = Скорость потока (м/с, дюйм/с)

Обратите внимание, что вместо слова «давление» принято использовать «голова». 

h = DP/γ (2)  

в котором

h = напор (м, дюйм)

γ = удельный вес (Н/м3, фунт/фут3)

2. Принцип действия расходомера переменного уровня.

Жидкость непрерывно закачивается в сосуд и одновременно вытекает из отверстия в дне или боковой стенке. Расходомеры переменного уровня основаны на взаимосвязи между расходом и высотой уровня в сосуде. Главный преобразователь представляет собой емкость с отверстием площадью S. Измеряется уровень жидкости по высоте емкости, а расход, являющийся коэффициентом расхода, определяется из соотношения и не зависит от плотности жидкости.

Щелевые расходомеры, представляющие собой крошечные переливы в стенке сосуда, в который непрерывно подается жидкость, часто используются для измерения расхода жидкости в открытых каналах (лотках). Высота уровня жидкости над нижней кромкой щели определяет скорость потока. Расходомер этого типа имеет следующие характеристики, которые определяются формой поперечного сечения щели: Расход для прямоугольной щели шириной b1 и высотой b2 рассчитаны профили b1(b2), на которые они накладываются, и установлена ​​линейная зависимость установлено.

3. Принцип действия ротаметра-расходомера.

Первичный преобразователь в расходомерах обтекаемой формы воспринимает динамическое давление потока и перемещается под его действием на величину, пропорциональную расходу. Наиболее распространенными являются расходомеры с постоянным перепадом давления, в которых обтекаемое тело скользит вертикально, а вес тела создает противодействующую силу.

К ним относятся расходомеры Rotameters, а также расходомеры поплавкового и поршневого типа (шиберно-клапанные). Ротаметры изготавливаются в виде вертикальной конической (конусность 0.001-0.01), расширяющейся вверх стеклянной трубы, на которой созданы градуировки, внутри трубы движется поплавок с наклонными ребрами на ее верхнем крае.

Поплавок поднимается и вращается под действием потока, гарантируя, что поплавок окажется в центре потока. Высота подъема поплавка z определяет объемный расход жидкости. Он пропорционален размеру круглого зазора Sc(z) между стенками трубы и поплавком и зависит от параметров поплавка (объема Vf, площади миделя Sf = (/4)df2 и плотности материала поплавка (f) .

В определенных настройках измерения, зависимость Sc(z) практически линейна для малых углов конусности трубы. Где A определяется первоначальной калибровкой. Поплавковые расходомеры работают таким же образом. Под действием динамической головки поршень в расходомере поршневого типа перемещается во втулке со специально сформированными окнами, через которые жидкость вытекает с расходом. .

4. Принцип действия вихревого расходомера. 

Рассчитана частота колебаний давления или скорости, возникающих при поперечном обтекании тела (цилиндра, призмы, пластины) и зависящая от скорости потока в вихревых расходомерах. Число Струхаля Sr = du^-1f связывает частоту f со средней скоростью обтекания u и размером тела d. Расход для площади проходного сечения S = (π/4)D2 определяется соотношением

Sr = const обеспечивает пропорциональность между и f, которое достигается при обтекании цилиндра в диапазоне 10⁴ ≤ Ро ≤ 2 × 10⁵ (Ro = ωd/u — число Россби). Это гарантирует, что наблюдаемый расход имеет широкий диапазон..

Однако ограничено обстоятельствами устойчивого вихреобразования (например, скорость воды u > 0.2 м/с). Обычно используются первичные трансформаторы со значениями d/D от 0.15 до 0.2 (D — диаметр трубопровода). Пульсации давления преобразуются в электрический сигнал с помощью пьезокерамических датчиков давления. Погрешность измерения расхода оценивается в 0.5-1.5%.

5. Принцип действия турбинного расходомера. 

Тахометрические расходомеры имеют вращающийся элемент, скорость измерения которого пропорциональна объемному расходу.

Широкое применение нашли расходомеры в форме миниатюрной турбины, при этом частота вращения турбины определяется измерением частотомером числа электрических импульсов в единицу времени. Турбинные расходомеры изготавливаются либо в виде малой осевой турбины (турбинный расходомер с вращением по направлению потока) с лопастями рабочего винта с переменным углом спирали, либо в виде тангенциальной малой турбины (турбинный расходомер с вращением, перпендикулярным направлению потока) с плоскими, радиально расположенными лопастями. . В качестве подвижного элемента шаровых расходомеров шар перемещается по контуру закрученным потоком с помощью пропеллерной направляющей.

Мощные расходомеры измеряют значение параметра, который описывает, как сила действует на поток, причем воздействие силы пропорционально массовому расходу. Сила увеличивает скорость потока. Расходомеры делятся на три категории по типу ускорения: турбомощные расходомеры, кориолисовы расходомеры и гироскопические расходомеры.

• В расходомерах с турбонаддувом используется либо стационарный шнек, либо внешнее воздействие (например, ротор с электродвигателем) для завихрения потока.

• Расходомеры Кориолиса испытывают ускорение Кориолиса под действием силы.

• Гироскопические расходомеры, измеряющие гироскопический момент.

Крутящий момент на вращающемся валу контролируется и обратно пропорционален массовому расходу в расходомере, изображенном на расходомере Turbo-power.

6. Принцип действия теплового расходомера.

Тепловые расходомеры основаны на расходе количества тепла, полученного жидкостью, вытекающей из нагревателя. На участке трубопровода в поток вводят нагреватель (обычно электрический) и регистрируют его мощность W, а также разницу температур потока ΔT = Tout – Tin на входе и выходе. Массовый расход следовательно, пропорциональна мощности нагрева W при постоянном ΔT. Поскольку на коэффициент К влияют потери тепла в окружающую среду, неравномерность распределения скорости по сечению трубопровода и другие факторы, была проведена предварительная калибровка. Когда расходомер тщательно изготовлен и откалиброван, он может обеспечить точное измерение расхода ±(0.3-0.5)% и может использоваться в качестве эталона для проверки и калибровки других расходомеров. Термоанемометрический метод определяет локальную скорость путем измерения температуры горячей проволоки или горячей пленки, на которую подается постоянный ток. Используя существующие соотношения, эту локальную скорость можно затем связать со средней скоростью.

7. Принцип действия электромагнитного расходомера.

При измерении расхода жидкости электромагнитным расходомерам обычно требуется проводимость не менее 103 Ом/м. Их работа зависит от взаимодействия поперечного магнитного поля и движущейся токопроводящей жидкости. В этом случае магнитная индукция поперечного поля B, скорость потока жидкости V и расстояние D между электродами вносят вклад в электромагнитную силу E, возникающую в жидкости (расположенную по нормали как к вектору скорости жидкости и вектору напряженности магнитного поля). D равен внутреннему диаметру трубы. 

Источник тока (E) обозначается

К преимуществам электромагнитного расходомера относятся его способность измерять абразивные, особо вязкие и агрессивные жидкости, а также независимость от вязкости и плотности материала, отсутствие потерь давления, линейность шкалы и высокая скорость срабатывания. Но он не в состоянии измерить скорость потока газов, Испарения, или диэлектрики.

Установка расходомера

Измерение расхода является постоянной обязанностью каждого сектора, поэтому расходомеры стали настолько важными. Расходомер должен быть правильно размещен, чтобы предоставлять точные и достоверные данные.

Ниже приведены некоторые из наиболее важных мер, которые необходимо предпринять при установке расходомера:

• Определитесь с местом, где он будет установлен.
• Его нельзя устанавливать в местах с высокой вибрацией или магнитными полями.
• Поймите направление потока.
• Избегайте нисходящего потока при операциях с жидкостями.
• Его необходимо монтировать на прямой трубе.
• Убедитесь, что он полностью заполнен жидкостью.
• Осмотрите линии жидкостей и газа на наличие паров или воздуха и капель соответственно.
• Перед счетчиком следует установить фильтр для улавливания твердых частиц, если это вообще возможно.
• Учитывайте расширение трубы.
• Поддерживайте обводную линию на случай необходимости ремонта.

Почему мы измеряем поток?

Объем жидкости, который проходит через определенную площадь поперечного сечения в единицу времени, определяется как скорость потока. Точное измерение расхода с помощью подходящего расходомера имеет решающее значение для обеспечения бесперебойной, безопасной и экономичной работы систем контроля жидкости.

Какой тип расходомера наиболее точен?

Считается, что наиболее повторяемо точными расходомерами, доступными в настоящее время, являются расходомеры сверхвысокой точности, такие как расходомеры Кориолиса. Когда высокая точность необходима для поддержания постоянного уровня качества, безопасности и прибыльности продукции, кориолисовы расходомеры являются лучшим выбором. в целом стоят дороже, чем любая другая проточная технология. Расходомер с точностью 5%, который намного дешевле, чем другой расходомер с точностью 0.2%, может обеспечить достаточные результаты для бесперебойной работы вашего процесса и обеспечить значительную экономию средств. Понимание точных требований к точности для вашего приложения и проблем точности и бюджета иногда может быть сложной задачей. Вы можете получить бесплатную помощь от наших инженеров по продажам в поиске идеального решения для вашего приложения.

Заключение

Расходомер не так уж и сложен. Вам просто нужно изучить базовую терминологию, категории и принципы работы. Углубитесь и узнайте, нужно ли вам из реального выбора или используйте приложение столько, сколько вам нужно, вы быстро справитесь или станете экспертом в ближайшее время. 
Хотите узнать больше о промышленных клапанах? Чтение следующих статей поможет вам расширить свои знания о процессах автоматизации. 

Каковы основные соображения при выборе материала пневматического регулирующего клапана?

Регулирующие клапаны 101: типы клапанов, области применения, компоненты и принадлежности

Регулирующие клапаны с позиционером клапана

Какие данные следует учитывать при расчете и выборе регулирующей арматуры?