Силовыми называют расходомеры, основанные на зависимости от массового расхода эффекта силового воздействия, сообщающего потоку ускорение того или другого рода. Ускорение, возникающее в процессе придания потоку какого-либо дополнительного движения, пропорционально массовому расходу. Измеряемый параметр, например, мощность, затраченная на закручивание потока, пропорциональна измеряемому расходу, поэтому силовые расходомеры измеряют массовый расход.
Различают:
- расходомеры с внешним силовым воздействием - дополнительное движение потоку сообщается от внешнего источника, как правило, от электродвигателя, который приводит в непрерывное вращение один из элементов преобразователя расхода, например, прямолопастную крыльчатку, закручивающую проходящий через нее поток;
- расходомеры с внутренним силовым воздействием - дополнительное движение потоку сообщается за счет потенциальной энергии потока, например, при его закручивании неподвижными винтовыми лопатками.
В зависимости от характера силового воздействия и сообщаемого при этом ускорения расходомеры делят на:
- кориолисовые массовые расходомеры;
- гироскопические расходомеры;
- турбосиловые расходомеры.
Кориолисовые расходомеры
Наибольшее распространение получили кориолисовые массовые расходомеры. Силовое воздействие в них создается за счет ускорения Кориолиса, которое возникает на измерительном участке расходомера. Для образования этого ускорения непрерывно вращающемуся преобразователю расхода придают особую конфигурацию, заставляющую поток перемещаться в радиальном направлении по отношении к оси вращения, совпадающей с осью трубопровода.
Кориолисовый расходомер предназначен для измерения массового и вычисления объемного расхода жидких и газообразных сред, благодаря чему используется в различных областях промышленности, а также в системах коммерческого учета.
Основными элементами являются две расходомерные трубки, на которых расположены:
- силовая электромагнитная катушка возбуждения и магнит;
- два тензодатчика с магнитами и электромагнитными катушками;
- терморезистор.
Рисунок 1 – Кориолисовый силовой расходомер
Принцип действия кориолисовых массовых расходомеров основан на изменениях фаз механических колебаний U - образных трубок, по которым движется измеряемая среда. Этим трубкам посредством катушки сообщается колебательное движение, из-за чего в системе возникает дополнительная сила инерции – сила Кориолиса, которая сопротивляется вибрации расходомерных трубок. В результате чего трубки начинают изгибаться (наглядно это сопротивление Вы можете чувствовать, когда гибкий шланг извивается под напором подаваемой в него воды). Их изгиб фиксируется датчиками. При одновременном снятии сигналов происходит смещение по фазе. Это относительное запаздывание прямо пропорционально массовому расходу.
Резонансная частота трубки зависит от её массы. Общая масса состоит из: массы самой трубки, которая постоянна для данного датчика, и массы измеряемой среды в трубке, которая равна произведению плотности среды и внутреннего объема трубки. Но так как объем трубки - это константа для данного типоразмера датчика, то резонансная частота колебаний трубки может быть привязана к плотности среды и определена путем измерения резонансной частоты колебаний, периода колебаний трубки и температуры. Температура определяется с помощью термосопротивления.
Поперечные принудительные колебания труб:
- Перемещение труб в отсутствии движения жидкости
- Направление кориолисовых сил при наличие движения жидкости в сенсоре (направление Fc в потоке)
- Перемещение труб в отсутствие движения жидкости
- Направление кориолисовых сил при наличие движения (направление Fc в потоке)
Рисунок 2 - Поперечные принудительные колебания труб.
Рисунок 3 - Структурная схема измерения массового расхода
Рекомендации по установке:
Для расходомеров данного типа не существует требования подвода и отвода жидкости по прямым трубам к расходомеру, чтобы подготовить поток.
Прибор должен быть установлен так, чтобы он был постоянно заполнен и чтобы не образовывалось воздушных пробок в системе. Наиболее предпочтительная схема установки является вертикальная с направлением движения потока вверх, но установка в горизонтальных линиях тоже приемлема. Установка в вертикальном положении с направлением движения потока вниз не рекомендуется.
В новейших конструкциях Кориолисовых расходомеров нормальная вибрация трубопровода не должна создавать помехи прибору, если он правильно установлен в трубопроводе. Прибору не требуется дополнительных суппортов, но стандартные конструкции суппортов должны быть расположены по обеим сторонам от прибора. Если в инструкции по установке упоминаются дополнительные средства, то вероятно, что этот прибор чувствителен к вибрации, и пульсационные демпферы, гибкие соединения и специальные разъемы, рекомендованные производителем должны быть установлены в надлежащем порядке.
Если существует большая вероятность присутствия пузырьков воздуха в жидкости, то рекомендуется установить воздушный дегазатор перед входом в расходомер. Рекомендуется устанавливать фильтры или воздушные дыхательные клапаны для отвода воздуха или паров, т. е для удаления всех нежелательных вторичных фаз.
Обязательным требованием настройки расходомера (установки на нуль) является отсутствие воздуха в системе.
Кориолисовый расходомер имеет ряд достоинств, из которых можно выделить:
- высокую точность;
- повторяемость результатов измерений;
- не требуются прямые участки;
- работают вне зависимости от направления потока;
- нет затрат на установку вычислителей расхода;
- нет необходимости в периодической перекалибровке и регулярном техническом обслуживании;
- могут работать от разных источников питания с помощью самопереключающегося встроенного блока питания;
- надёжная работа при наличии вибрации трубопровода, при изменении температуры и давления рабочей среды;
- длительный срок службы и простота обслуживания благодаря отсутствию движущихся и изнашивающихся частей.
Но основным достоинством данных расходомеров является возможность их применения для измерения расхода многофазных сред. Так, например, имеются конструкции силовых расходомеров для измерения расхода нефтегазовых смесей.
Гироскопические расходомеры.
Гироскопическими называют расходомеры, в которых под влиянием внешнего силового воздействия возникает и затем измеряется гироскопический момент, зависящий от расхода. Первичный преобразователь такого расходомера состоит из участка трубы в виде петли кольцевой или другой формы, вращающейся с постоянной угловой скоростью вокруг оси. Для данных расходомеров характерен большой диапазон измерения, что является их основным достоинством.
Турбосиловые расходомеры.
Турбосиловыми называют силовые расходомеры, в преобразователе которых в результате силового воздействия, пропорционального массовому расходу, поток закручивается.
Рисунок 4 – Принципиальная схема турбосилового расходомера.
На рисунке 4 показана принципиальная схема турбосилового расходомера при внешнем силовом воздействии. Внутри трубопровода 2 установлен ротор 3 с малым радиальным зазором. Ротор имеет каналы для прохода жидкости, которые разделены перегородками, параллельными его оси (но могут быть выполнены в виде прямолопастной крыльчатки). Он, вращаясь от электродвигателя 1, закручивает жидкость. После чего она приобретает винтовое движение, показанное стрелками. Далее жидкость поступает на ротор 5, закрепленный на пружине 6, и закручивает её на угол, пропорциональный массовому расходу. Неподвижный диск 4 предназначен для уменьшения вязкостной связи между роторами.
Чтобы исключить появление дополнительной погрешности измерения массового расхода, момент, создаваемый силами вязкостного трения на поверхностях ротора, и от момент, создаваемый силами трения в подшипниках, должны сохранить постоянное значение (или быть компенсированы). Чувствительность расходомера увеличивается с увеличением наружного радиуса каналов роторов или лопастей крыльчаток. Длину лопастей выбирают так, чтобы обеспечить закрутку всех частиц потока, проходящих через ротор при наибольшем измеряемом расходе. Таким образом, длина лопастей должна быть тем больше, чем меньше их число.
Если закручивание потока происходит за счет его потенциальной энергии ( т. е. электродвигатель отсутствует) с помощью роторов, имеющих наклонные лопатки, то с увеличением расхода скорость возрастает.
Турбосиловые расходомеры отличаются большей компактностью по сравнению с кориолисовыми и гироскопическими, но имеют ограниченное применение, из-за невозможности измерения расхода двухфазных сред, в частности нефтегазовых потоков. Так как при этом возникает опасность расслоения фаз при вращении подвижного элемента преобразователя расхода, что нарушит равномерное их распределение по сечению и изменит величину измеряемого момента. Но для средних и больших расходов турбосиловые расходомеры являются единственно применяемыми из всей группы силовых расходомеров. Максимальные расходы жидкости у них составляют 6 - 300 т /ч при диаметрах труб 50 - 200 мм. Их погрешность ± (0,5-2) % от предела шкалы. Также существенным достоинством данных расходомеров является возможность измерения различных по величине расходов жидкости и газа.
Достоинства и недостатки силовых расходомеров.
Основное достоинство силовых расходомеров состоит в том, что они измеряют массовый расход и, следовательно, их показания не зависят от изменения плотности измеряемого вещества.
К числу других достоинств можно отнести:
- пригодность для измерения пульсирующего потока;
- сравнительно малую зависимость измерения от профиля скоростей;
- относительно мягкие требования в большинстве случаев к прямому участку трубопровода перед преобразователем расхода.
Главным недостатком рассматриваемых расходомеров является сложность конструкции их преобразователей расхода (присутствие вращающихся элементов внутри трубки, что снижает надежность приборов). Разработано много опытных образцов таких приборов, их приведенная погрешность лежит в пределах ±(l-3)%. Но на практике силовые расходомеры пока применяются редко. Широкому внедрению препятствует отсутствие серийного производства, что затрудняет сделать заключение об их надежности и выносливости.
Учет расхода жидкостей осуществляется с помощью различных счетчиков и расходомеров. Определится с выбором вам поможет наш сайт.
Справочные данные:
Кориолисовые массовые расходомеры
| № | параметр | Значение | примечание | |
| min | max | |||
| 1 | Класс точности | 1 | 3 | |
| 2 | Диапазон измеряемых расходов Qmax/Qmin | 0,1 кг/с | 0,7 кг/с | |
| 3 | Чувствительность, л/мин | |||
| 4 | Измеряемый расход, л/мин | |||
| 5 | Диаметр условного прохода (ДУ), мм | |||
| 6 | Давление изм среды | |||
| 7 | Температура изм среды | |||
| 8 | Температура окр среды | |||
| 9 | Возможн. изм. агрессивных сред | |||
| 10 | Взрывозащищенное исполнение | |||
| 11 | Длина прямого участка до расхомера, d | |||
| 12 | Длина прямого участка после расхомера, d | |||
| 13 | Вязкость изм. среды, сСт | |||
| 14 | Требования к тонкости фильтрации изм среды, мкм | |||
| 15 | Срок наработки на отказ, час | |||
| 16 | Срок службы, лет | |||
| 17 | Допустимость гидроударов | |||
| 18 | Цена, $/мм ДУ | |||
Турбосиловые расходомеры
| № | параметр | Значение | примечание | |
| min | max | |||
| 1 | Класс точности | 1 | 3 | |
| 2 | Диапазон измеряемых расходов Qmax/Qmin | 6 т/ч | 300 т/ч | |
| 3 | Чувствительность, л/мин | |||
| 4 | Измеряемый расход, л/мин | |||
| 5 | Диаметр условного прохода (ДУ), мм | 50 | 200 | |
| 6 | Давление изм среды | |||
| 7 | Температура изм среды | |||
| 8 | Температура окр среды | |||
| 9 | Возможн. изм. агрессивных сред | |||
| 10 | Взрывозащищенное исполнение | |||
| 11 | Длина прямого участка до расхомера, d | |||
| 12 | Длина прямого участка после расхомера, d | |||
| 13 | Вязкость изм. среды, сСт | |||
| 14 | Требования к тонкости фильтрации изм среды, мкм | |||
| 15 | Срок наработки на отказ, час | |||
| 16 | Срок службы, лет | |||
| 17 | Допустимость гидроударов | |||
| 18 | Цена, $/мм ДУ | |||
Гироскопические расходомеры
| № | параметр | Значение | примечание | |
| мин | мах | |||
| 1 | Класс точности | 0,25 | 2 | |
| 2 | Диапазон измеряемых расходов Qmax/Qmin |
0,3 т/ч 0,72 т/ч |
6 т/ч 15т/ч |
|
| 3 | Чувствительность, л/мин | |||
| 4 | Измеряемый расход, л/мин | |||
| 5 | Диаметр условного прохода (ДУ), мм | |||
| 6 | Давление изм среды | |||
| 7 | Температура изм среды | |||
| 8 | Температура окр среды | |||
| 9 | Возможн. изм. агрессивных сред | |||
| 10 | Взрывозащищенное исполнение | |||
| 11 | Длина прямого участка до расхомера, d | |||
| 12 | Длина прямого участка после расхомера, d | |||
| 13 | Вязкость изм. среды, сСт | |||
| 14 | Требования к тонкости фильтрации изм среды, мкм | |||
| 15 | Срок наработки на отказ, час | |||
| 16 | Срок службы, лет | |||
| 17 | Допустимость гидроударов | |||
| 18 | Цена, $/мм ДУ | |||
