Измерители массового расхода

Две принципиальные схемы приемных преобразователей массовых расходомеров переменного перепада давления приведены на рис.15 а, б. В обоих случаях используется дифференциальный принцип: поток измеряемого вещества делится на два одинаковых потока, скорость одного из которых увеличивается, а другого – уменьшается за счет внешнего привода. В схеме на рис. 15, а такой привод осуществляется вращающим цилиндром, увлекающим поток в принудительную циркуляцию; в схеме на рис.15, б используется насос, который непрерывно отбирает некоторое количество вещества с одной ветви потока и передает его в другую ветвь.

Таким образом, в каждой из схем в одной ветви скорость равна:

v₁ = v_ср - v_у,(61)

а в другой:

v₂ = v_ср + v_у,(62)

где v_ср - скорость в ветви трубопровода без дополнительного движения; v_у - скорость увеличения потока вещества, приобретенная потоком за счет привода. Для идеальной жидкости, при установившемся движении и равенстве перепадов по ветвям полные давления в ветвях равны друг другу:

Рис. 15. Принципиальные схемы преобразователей массовых расходомеров переменного перепада давления: 1 – ротор; 2 – насос.

p₁ + 0,5r v₁ ² = p₂ + 0,5 rv₂² (63)

Подставляя значения скоростей v₁ и v₂ в последнее равенство, получим:

D p=p₁ - p₂ = 2r v_ср² = 2(v/s)r G_v, (64)

где s - площадь поперечного сечения ветви.

Скорость v_у постоянна, если воздействие постоянно и, следовательно, разность давлений в характерных сечениях ветви линейно зависит от массового расхода.

В схеме на рис. 15, а статическое давление измеряется в точках, лежащих на одном диаметре цилиндра, перпендикулярном оси основного потока; в схеме на рис. 15, б в наименьшем сечении труб Вентури. Выражение (64) представляет собой статическую характеристику гипотетического (идеального) массового расходомера. В действительности наблюдаются значительные отклонения от линейности, вызванные неидентичностью потоков в ветвях и влиянием режимов течения. Для измерения гетерогенных потоков схема на рис.15, а не пригодна из-за сепарации компонентов под действием центробежных сил. В расходомере, выполненном по схеме на рис.15, б следует ожидать существенного влияния на коэффициент преобразования соотношения фаз, так как потеря напора в двухфазных потоках резко зависит от отношения скоростей фаз. Ряд схем, аналогичных рассмотренным, приведен в работе [78].

Так как уравнение Бернулли, использованное для вывода (64), действительно только в установившемся режиме, то массовые расходомеры с датчиками переменного перепада давления непригодны для измерения в динамических режимах.

Лучшими динамическими характеристиками обладают массовые расходомеры, в которых создается вращательное движение элементов трубопровода (рис.16). Инерционные свойства таких расходомеров ограничиваются собственной частотой колебаний вращающихся масс, она может быть задана достаточно высокой, с тем, чтобы измерить расходы, пульсирующие с частотой до 200-300 Гц. Точность массовых расходомеров такого типа оценивается приведенной погрешностью порядка 1-2 %. Основной конструктивный недостаток датчиков с трубчатыми элементами заключается в необходимости использования вращающихся уплотнений между Т-образными трубками и неподвижным трубопроводом. Для устранения этого недостатка предлагается применять аналогичные датчики с колебательным движением подвижных элементов. При измерении гетерогенных потоков на динамических режимах возникают искажения, вызываемые демпфирующим действием сжимаемого компонента (газа или жидкостей).

Такие расходомеры чаще называют вибрационными, так как они основаны на зависимости параметров (частоты и амплитуды колебаний, коэффициента успокоения) механического трубчатого резонатора от массового расхода, проходящего через резонатор. Трубчатый резонатор, круглого или прямоугольного сечения, обычно работает в режиме свободных колебаний или в режиме автоколебаний. Для реализации непрерывного измерительного процесса последний режим предпочтительнее. Наиболее часто вибрационный метод для измерения расхода многофазных потоков. Погрешность вибрационных массовых расходомеров составляет 2,5% при измерении расхода однофазных потоков вещества и 4% при измерении двухфазных потоков.

Рис. 16. Принципиальные схемы преобразователей массовых расходомеров с вращающимися трубопроводами: а – с измерением момента кориолисовых сил; б – с измерением гироскопического момента: 1 – гибкие сочленения трубопроводов; 2 – торсионный элемент.