Расходомеры – это устройства, спроектированные для измерения расхода жидкости, газа или пара через трубопровод или другой канал. Несмотря на существующее разнообразие видов расходомеров и методов их работы, у них есть общий принцип функционирования – измерение потока рабочей среды.
Принцип работы расходомера
Расходомеры обнаруживают поток среды, проходящей через них, различными способами в зависимости от типа прибора. Например, вихревые разновидности регистрируют вихревые структуры, создаваемые рабочей средой, в то время как ультразвуковые измеряют время, затрачиваемое на распространение ультразвуковых сигналов внутри вещества. После обнаружения потока расходомеры преобразуют эту информацию в измеряемый параметр, который может быть интерпретирован и использован оператором или системой управления. В качестве такого значения выступает объем, масса, скорость или другая физическая характеристика потока. Данные о расходе среды отображаются на встроенном индикаторе или передаются в систему мониторинга и управления. Обычно эти параметры представлены в виде чисел, графиков или диаграмм, позволяющими операторам и инженерам анализировать и контролировать процесс.
Все типы расходомеров требуют периодической калибровки и технического обслуживания, чтобы оставаться точными и надежными – это включает в себя проверку и коррекцию датчиков, чистку и замену компонентов, а также установку в соответствии с требованиями технологического процесса. Общий принцип работы расходомеров заключается в том, что они преобразуют поток среды в измеряемый параметр, который используется для контроля, управления процессом и сбора данных.
Типы расходомеров
Для того, чтобы однозначно ответить на вопрос о том, что такое расходомер, какой принцип действия он использует и в каких областях применяется, необходимо рассмотреть наиболее распространенные виды приборов.
Электромагнитные расходомеры
Электромагнитные расходомеры представляют собой один наиболее распространенных и точных типов измерительных приборов, используемых в промышленных и научных целях. Их работа основана на принципе измерения электромагнитной индукции.
Основной принцип работы электромагнитных расходомеров заключается в том, что при прохождении проводящей жидкости через магнитное поле генерируется электродвижущая сила (далее ЭДС), которая пропорциональна скорости движения потока. Это значение измеряется и используется для расчета расхода. Внутри электромагнитного расходомера находятся два электрода, размещенных перпендикулярно друг к другу. Магнитное поле создается с помощью катушек, расположенных вокруг трубопровода, внутри которого движется рабочая среда. Когда она протекает через магнитное поле, то индуцирует ЭДС в электродах.
Устройства обеспечивают высокую точность измерений, в связи с этим применяются в критических производственных процессах и научных исследованиях. Электромагнитные расходомеры имеют долгий срок службы и требуют минимального обслуживания, а также могут работать при большом динамическом диапазоне измерений. Недостатком выступает влияние магнитных и проводящих осадков на работу изделия.
Ультразвуковые расходомеры
Ультразвуковые расходомеры широко используются для измерения расхода жидкости или газа и представляются современными технологичными устройствами. Они работают на основе принципа измерения времени прохождения звуковых волн через рабочую среду.
Существуют две основные разновидности расходомеров, которые используют ультразвук в качестве способа определения расхода жидкости или газа:
- Расходомер, использующий время-импульсный метод – основан на измерении времени, за которое ультразвуковые импульсы пролетают через среду и возвращаются обратно к датчикам. Скорость звука в потоке известна, и по времени пролета ультразвука можно рассчитать расход вещества;
- Доплеровский расходомер – основан на изменении частоты ультразвуковых волн, отражающихся от движущихся частиц в жидкости или газе. Изменение частоты (эффект Доплера) используется для определения скорости рабочей среды, затем расход рассчитывается на основе измеренной скорости и сечения потока.
Стоит упомянуть и третий вид ультразвукового расходомера – корреляционный. Он используется для измерения расхода жидкости или газа в трубопроводе, основываясь на принципе корреляции. Этот метод измерения особенно полезен при работе с неоднородными и многокомпонентными средами – многофазные и неоднородные вещества, разносоставный газ.
Ультразвуковые приборы располагают средним динамическим диапазоном измерений. Они могут устанавливаться на трубы больших размеров. Измерения могут быть неточными из-за вибраций и взаимодействующих с ультразвуком осадков.
Расходомеры перепада давления
Дифференциальные расходомеры – это классический и широко используемый тип расходомеров, основанный на измерении разницы в давлении между двумя точками в рабочей среде. Основой для работы расходомеров перепада давления служит закон Бернулли, который гласит, что в потоке жидкости или газа с увеличением скорости уменьшается давление, и наоборот.
В трубопроводе устанавливаются два точечных датчика давления, один до сужения в трубопроводе и другой после него. Перепад давления может быть создан различными способами, например, с помощью вихревого редуктора, дроссельной заслонки, шайбы или сопла. Жидкость или газ проходит через зауженный участок с перепадом давления, что приводит к увеличению скорости потока в этой области и, соответственно, к понижению давления. Датчики измеряют давление до и после участка с перепадом. Так, разница между измеренными значениями давления пропорциональна скорости потока вещества по закону Бернулли. Полученное число используется для определения расхода. Для этого применяются математические уравнения и калибровочные данные, которые зависят от конкретных характеристик трубопровода. Результат измерения расхода выводится на дисплей расходомера или передается в систему управления/мониторинга.
Расходомеры перепада давления представляются относительно простыми в установке и обслуживании. Они имеют высокую точность измерений при правильном монтаже, однако требуют хорошей калибровки и учета влияния вязкости, плотности и температуры среды на результаты измерений. Дифференциальные расходомеры могут измерять расход как жидкостей, так и газов – подходят для агрессивных и коррозийно-активных веществ. Среди минусов – малый динамический диапазон измерений и чувствительность к осадкам в области сужения.
Вихревые расходомеры
Вихревые расходомеры представляют собой инновационные приборы для измерения расхода жидкости или газа. Устройства работают на основе принципа образования вихрей в потоке рабочей среды, исследуя частоту образования этих вихрей для определения расхода.
В трубопроводе, через который протекает вещество, устанавливается специальный вихревой датчик. Он имеет узкий препятствующий элемент или преграду (обычно в форме плоской пластины или прутка). Жидкость или газ, проходя через датчик, формирует вихревые структуры – они образуются с определенной периодичностью и частотой, которая зависит от скорости потока. Сенсоры датчика регистрируют частоту их образования (она пропорциональна скорости потока), а электроника вычисляет расход рабочей среды.
Преимущества вихревых расходомеров включают высокую точность и отсутствие подвижных деталей в сечении – это делает их надежными в долгосрочной эксплуатации. Недостатками выступают малый динамический диапазон, чувствительность к вибрациям, температурам и осадкам на теле обтекания.
Тахометрические расходомеры
Тахометрический расходомер – это еще один вид измерительных приборов, который фиксирует расход рабочей среды посредством вращающегося элемента (крыльчатка или турбина). Количество оборотов или скорость вращения отражает объем расхода жидкости или газа.
Принцип работы тахометрических расходомеров основан на законе сохранения массы и вращении внутреннего элемента. Основным компонентом является ротор, который помещается в поток жидкости. Ротор, представленный в виде крыльчатки или турбины, имеет лопасти – они вращаются в процессе прохождения рабочей среды. Частота вращения пропорциональна расходу жидкости. Частота вращения анализируется датчиками, после чего полученные данные подставляются в формулу расчета. Расход можно выразить как объем, прошедший через трубопровод, деленный на время.
Тахометрические расходомеры располагают низкой стоимостью и не требуют источника питания для своей работы. Устройства характеризуются малым динамическим диапазоном измерений и хорошо подходят для недолгой эксплуатации, поскольку имеют невысокую надежность.
Кориолисовы расходомеры
Массовые расходомеры представляют собой высокоточные приборы для измерения массового расхода жидкости или газа. Их принцип работы основан на явлении, известном как эффект Кориолиса.
В Кориолисовом расходомере имеются две трубки, обычно изогнутые в форме “U” или “S”. Они могут колебаться вокруг своей оси во время прохождения через них рабочей среды. Жидкость или газ под давлением направляются внутрь изогнутых труб, вследствие чего они начинают колебаться. Колебания вызываются Кориолисовыми силами, которые возникают из-за инерционных эффектов вращающейся массы в трубах. Датчики, установленные на концах труб, измеряют колебания и их фазовые различия. Полученные данные используются для определения массового расхода и плотности среды. Так, путем анализа изменений в колебаниях и фазовых различиях датчики могут определить, сколько массы (жидкости или газа) прошло через трубы за определенный период времени. Значение расхода может быть точно измерено даже для неоднородных или многокомпонентных сред.
Преимущества кориолисовых расходомеров включают высокую точность измерения (прямое измерение массового расхода), независимость от осадков, изменений температуры, электрической проводимости, давления и вязкости среды. Также приборы могут измерять плотность, располагают долгим сроком службы и минимальными затратами на обслуживание, но имеют высокую стоимость и подвержены влиянию вибраций на метрологические характеристики.
Области применения расходомеров
Расходомеры – это важные устройства для измерения расхода жидкости и газа в различных отраслях. Благодаря их высокой точности и надежности, измерительные приборы стали неотъемлемой частью многих производственных и научных процессов. Перечислим некоторые из ключевых областей, в которых не обойтись без расходомеров:
- Нефтегазовая промышленность – используются для измерения расхода нефти, газа и воды в скважинах, трубопроводах и газопроводах. Помогают контролировать добычу и транспортировку энергоресурсов;
- Химическая промышленность – применяются для точного дозирования химических реагентов, смешивания компонентов и контроля химических процессов;
- Пищевая промышленность – измеряют расход ингредиентов при производстве продуктов питания и напитков, среди них молоко, сок, вода, сиропы и масла;
- Водоснабжение и сточные воды – контролируют расход питьевой воды и измеряют прохождение стоков и обратных вод в системах водоотведения;
- Энергетика – незаменимы для измерения расхода топлива, пара и воды в тепловых и энергетических установках;
- Медицинская техника – применяются в медицинских приборах для измерения расхода кислорода, азота и других веществ в медицинском оборудовании;
- Автомобильная промышленность – интегрируются в автомобильные двигатели для измерения расхода воздуха и топлива, позволяя оптимизировать производительность и эффективность работы устройства;
- Научные исследования – используются в лабораториях и исследовательских центрах для измерения расхода рабочих сред в экспериментах и исследованиях.
Заключение
Расходомеры играют ключевую роль в современном мире, обеспечивая точное и надежное измерение расхода жидкости и газа в различных отраслях промышленности и научных исследованиях. На сегодняшний день существуют большое количество типов контрольно-измерительного оборудования, фиксирующих расход рабочей среды. По сей день одними из самых востребованных являются электромагнитные приборы, располагающие умеренной стоимостью при высокой точности и надежности.
