Průtokoměr

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 19. února 2016; kontroly vyžadují 87 úprav .

Průtokoměr je zařízení, které měří objemový průtok nebo hmotnostní průtok látky, to znamená množství látky (objem, hmotnost) procházející daným úsekem průtoku, například úsekem potrubí za jednotku času. Pokud má zařízení integrační zařízení ( měřič ) a slouží k současnému měření množství látky, pak se nazývá průtokoměr.

Mechanické průtokoměry

Počítadla rychlosti

Rychloběžná počítadla jsou konstruována tak, že kapalina protékající komorou zařízení otáčí zvlákňovačem nebo oběžným kolem, jehož úhlová rychlost je úměrná průtoku, a tedy i průtoku.

Počítadla hlasitosti

Kapalina nebo plyn vstupující do zařízení se měří v samostatných dávkách se stejným objemem, které se pak sečtou. Plynoměry na tomto principu se často nacházejí v každodenním životě.

Klasifikace objemových měřičů

V závislosti na konstrukčních prvcích pracovního těla: píst, ozubené kolo.
Podle druhu pohybu pracovního tělesa: translační pohyb, rotačně-rotační pohyb, precesní, planetový pohyb.

V závislosti na konstrukci a typu pohybu pracovního těla se dělí na:

píst (prstencový) s planetovým pohybem prstencového pístu;
ozubené kolo (kulaté) s rotačním otáčením kruhových ozubených kol;
ozubené kolo (oválné) s rotačním otáčením oválných ozubených kol;
lopatkové (komora) s rotačním otáčením lopatek, vyrobené ve formě komor;
lopatkové (lamelové) s rotačním otáčením lamelových lopatek [1] .

Kapacita a stopky

Snad nejjednodušší způsob, jak měřit průtok, je použít nějakou nádobu a stopky. Proud kapaliny je směrován do určité nádoby a čas plnění této nádoby je zaznamenáván pomocí stopek. Znáte-li objem nádoby a vydělíte jej dobou plnění, můžete zjistit průtok kapaliny. Tato metoda zahrnuje přerušení normálního toku toku, ale může poskytnout nepřekonatelnou přesnost měření. Široce používán ve zkušebních a kalibračních laboratořích.

Válcové lopatkové metry

Oblast použití válečkových průtokoměrů je velmi široká: měření průtoku na zkušebních stolicích, v hydraulických pohonech obráběcích strojů a technologických zařízení, na stacionárních i mobilních čerpacích stanicích benzínu a oleje, v palivových systémech karburátorových a dieselových motorů automobilů, traktory, stavební a silniční, zemědělské, dřevorubecké stroje, dieselové lokomotivy a lodě, jako výdejní stojany při plnění cisteren, železničních cisteren, cisteren.

Průtokoměr je vybaven vestavěným elektronickým senzorem a programovatelným mikroprocesorovým zařízením s displejem z tekutých krystalů. Elektronika průtokoměru má autonomní napájení na 3 - 5 let a zaplombovaný výstup na sekundární elektronické zařízení nebo počítač, který řídí dávkovací mechanismy. Pro metrologické aplikace nebo při požadavku na vysoce přesná měření v technologických procesech je průtokoměr vybaven snímačem s vysokým rozlišením (až zlomky cm 3 ).

Převodovky

Průtokoměr s oválným ozubením byl poprvé vynalezen společností Bopp & Reuther (Německo) v roce 1932.

Měřicí prvek se skládá ze dvou ozubených kol oválného tvaru. Proudící kapalina otáčí těmito ozubenými koly. S každou otáčkou dvojice oválných kol projde zařízením přesně definované množství kapaliny. Odečtením počtu otáček můžete přesně určit, kolik kapaliny zařízením proteče.

Tyto průtokoměry se vyznačují vysokou přesností, spolehlivostí a jednoduchostí, díky čemuž jsou vhodné pro vysokoteplotní a vysokotlaké kapaliny. Charakteristickým rysem průtokoměrů s oválnými převody je možnost jejich použití pro kapaliny s vysokou viskozitou (topný olej, bitumen).

Průtokoměry založené na objemových hydraulických strojích

V objemových hydraulických pohonných systémech se pro měření objemového průtoku pracovní kapaliny používají objemové hydraulické stroje (zpravidla ozubené nebo axiálně plunžrové hydraulické stroje).

Objemový hydraulický stroj v tomto případě funguje jako hydromotor , ale bez zatížení hřídele. Potom lze objemový průtok hydraulickým strojem určit podle vzorce:

$Q=q_{0}\cdot n,$

kde

$Q$ - objemový průtok
$q_{0}$ - pracovní objem hydraulického stroje (stanovený podle pasportu hydraulického stroje),
$n$ - frekvence otáčení výstupního hřídele hydraulického stroje, kterou lze měřit tachometrem .

Všimněte si, že objemový hydraulický stroj prochází celým průtokem kapaliny sám sebou, což pro objemový hydraulický pohon není obtížné kvůli nízkým průtokům.

Pákové kyvadlové průtokoměry

Průtokoměry s proměnným diferenčním tlakem

Průtokoměry s proměnným tlakem jsou založeny na závislosti tlakového rozdílu vytvořeného konstrukcí průtokoměru na průtoku.

Průtokoměry s clonami

Jsou založeny na závislosti tlakové ztráty na zužovacím zařízení na rychlosti proudění, v důsledku čehož se část kinetické energie proudění přemění na potenciální energii.

Princip činnosti tohoto typu průtokoměrů je založen na Venturiho jevu . Venturiho průtokoměr omezuje průtok tekutiny v určitém zařízení, např. pomocí membrány a tlakových čidel nebo diferenčního tlakoměru měří tlakový rozdíl před určeným zařízením a přímo na zúžení. Tato metoda měření průtoku je široce používána při přepravě plynů potrubím a používá se již od římských dob .

Membrána je disk s průchozím otvorem vloženým do proudu. Kotoučová clona zužuje průtok a tlakový rozdíl měřený před a za clonou umožňuje určit rychlost proudění v proudu. Tento typ průtokoměru lze zhruba považovat za formu Venturiho měřiče, ale s vyššími energetickými ztrátami. Existují tři typy diskových membrán: koncentrické, excentrické a segmentové [2] [3] .

Pitotova trubice

Průtokoměry s Pitotovou trubicí měří dynamický tlak v mrtvé $p_{{\partial }}\approx \xi {\frac {\rho V_{o}^{2}}{2}}$

Znáte-li dynamický tlak, pomocí Bernoulliho rovnice můžete určit průtok, a tedy i objemový průtok (Q \u003d S * V, kde S je plocha průřezu průtoku, V je průměrná rychlost proudění).

Průtokoměry s hydraulickým odporem

Princip činnosti hydrodynamických průtokoměrů je založen na měření tlaku hnacího média, tzn. tlak působící na těleso umístěné v toku. Výhody hydrodynamických průtokoměrů jsou: konstrukční jednoduchost, spolehlivost a snadná údržba. Jednou z běžných aplikací je jejich použití jako indikátory průtoku pro kontaminaci kapalin a plynů.

Odstředivé průtokoměry

Odstředivé průtokoměry jsou koleno na potrubí, které jej kryje po celém obvodu potrubí. Tlakové kohouty jsou umístěny v horní části na vnější a vnitřní stěně.

Princip činnosti odstředivých průtokoměrů je založen na skutečnosti, že při pohybu média po zakřivené části potrubí vznikají odstředivé síly, které vytvářejí tlakový rozdíl mezi body s různými poloměry zakřivení. Z toho vyplývá, že tam, kde je zakřivení větší, je větší odstředivá síla a větší tlak na stěnu [1] .

Průtokoměry s tlakovým zařízením

Průtokoměry se zesilovačem tlaku

Šokové proudové průtokoměry

Průtokoměry konstantního diferenčního tlaku

Rotametry

Rotametry jsou určeny k měření průtoku čistých kapalin a plynů. Skládají se ze svislé kónické trubky z kovu, skla nebo plastu, ve které se nahoru a dolů volně pohybuje speciální plovák. Proud se pohybuje potrubím zdola nahoru, což způsobuje, že plovák stoupá na úroveň, kde jsou všechny působící síly v rovnováze. Na plovák působí tři síly:

vztlaková síla, která závisí na hustotě média a objemu plováku;
gravitace, která závisí na hmotnosti plováku;
síla proudění, která závisí na tvaru plováku a rychlosti proudění procházejícího úsekem rotametru mezi plovákem a stěnami potrubí.

Každému průtoku odpovídá určitý proměnný průřez v závislosti na tvaru kužele měřicí trubice a konkrétní poloze plováku. U skleněných kuželů lze průtok odečítat přímo ze stupnice na úrovni plováku. U kuželů z kovu se poloha plováku přenáší na displej pomocí systému magnetů - není potřeba žádné další napájení. Různých rozsahů měření je dosaženo rozmanitostí velikostí a tvarů kužele a také možností volby různých tvarů a materiálů plováku.

Optické průtokoměry

Optické průtokoměry využívají k určení průtoku světlo.

Laserové průtokoměry

Malé částice, které jsou nevyhnutelně obsaženy v přírodních a průmyslových plynech, procházejí dvěma laserovými paprsky namířenými do proudu od zdroje. Laserové světlo se rozptyluje, když částice prochází prvním laserovým paprskem. Rozptýlený laserový paprsek vstupuje do fotodetektoru, který jako výsledek generuje elektrický pulzní signál. Pokud stejná částice překročí druhý laserový paprsek, pak rozptýlené laserové světlo vstoupí do druhého fotodetektoru, který generuje druhý pulzní elektrický signál. Měřením časového intervalu mezi těmito dvěma pulsy lze vypočítat rychlost plynu pomocí vzorce V = D / T, kde D je vzdálenost mezi dvěma laserovými paprsky a T je čas mezi dvěma pulsy. Při znalosti průtoku lze určit průtok (Q = S * V, kde S je plocha průřezu toku, V je průměrná rychlost toku).

Laserové průtokoměry měří rychlost částic, což je parametr, který je nezávislý na tepelné vodivosti , typu plynu nebo složení plynu. Laserová technologie umožňuje získat velmi přesná data i v případech, kdy jiné metody nelze použít nebo dávají velkou chybu: při vysokých teplotách, nízkých průtokech, vysokých tlacích, vysoké vlhkosti, vibracích potrubí a akustickém hluku.

Optické průtokoměry jsou schopny měřit rychlosti proudění od 0,1 m/s do více než 100 m/s.

Ultrazvukové průtokoměry

Ultrazvukový časový puls

Časově pulzní průtokoměry měří rozdíl v době průchodu ultrazvukové vlny ve směru a proti směru proudění tekutiny. Tento princip měření zajišťuje vysokou přesnost (± 1 %). Dobře však funguje pro čistý proud nebo proud s nízkým obsahem suspendovaných částic. Časově pulzní průtokoměry se používají k měření průtoku vyčištěné, mořské, odpadní vody, ropy včetně ropy, procesních kapalin, olejů, chemikálií a jakékoli homogenní kapaliny.

Princip činnosti ultrazvukových průtokoměrů je založen na měření rozdílu doby průchodu signálu. V tomto případě dva ultrazvukové senzory, umístěné diagonálně proti sobě, fungují střídavě jako vysílač a přijímač. Akustický signál generovaný střídavě oběma snímači se tedy zrychluje, když je směrován po proudu, a zpomaluje, když je směrován proti proudu. Časový rozdíl plynoucí z průchodu signálu měřicím kanálem v obou směrech je přímo úměrný průměrné rychlosti proudění, ze které lze následně vypočítat objemový průtok. A použití několika akustických kanálů umožňuje kompenzovat zkreslení v profilu proudění.

Ultrazvukový fázový posun

Ultrazvukový Doppler

Dopplerův průtokoměr je založen na Dopplerově jevu. Funguje dobře se suspenzí, kde je koncentrace částic nad 100 ppm a velikost částic je větší než 100 um, ale koncentrace je menší než 10 %. Tyto kapalinoměry jsou lehčí a méně přesné (± 5 %) a levnější než měřiče s časovým impulsem.

Ultrazvukové korelace

Dalším nepříliš oblíbeným průtokoměrem je postkorelační ultrazvukový průtokoměr (cross-correlation). Odstraňuje nevýhody vlastní Dopplerovým průtokoměrům. Nejlépe fungují pro proudění tekutin s pevnými částicemi nebo turbulentní proudění plynu.

Elektromagnetické průtokoměry

Již v roce 1832 se Michael Faraday pokusil určit rychlost řeky Temže měřením napětí indukovaného v proudění vody zemským magnetickým polem. Princip elektromagnetického měření průtoku je založen na Faradayově indukčním zákonu. Podle tohoto zákona vzniká napětí, když vodivá kapalina prochází magnetickým polem elektromagnetického průtokoměru. Toto napětí je úměrné průtoku média.

Indukované napětí je měřeno buď dvěma elektrodami v kontaktu s médiem nebo kapacitními elektrodami, které nejsou v kontaktu s médiem a jsou přenášeny do převodníku signálu. Převodník signálu zesiluje signál a převádí jej na standardní proudový signál (4-20 mA) i na pulzně frekvenční signál (např. jeden pulz na metr krychlový měřeného média prošlého měřicí trubicí). Princip činnosti elektromagnetických průtokoměrů je založen na interakci pohybující se elektricky vodivé kapaliny s magnetickým polem. Když se tekutina pohybuje v magnetickém poli, vzniká emf , jako ve vodiči pohybujícím se v magnetickém poli. Tento EMF je úměrný průtoku a průtok lze určit z průtoku.

Coriolisovy průtokoměry

Princip činnosti hmotnostních průtokoměrů je založen na Coriolisově jevu . Hmotnostní průtok kapalin a plynů lze vypočítat z deformace měřicí trubice působením proudění. Hustotu prostředí lze také vypočítat z rezonanční frekvence vibrační trubice. Výpočet Coriolisovy síly se provádí pomocí dvou cívek snímače. Při nepřítomnosti průtoku registrují oba snímače stejný sinusový signál. Při proudění působí Coriolisova síla na proudění částic média a deformuje měřicí trubici, což vede k fázovému posunu mezi signály snímače. Senzory měří fázový posun sinusových oscilací. Tento fázový posun je přímo úměrný hmotnostnímu toku.

Vírové měřiče

Princip měření je založen na Karmanově vírovém street efektu. Za blafovým tělesem se tvoří víry opačného směru rotace. V měřicí trubici je vířič, za kterým dochází k tvorbě víru. Frekvence uvolňování víru je úměrná průtoku. Výsledné víry jsou zachycovány a počítány piezoelektrickým prvkem v primárním měniči jako rázové vlny. Vortexové měřiče jsou vhodné pro měření široké škály médií.

Tepelné průtokoměry

Průtokoměry s tepelnou mezní vrstvou

Používají se k měření průtoku v potrubí malého průměru od 0,5-2,0 do 100 mm. Pro měření průtoku v potrubí o velkém průměru se používají speciální typy termokonvekčních průtokoměrů:

částečné s ohřívačem na obtokovém potrubí;
s tepelnou sondou;
s vnějším ohřevem omezené části potrubí.

Výhodou termokonvekčních průtokoměrů je neměnnost tepelné kapacity měřené látky při měření hmotnostního průtoku. Další výhodou je, že termokonvekční průtokoměry nemají kontakt s měřenou látkou. Nevýhodou obou průtokoměrů je jejich velká setrvačnost [4] .

Kalorimetrické průtokoměry

U kalorimetrických průtokoměrů je průtok ohříván nebo chlazen externím zdrojem tepla, čímž vzniká teplotní rozdíl v průtoku, ze kterého se průtok určuje. Pokud zanedbáme tepelné ztráty z proudění stěnami potrubí do okolí, pak rovnice tepelné bilance mezi teplem generovaným ohřívačem a teplem předávaným do proudění má tvar:

q_{t}=k_{0}Q_{M}c_{p}\Delta T

kde

$k_{0}$ - korekční faktor pro nerovnoměrné rozložení teplot v úseku potrubí;
$Q_{M}$ — hmotnostní tok v toku;
$c_p$ - měrná tepelná kapacita (pro plyn - při konstantním tlaku);
$\Delta T=T_{2}-T_{1}$ — teplotní rozdíl mezi čidly ( a — výstupní teploty před a za ohřívačem). $T_{1}$ $T_{2}$

Teplo je obvykle dodáváno do průtoku v kalorimetrických průtokoměrech elektrickými ohřívači, pro které:

q_{t}=0,24I^{2}R

kde

$já$ - proud přes topné těleso;
$R$ je elektrický odpor ohřívače.

Na základě těchto rovnic bude mít statická převodní charakteristika, která dává do vztahu teplotní rozdíl mezi snímači a hmotnostní průtok, tvar:

Q_{M}={\frac {0,24I^{2}R}{k_{0}c_{p}\Delta T))

Označit průtokoměry

Průtoková rychlost je určena určením rychlosti proudění skrz kanálovou sekci a rychlost je určena časem přenosu jakýchkoliv značek uměle zavedených do proudu nebo původně přítomných v proudu na známou vzdálenost.

Poznámky

↑ 1 2 Khansuvarov K.I., Zeitlin V.G. Technika měření tlaku, průtoku, množství a hladiny kapaliny, plynu a páry: Učebnice pro technické školy. - M.: Nakladatelství Standardy, -1990.- str. 170-173 287 s, ill.
↑ Lipták, Flow Measurement Archived 7. září 2018 na Wayback Machine , str. 85
↑ Zpráva Americké plynárenské asociace číslo 3
↑ Kremlevsky P.P. Průtokoměry a počítadla množství látek: Referenční kniha: Kniha. 2/ Pod generálem vyd. E. A. Shorníková. - 5. vyd., revidováno. a doplňkové - Petrohrad: Polytechnika, 2004. - 412 s.