7.2 Расход жидкости. Основные понятия

Расходом называется количество жидкости, протекающее через по­перечное сечение потока в единицу времени.

В зависимости от единиц измерения количества жидкости расход мо­жет быть объемным Q (в м3/с) или массовым Μ (в кг/с).

Массовый и объемный расходы связаны зависимостью, аналогичной зависимости между массой и объемом вещества

М = р·Q (7.10)

Если использовать приведенное выше понятие средней, скорости (v_cp) потока, то объемный расход может быть выражен как

Q = v_cp·F, (7.11)

где F — площадь поперечного сечения потока.

Так как для неустановившихся потоков средняя скорость случай­ным образом изменяется во времени, то и расход в общем случае явля­ется случайной величиной, а точнее — случайным процессом. При этом возможно измерять (и измеряют) лишь отдельные статистические ха­рактеристики этого процесса, а именно, мгновенный расход - значение расхода в данный момент времени; средний расход — осредненное за какой-либо промежуток времени значение расхода; «пиковый» расход максимальное значение расхода, которое наблюдалось на заданном от­резке времени. Мгновенные расходы измеряют, как правило, при управлении техно­логическими процессами, обеспечении оптимальных режимов работы энергетических установок и тепловых двигателей; средние расходы — при испытаниях, определении «расходных характеристик» объектов и процессов (например, при оценках удельных расходов топлива различ­ных двигателей, дебита нефтяных и газовых скважин и т. п.), при учетных операциях. И наконец, «пиковые» расходы характерны для исследововательских работ, связанных с долгосрочными прогнозами поведения грунтовых и сточных вод, паводковых явлений и открытых каналах и руслах.

7.3 Расходомеры. Общая классификация.

Технические устройства, предназначенные для измерения массового или объемного расхода, называют расходомерами. При этом в зависимости от того, для измерения какого (объемного или массового) расхода предназначены расходомеры, их подразделяют на объемные и массовые. Существует много различных признаков, по которым можно классифицировать расходомеры (например, по точности, диапазонам измерений, виду выходного сигнала и т. п.). Однако наиболее общей является классификация по принципам измерений, по тем физическим явлениям, с помощью которых измеряемая величина преобразуется в выходной сигнал первичного преобразователя расходомера.

По принципу измерений расходомеры классифицируют по следую­щим основным группам (указываемый для каждой классификационной группы расходомеров принцип преобразования относится к их первич­ным преобразователям датчикам).

- Расходомеры переменного перепада давления (с сужающими уст­ройствами; с гидравлическими сопротивлениями; центробежные; с на­порными устройствами; струйные), преобразующие скоростной напор в перепад давления.

- Расходомеры обтекания (расходомеры постоянного перепада — ро­таметры, поплавковые, поршневые, гидродинамические), преобразующие скоростной напор в перемещение обтекаемого тела.

- Тахометрические расходомеры (турбинные с аксиальной или тан­генциальной турбиной; шариковые), преобразующие скорость потокав угловую скорость вращения обтекаемого элемента (лопастей турбинки или шарика).

- Электромагнитные расходомеры, преобразующие скорость движу­щейся в магнитном поле проводящей жидкости в ЭДС.

- Ультразвуковые расходомеры, основанные на эффекте увлечения звуковых колебаний движущейся средой.

-Инерциальные расходомеры (турбосиловые; кориолисовы; гигроскопический), основанные на инерционном воздействии массы движу­щейся с линейным или угловым ускорением жикости.

- Тепловые расходомеры (калориметрические; термоанемометрические), основанные на эффекте переноса тепла движущейся средой от нагретого тела.

- Оптические расходомеры, основанные на эффекте увлечения света движущейся средой (Физо-Френели) или рассеяния света движущимися частицами (Доплера).

- Меточные расходомеры (с тепловыми, ионизационными, магнит­ными, концентрационными, турбулентными метками), основанные на измерении скорости или состоянии метки при прохождении ее между двумя фиксированными сечениями потока. Естественно, приведенная классификация, не полная и неисчерпыва­ющая, поскольку с каждым годом появляются новые методы и средства измерений расхода.

В отечественной практике наибольшее распространение получили расходомеры первых пяти групп (переменного и постоянного давления, тахометрические, электромагнитные и ультразвуковые). Эти расходоме­ры выпускаются серийно и находят применение практически во всех от­раслях народного хозяйства. Расходомеры остальных групп используют­ся пока, в основном, для решения специальных измерительных задач (при научных исследованиях, в медицине, криогенике, при измерениях агрессивных и токсичных сред и т. п.), изготовляются единичными экземплярами или малыми партиями и являются на сегодняшний день нестандартизованными средствами измерений.

Развитие измерительной техники, том числе и расходоизмерительной, сопровождается постоянным поис­ком разумного компромисса между реализуемыми свойствами прибо­ров, техническими возможностями и экономической целесообразностью. При этом следует иметь в виду, что и «грубые», относительно низкточные, но недорогие средства измерений всегда будут иметь достаточно большой промышленный спрос, поскольку способны удовлетворить определенный класс практических измерительных задач. Однако резкое повышение точности измерений было и остается важнейшей задачей развития расходоизмерительной техники.

Значительная часть серийно выпускаемых расходомеров имеет класс точности (приведенную погрешность) 1—1,5 %. Если принять, что измере­ния преимущественно проводятся в середине шкалы, относительная по­грешность этих измерений составляет 2-3 %. С учетом же влияния раз­личных дестабилизирующих факторов действительная погрешность бу­дет еще больше.

В то же время для эффективного управления технологическими про­цессами в различных отраслях промышленности, энергетическими и транспортными установками, для учетных операции уже сегодня требуется на порядок более высокая точность измерений расхода. Именно это обстоятельство обусловливает необходимость со­здания и внедрения расходомеров, имеющих класс не хуже 0,1 - 0,3 %.