Об измерении скорости потока жидкостей и газов / Хабр
В нынешнем году мы начали представлять в России компанию IST — швейцарского производителя тонкопленочных датчиков температуры, относительной влажности, проводимости жидкости и скорости потока.
Продукция IST — это не масс-маркет, они не выпускают аналоги DHT22 миллионные тиражи дешевых микросхем для стандартных применений. Вместо этого упор делается на специальные задачи: нестандартные конструктивы и диапазоны температур, повышенная точность, минимальное время отклика и так далее.
Среди многообразной продукции IST есть такая интересная штука как flow sensors — датчики скорости потока сплошных сред. Под катом рассказываю как они работают, как выглядят и зачем нужны. Думаю что это будет интересно не только разработчикам расходомеров.
Итак, для измерения расхода жидкостей или газов используются различные физические эффекты. Для измерения скорости потока используют механические, оптические, электромагнитные, ультразвуковые и другие чувствительные элементы, позволяющие по косвенным характеристикам определить расход сплошной среды, проходящей по трубе.
Здесь заметим, что под расходом может подразумеваться как объем потока (литры в минуту или кубические метры в минуту), так и масса потока (килограмм в минуту) или его скорость (метры в секунду). Допуская, что в большинстве приложений известны и характеристики среды, и характеристики трубы, в которой движется поток, мы будем считать все перечисленные понятия тождественными.
Поскольку бОльшую часть продукции IST составляют платиновые датчики температуры (термосопротивления), для определения скорости потока также используются тепловые эффекты.
В тепловых расходомерах измерения производятся либо по охлаждению нагретого тела, помещенного в поток (термоанемометры), либо по переносу тепловой энергии между двумя расположенными вдоль потока точками (калориметрические расходомеры). Посмотрим как используются оба принципа в реальных приложениях.
Термоанемометрические датчики
Расходомеры с термоанемометрическими преобразователями IST применяются преимущественно для потоков газов.
В простейшем случае они состоят из нагревательного элемента и датчика температуры. Фактически это два термосопротивления, на базе которых реализуется следующий алгоритм:
При отсутствии потока температура микронагревателя остается неизменной, а при наличии потока нагреватель начинает отдавать тепло внешней среде. Количество тепла, которое отдается потоку, зависит от нескольких факторов: от начальной разности температур нагревателя и среды, от параметров трубы и собственно от скорости потока.
Поскольку разность температур определяется схемой включения датчика расхода, а параметры трубы мы считаем неизменными, теплоотдача нагревательного элемента может использоваться для измерения скорости потока.
Нагреватель и датчик температуры включаются в мостовую схему, которая уравновешена в отсутствии потока и разбалансирована при изменении сопротивления нагревателя. При увеличении скорости потока нагреватель охлаждается, мост разбалансируется и сигнал разбаланса поступает на усилитель.
Выходной сигнал усилителя сообщает нагревателю более высокую температуру и приводит мост обратно в равновесное состояние. Этот же сигнал используется как выходной, т.е. как функция скорости потока.
При известных параметрах трубы, положения датчика, типа потока, а также неизменных теплофизических характеристиках газа (состав, давление, температура) такая функция может быть вычислена по одной из общеизвестных методик.
На рисунке приведен пример схемы включения датчика расхода и график зависимости напряжения Uflow от скорости потока.
По такому принципу работают датчики серии FS7. На керамической подложке из диоксида циркония наносятся токопроводящие дорожки – платиновые микронагреватель и датчик температуры, между которыми предусмотрены соединения. Вся конструкция покрыта тонким изолирующим слоем из стекла.
Чувствительные элементы такой конструкции позволяют измерять скорость потока в диапазоне от 0 до 100 м/c с чувствительностью 0.01 м/c и погрешностью менее 3 % от измеряемой величины.
Впрочем, точность измерений определяется не только чувствительным элементом, но и схемой его включения, и способом калибровки конечного устройства.
Диапазон рабочих температур датчика FS7 составляет -20… 150 °C для стандартного исполнения, однако IST практикует изготовление датчиков с допустимой температурой вплоть до +400 °C.
На рисунке показаны два исполнения датчиков FS7 — в корпусе и без него.
Об водосодержащих и агрессивных средах
Важно заметить, что датчики FS7, а также рассмотренный ниже FS2, используются в основном для газов, а также для жидких сред, не содержащих воду — при длительной работе в воде верхний изолирующий слой датчика постепенно разрушается и возникает электролиз.
Для потока воды и других подобных сред предусмотрен модуль Out Of Liquid — анемометрический датчик, элементы которого изолированы от потока. Out Of Liquid — это небольшая трубка из нержавеющей стали, на внешней стенке которой размещены микронагреватель и датчик температуры.
Трубка имеет длину 40 мм и диаметр 4 мм, рабочий температурный диапазон этого решения — от -50 °C до +180 °C.
Об определении направления потока
Термоанемометрические расходомеры имеют некоторые очевидные ограничения. В частности, они не позволяют определить направление потока и не подходят для приложений, требующих высокой чувствительности датчика.
Калориметрические расходомеры, напротив, предназначены для относительно медленных потоков газа с переменным направлением. Калориметрический датчик состоит из трех элементов – микронагревателя и двух датчиков, измеряющих температуру до и после него. В отсутствии потока тепловое пятно, излучаемое нагревателем, неподвижно, поэтому справа и слева от нагревателя сплошная среда имеет одну и ту же температуру. При возникновении потока тепловое пятно «сдвигается» согласно направлению и скорости потока. Таким образом, при известных параметрах трубы и характеристиках среды скорость потока может быть измерена по разности показаний датчиков температуры.
При производстве колориметрического датчика на керамическую подложку также наносятся платиновые дорожки и соединения между ними — микронагреватель и два датчика температуры.
Поскольку при наличии потока нагревательный элемент охлаждается, а для измерений этот процесс уже не используется, на датчике расхода предусматривается дополнительный компенсационный датчик температуры.
По такому принципу построены датчики серии FS2. С их помощью можно определять как направление, так и скорость потока. В диапазоне от 0 до 2.5 м/c датчик имеет чувствительность 0.001 м/c.
Диапазон измерений калориметрических датчиков ограничивается самим принципом его работы – при определенной скорости потока тепловое пятно «сдвигается» слишком далеко и разность показателей правого и левого датчиков уже не позволяет судить о скорости потока.
Это досадное свойство калориметрических датчиков довольно просто обходится. Когда поток достигает определенной скорости, можно «переключиться» на работу в термоанемометрическом режиме — начать использовать пару нагреватель + компенсирующий датчик температуры по уже известному нам термоанемометрическому принципу.
При использовании комбинации двух способов измерения модуль величины скорости потока на большей части диапазона определяется квадратичной функцией от напряжения Uflow (нижний график), а направление потока – по напряжению с полномостовой схемы, состоящей из пары датчиков и микронагревателя.
О работе с «микропотоками»
Если задача вообще не предполагает работы с потоками со скоростью более 1.5 м/c и речь идет о газообразной среде, то можно использовать датчики серии MFS02 (Micro Flow Sense). MFS02 имеет максимальную чувствительность (0,0003 м/с) и скорость срабатывания (время отклика менее 10 мс).
Структурно датчик MFS02 похож на FS2 и состоит из микронагревателя, пары датчиков температуры и дополнительного компенсирующего датчика. Однако MFS02 изготавливаются по другому технологическому процессу: в стеклокерамической подложке датчика выделяется зона, представляющая собой мембрану. Предполагается, что в поток погружается только мембрана, поэтому именно на ней располагаются компоненты для калориметрических измерений, а компенсирующий датчик температуры установлен вне мембраны.
Датчик MFS02 имеет размер всего 3.5 x 5.1 мм, а к контактным площадкам довольно сложно подпаяться, поэтому MFS02 также доступен в составе плат-расширений, предоставляющих доступ к выводам элемента.
Заключение
В заключении поблагодарю читателя за внимание и напомню, что вопросы о применении продукции, о которой мы пишем на хабре, можно также задавать на email, указанный в моем профиле.
upd: все упомянутые датчики и модули доступны со склада. Больше информации на efo-sensor.ru
Измерения расхода жидкости
- Главная
- —
- Счетчики расходомеры
Оборудование
- Ультразвуковые накладные расходомеры KATFlow®
- Оптические расходомеры газа FOCUS PROBE®
- Многопараметрические вихревые расходомеры INNOVA-MASS®
- Термомассовые расходомеры
- Электромагнитные расходомеры Euromag
- Разработки ИННОТЕХ
- Расходомер воздуха
- Ультразвуковые расходомеры КАТФЛОУ® с накладными датчиками
- Ультразвуковые расходомеры газа с накладными датчиками
Услуги
- Форма для заказа проведения замеров
- Услуги по проведению первичной поверки
- Шеф-монтажные работы
- Проведение опытной эксплуатации расходомеров
- Ремонт расходомеров
Новости
- 2017.
Все новости
Промышленность, сельское хозяйство и обширная сеть потребителей постоянно используют системы транспортировки жидкостей, начиная от воды, и заканчивая магистральными трубопроводами с химическими веществами. Функционирование систем перекачки невозможно без учета количества переданной или использованной жидкости. Для измерения расхода жидкости применяют ряд методов и аппаратов, которые имеют разную степень точности и используются для различных веществ.
Процесс учета транспортируемого вещества сводится к расчету количества проходящей среды при заданной плотности за единицу времени. Для этого измеряется скорость потока и учитывается диаметр трубы в месте замера. Компания ИННОТЕХ специализируется на приборах измерения расхода жидкости, купить которые можно по доступным ценам.
Для клиентов предусмотрены расходомеры и аппараты учета для решения любых задач.
Способы и приборы для измерения расхода жидкости
Аппараты для вычисления расхода классифицируются по способу определения количества транспортируемой среды. К основным видам относятся:
- Калориметрические датчики — принцип работы основан на измерении перепада температур в перенесенной среде на дистанции между нагревательным элементом и датчиком. Такие приборы имею компактные размеры, работают при малых скоростях, обладают большим динамическим диапазоном. Но такой принцип малоэффективен при скачках температуры и колебаний плотности потока.
- Ультразвуковые приборы — этот тип основан на использовании ультразвуковых волн, а именно измерения разности скоростей звуковых колебаний при попутном и противоположном к потоку жидкости движении. Получаемый сигнал преобразовывается с помощью цифровых технологий в стабильные и надежные показатели.
- Электромагнитные аппараты — в основе этого метода лежит закон электромагнитной индукции Фарадея, при этом жидкость выступает проводником, а возникающее в ней напряжение пропорционально скорости потока. Приборы применяются только для проводящих сред, имеют высокую точность и требуют минимального обслуживания.
- Вихревые приборы — они основаны на принципе, открытым ученым фон Карманом, в основе лежит способ вычисления частоты завихрений (которые пропорциональны скорости потока) при обтекании средой определенного препятствия. Область применения такого типа расходомеров ограничена средами с низкой и средней вязкостью.
- Массовые расходомеры — учет расхода происходит за счет вычисления массы вещества, что определяет высокую точность измерений даже при недостаточных длинах прямолинейных участков трубы.
- Метод дифференциального давления — такие аппараты работаю по принципу измерения падения давления потока на участке контроля. Эти приборы оптимально подходят для измерения расхода жидкости, имеют высокую точность показаний при больших диаметрах трубопровода, но обладают сравнительно низким динамическим диапазоном.
Компания ИННОТЕХ предлагает широкий ассортимент приборов для учета расхода жидкостей как для промышленного использования, так и для установки на бытовом уровне. Для клиентов доступно обслуживание высокого качества, проведение профессионального монтажа и ремонта, наладка оборудования и обучение персонала. В компании работают только грамотные и квалифицированные специалисты, которые смогут качественно провести замеры, определить тип и производительность приборов, подобрать оптимальный вариант аппаратов для измерения расхода жидкости.
В наличии
Купить
Опросный Лист
KATFlow 230
Портативный двухканальный ультразвуковой расходомер с расширенными опциями и графическим дисплеем с русскоязычным меню KATFlow 230 предназначен для измерения расхода жидкостей в напорных трубопроводах диаметром от 10 до 3000 мм с относительной погрешностью от ± 0,5 %. Допустимое содержание нерастворенных примесей — до 10 %.
.
Подробнее >
В наличии
Купить
Опросный Лист
KATFlow 150
Стационарный двухканальный ультразвуковой расходомер с расширенными опциями и графическим дисплеем с русскоязычным меню KATFlow 150 предназначен для измерения расхода жидкостей в напорных трубопроводах диаметром от 10 до 3000 мм с относительной погрешностью от ± 0,5 %. Допустимое содержание нерастворенных примесей — до 10 %..
Подробнее >
В наличии
Купить
Опросный Лист
KATFlow 170
Двухканальный стационарный расходомер для EX зон KATFlow 170 предназначен для измерения расхода жидкостей в напорных трубопроводах. Расходомер имеет расширенный набор опций, графический дисплей и русскоязычное меню. Предназначен для любых применений, в том числе и Ex-зон.
Подробнее >
Возврат к списку
Руководство по измерению расхода
Введение
Поток – это объем жидкости, проходящий в единицу времени.
В водных ресурсах поток часто измеряется в кубических футах в секунду (cfs), кубических метрах в секунду (cms), галлонах в минуту (gpm) или других различных единицах. Измерение расхода водных ресурсов важно для таких приложений, как управление системой, выставление счетов, проектирование и многие другие приложения. Существует несколько методов измерения потоков в системах водных ресурсов. В этой статье описываются некоторые из наиболее распространенных методов измерения расхода и предоставляется некоторая справочная информация об измерении расхода.
Уравнение непрерывности для потока
Для воды, текущей по трубе в стационарных условиях (т. е. не меняющихся во времени), непрерывность означает, что вода, втекающая в один конец трубы, должна вытекать из другого конца. Это также означает, что скорость потока в трубе одинакова в любом месте по всей длине трубы. Уравнение неразрывности можно представить в виде:
Расход = скорость * площадь
Понятие непрерывности в установившихся условиях приводит к тому, что произведение скорости * площади равно константе в любом месте вдоль трубы.
Это полезный принцип для измерения расхода, как будет продемонстрировано ниже.
Вот пример расчета расхода с использованием уравнения неразрывности. Скорость измеряется как 10 футов в секунду, а площадь поперечного сечения потока измеряется как 10 квадратных футов. Расход = 10 футов в секунду * 10 квадратных футов = 100 кубических футов в секунду.
Общие методы измерения расхода в открытых каналах
Метод глазного яблока
Иногда полезно оценить расход с помощью глаз, чтобы оценить скорость и площадь поперечного сечения, а затем умножить скорость на площадь, чтобы получить расход ( уравнение непрерывности). Для повышения точности измерения площади поперечного сечения можно использовать линейку или рулетку, а для улучшения измерения скорости можно использовать секундомер, измеряя плавающий обломок, перемещающийся на заданное расстояние. Метод глазного яблока может быть полезен для оценки потока, когда требуется только «порядок величины» потока или когда поток настолько низок, что его невозможно измерить с помощью расходомера.
Глубина потока (Мэннинга)
Можно рассчитать расход с помощью уравнения Мэннинга, выполнив измерение только глубины, когда площадь поперечного сечения канала и уклон канала известны, а условия потока однородны. . Уравнение Мэннинга представляет собой эмпирическую формулу, описывающую взаимосвязь между скоростью и глубиной, уклоном и коэффициентом трения канала (Мэннинга n) в открытом канале в условиях однородного потока. Равномерный поток означает, что глубина не меняется по длине трубопровода или канала. Использование уравнения Мэннинга для потока по измерению глубины неприменимо при постепенно меняющихся условиях потока, таких как условия подпора выше по течению от плотины или водослива.
Метод определения глубины потока для измерения расхода более точен, чем «метод глазного яблока». Основными проблемами при измерении расхода только по глубине являются неточности в оценке n Мэннинга, площади поперечного сечения и возможность неравномерного течения.
Этот метод часто используется в гидрометрических постах Геологической службы США для оценки стока реки путем измерения только уровня реки. Часто по этим причинам взаимосвязь уровня/расхода реки разрабатывалась с помощью сложной гидравлической модели реки для учета сложной геометрии русла и условий трения русла.
Первичное устройство
Первичное устройство используется для измерения расхода в открытом русле с использованием такой конструкции, как лоток, водослив или плотина, которая позволяет измерять расход путем измерения глубины. Затем можно использовать уравнение или уравнение оценочной кривой для преобразования измеренной глубины в скорость потока.
Первичные устройства работают, заставляя поток проходить через критическую глубину, например, на гребне водослива или в устье желоба. С технической точки зрения критическая глубина определяется как глубина, которая приводит к минимальному удельному энергетическому состоянию для конкретного разряда.
С практической точки зрения это состояние минимальной энергии означает, что существует только один расход, соответствующий критической глубине. Следовательно, измерение только глубины дает измерение соответствующего потока, отсюда и термин «основное» устройство.
Первичные устройства — это очень удобный способ измерения потока, поскольку глубину можно измерять над потоком без необходимости погружения датчика в воду. Это делает первичные расходомеры более надежными и простыми в обслуживании. Одним из недостатков первичных устройств является то, что они могут вызвать потерю напора и подпор в системе. Первичные устройства обычно считаются наиболее точным способом измерения расхода в открытых каналах.
Измеритель площади-скорости
Измеритель площади-скорости представляет собой расходомер с открытым каналом, который измеряет поток, выполняя два отдельных измерения глубины и скорости. Глубина преобразуется в площадь поперечного сечения с использованием геометрии трубы или канала.
Затем поток вычисляется с использованием уравнения неразрывности путем умножения площади потока на скорость, отсюда и название «A-V-метр». Скорость часто измеряется с помощью доплеровского датчика, который отражает ультразвуковые волны от частиц в жидкости и использует доплеровский сдвиг в отраженном звуковом сигнале для оценки скорости. Некоторые измерители A-V измеряют поверхностную скорость оптическим способом для оценки скорости. Некоторые распространенные производители измерителей AV включают ISCO, ADS и Hach, которые производят измерители Sigma и Marsh-McBirney.
Измерители A-V обычно используются для измерения расхода в открытом канале в канализационных коллекторах, поскольку датчики относительно малы и их можно установить в существующую канализационную трубу, не вызывая значительных потерь напора в трубе. Это также делает их полезными для временных или краткосрочных приложений измерения расхода для исследований канализации. Недостатком AV-метров является то, что датчик должен быть установлен в жидкости.
В канализационных коллекторах это требует частого технического обслуживания для очистки датчиков. Измерители AV обычно считаются менее точными, чем первичные расходомеры, потому что первичное устройство должно измерять только глубину, а измерение глубины является более точным, чем измерение скорости.
Измеритель времени прохождения
Измерители времени прохождения были разработаны в нефтяной промышленности для точного измерения расхода в больших трубах. Они с некоторым успехом были адаптированы для использования в открытых каналах для измерения расхода воды. Измерители времени прохождения также используют ультразвуковые волны, такие как доплеровский измеритель, но вместо того, чтобы отражать звуковые волны от частиц в воде, как в доплеровском измерителе, измерители времени передачи посылают ультразвуковую волну между двумя датчиками, расположенными на некотором расстоянии друг от друга по длине. трубы и использовать время передачи звуковых волн для вычисления скорости воды.
Поскольку скорость звука в воде известна, скорость воды можно рассчитать по смещению времени прохождения ультразвука, которое происходит из-за скорости воды.
Измерители времени передачи могут быть дороже по сравнению с доплеровскими расходомерами из-за большого количества используемых датчиков и сложной установки. Они могут быть более точными благодаря возможности разбивать поток на горизонтальные поперечные сечения и измерять скорость в каждом сечении.
Общие методы измерения расхода в системах с полной трубой
Расходомер Вентури
Расходомер Вентури измеряет расход в заполненных трубах или напорных трубах, используя эффект Вентури , используя сужающийся участок трубы для сужения потока. Следуя уравнению неразрывности, сужающийся участок имеет меньшую площадь поперечного сечения и, следовательно, более высокую скорость в горловине. Эта более высокая скорость в горловине приводит к падению давления в горловине благодаря сохранению энергии и принципу Бернулли.
Затем можно определить расход путем измерения перепада давления в сужающейся части и использования уравнения Бернулли для расчета расхода. Счетчики Вентури более распространены в системах учета воды, потому что порты измерения давления могут засориться в системах сточных вод.
Турбинные расходомеры
Турбинные расходомеры представляют собой механические расходомеры, использующие вращающуюся в потоке турбину для измерения расхода воды в трубе. Скорость вращения турбины пропорциональна скорости, и расход можно рассчитать, используя уравнение неразрывности. Турбинные счетчики используются только в водоснабжении из-за потенциальных проблем, связанных со сбором твердых частиц сточных вод и засорением турбины.
Магнитный расходомер
Магнитный расходомер работает путем приложения магнитного поля к потоку, проходящему через трубу. Это вызывает небольшую электронную разность потенциалов (благодаря закону Фарадея и электромагнитной индукции), которую можно измерить электродными датчиками.
Величина электронной разности потенциалов пропорциональна скорости воды, и тогда поток можно рассчитать с помощью уравнения неразрывности.
Одним из преимуществ магнитных счетчиков является то, что измерительная секция имеет тот же диаметр, что и соседняя труба, поэтому магнитный счетчик не вызывает дополнительных потерь напора. Чаще всего магнитные счетчики используются в системах полного (напорного) трубопровода, но теперь также доступны магнитные счетчики с открытым каналом.
Выводы
Существует множество способов измерения расхода. Каждый метод имеет различные преимущества, недостатки и точность в различных приложениях.
Важно понимать характеристики различных методов измерения расхода, чтобы помочь выбрать подходящий тип расходомера для вашего приложения или правильно интерпретировать измерения расхода от существующего расходомера. Такой инструмент, как h3Ometrics – облачная компания по анализу данных о воде, – полезен для изучения измерений, собранных расходомером, и выполняет диагностику, чтобы понять производительность счетчика, а также быстро обработать и проанализировать данные.
Что такое расходомер жидкости и для каких целей он используется?
- Опубликовано 23 февраля 2020 г.
- Без категории
- от Протейсинда
Расходомер жидкости представляет собой устройство, используемое для измерения объемного, массового, нелинейного и линейного расхода жидкости. Расход рассчитывается путем измерения скорости жидкости. Существует много типов расходомеров жидкости. Выбранный тип будет зависеть от области применения и типа жидкости. Характер жидкости и установка будут влиять на выбор типа расходомера жидкости.
Применение расходомеров жидкостиСуществует пять типов расходомеров жидкости: дифференциальное давление, скорость, прямое вытеснение, масса и открытый канал.
Расходомеры перепада давления Примеры расходомеров перепада давления включают трубки Венчурного типа, диафрагмы, расходомеры, коленчатые расходомеры, пилотные трубки, расходомеры с переменным сечением и целевые расходомеры.
Расходомеры с перепадом давления чаще всего используются для определения расхода жидкости. Почти 50% мировых расходомеров относятся к этому типу. Они работают по принципу, что когда давление падает на расходомере, оно пропорционально квадратному числу скорости потока. Для определения расхода измеряется перепад давления, а затем извлекается квадратный корень.
Расходомеры дифференциальные имеют первичную и вторичную части. Первичная часть вызывает изменение энергии движения, увеличивая перепад давления внутри трубы. Вторичная часть вычисляет перепад давления и выдает показания сигнала, которые преобразуются в значение расхода.
Расходомеры скоростиПримеры расходомеров скорости включают турбинные, вихревые, вихревые, с эффектом Конада и импульсным обменом, электромагнитные, ультразвуковые, доплеровские и времяпролетные.
В скоростном расходомере расход определяется путем измерения скорости более чем в одной точке потока и последующего интегрирования скорости по всей площади потока.
Расходомеры турбинные применяются на нефтепроводах. Они обнаруживают утечки вдоль трубопровода. Турбинные счетчики также используются для налива светлых углеводородных продуктов в железнодорожные вагоны и автоцистерны. Они также измеряют химические вещества, топливо и воду, используемые в процессах бурения нефтяных скважин.
Объемные расходомерыПримеры объемных расходомеров включают возвратно-поступательный поршень, овальную шестерню, нутирующий диск и вращающуюся крыльчатку.
В объемном расходомере расход жидкости измеряется точно подобранными роторами. Фиксированные и известные объемы перемещаются между роторами. Скорость вращения роторов пропорциональна объему вытесняемой жидкости. Количество оборотов подсчитывается встроенным электронным датчиком импульсов. Затем эта информация преобразуется в скорость потока и объем.
Расходомер прямого вытеснения используется для измерения расхода жидкостей, таких как полимерные добавки, смазочные масла, печное топливо, растительный и животный жир, типографская краска и дихлордифторметан R-12.