• Измерения в промышленности. т2 – Справочник под редакцией П. Профоса – М.: “Металлургия”, 1990. – 384с.

    • МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ВОДЫ В КАНАЛАХ
     

    Введение

    1

    Методы определения расхода жидкости в каналах

     

    1.1

    Метод определения расхода по разности уровней. Расходомер Вентури для открытых лотков

     
     

    1.2

    Метод тарирования

     

    1.3

    Магнито-индукционные методы измерения расхода

     

     

     

    ВВЕДЕНИЕ

    Прошло более ста лет с тех пор, как были обнаружены два режима течения: ламинарный и турбулентный. Однако, проблема определения количественных характеристик таких течений не решена даже в настоящее время.

    Благодаря успехам современной электроники удалось создать достаточно точные приборы для измерения турбулентности и ее параметров.

    Однако практические задачи в настоящее время значительно сложнее. Например, для химических реакторов необходимо рассчитывать скорости смешения веществ до молекулярного уровня и скорости химических реакций в турбулентных течениях; для магнитогидродинамических генераторов – влияние магнитных и электрических полей на процессы, происходящие при турбулентном течении проводящей жидкости; в многочисленных применениях оптических квантовых генераторов – влияние турбулентности атмосферы на рассеяние луча, изменение длины волны и фазы. В экологических задачах, а также прогнозах погоды и климата исследователи сталкиваются со специфической плоской турбулентностью атмосферных и океанических течений, свойства которой существенно отличаются от обычной трехмерной. Можно привести и другие примеры.

    Даже при измерении таких простых параметров, как это может показаться на первый взгляд, как расход протекающей по каналу жидкости и уровень заполнения канала возникают сложности, связанные с турбулентностью, а именно: определение скорости течения, порождение пульсаций компонент скорости, рассеяния их по пространству и превращения в теплоту.

     

     

     

    1 МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСХОДА ЖИДКОСТИ В КАНАЛАХ

    Измерение расхода в открытых руслах водо-подающих каналов осуществляется тремя основными методами: русловым методом, методом тарирования и методом специальных водомерных сооружений.

    Русловой метод заключается в определении расхода и стока воды (Q) путем измерения уровня воды (Н) и локальной скорости течения (U) в специальном гидростворе, для которого предварительными измерениями устанавливают зависимость Q = f(U,H). Фиксированные русла выбирают на устойчивых участках канала (где течение развитое) и там, где нет влияния подпора и спада. Используя этот метод, следует учитывать возможность деформации русла (размыв, заиление) и сопутствующие ошибки измерения.

    Метод тарирования сводится к установлению постоянной зависимости между расходами воды и основными параметрами потока (U, H) и гидротехнического сооружения (например, высота поднятия щита hщ для перегораживающих сооружений и т.п.). Этот метод измерения применяется при измерении на уже существующих гидротехнических сооружениях.

    Метод специальных водомерных сооружений, как это следует из самого названия, сводится к использованию специальных сооружений, обеспечивающих достаточно точное измерение расхода воды. Транзитные расходы воды измеряют посредством водосливов с тонкой стенкой (трапецеидальный, прямоугольный, треугольный, пропорциональный и т.д.), лотков различных типов (Вентури, Паршалла).

      1. Метод определения расхода по разности уровней. Расходомер Вентури для открытых лотков

        2. Методы определения расхода по разности уровней (Расходомер Вентури, Водослив) основаны на преобразовании потенциальной энергии положения уровня контролируемой среды в кинетическую энергию потока при постоянстве потенциальных энергий давления, обеспечиваемых наличием свободной, открытой в атмосферу поверхности. Метод применим для измерения расходов жидкостей, протекающих по открытым лоткам и каналам. В основе метода лежит уравнение Бернулли, записанное в виде:

        В расходомерах Вентури боковые сужения канала или соответствующая профилировка дна приводят к увеличению скорости потока и соответственно к понижению уровня.

        На рисунке 1.1 приведена эпюра энергетических уровней, соответствующая изображенному под ней горизонтальному сечению канала. Расход жидкости определяется в соответствии с обозначенными на рисунке параметрами по приведенному выше уравнению и условию неразрывности потока :

        ,

        где k - эмпирический коэффициент, охватывающий все неучтенные факторы (трение, сужение струи и т.п.).

        Расходомеры Вентури часто применяют для контроля больших расходов жидкостей (например, сточных вод, в системах охлаждения, для определения расходов на гидростанциях). В отличие от диафрагм соотношение площадей сечений m=(b2h2)/(b1h1), а также площадь суженного участка сечения b2h2 в расходомерах Вентури непостоянны и зависят от измеряемых величин h1 и h2.

         

        Рисунок 1.1 – Эпюра распределения энергии в канале Вентури с плоским дном.

        На этом рисунке:

        1 – сечение канала;

        2 – линия уровня жидкости;

        3 – остаточная потеря уровня;

        Н – энергетический уровень.

      2. Метод тарирования

        3. Необходимо получить постоянную зависимость между расходами воды и основными параметрами потока (U, H)и гидротехнического сооружения. В большинстве случаев в качестве гидротехнического сооружения выбирается перегораживающий щит.

        В методе тарирования с использованием перегораживающего щита необходимо учитывать закономерности турбулентного истечения жидкости из донного отверстия – из-под перегораживающего щита.

        Расход воды для щитовых водовыпусков в случаях истечения из-под щита с большой степенью затопления гидравлического прыжка за щитом определяется по формуле:

        ,

        где m - коэффициент расхода;

        b - ширина щитового отверстия;

        hщ - высота поднятия щита;

        H0 = H+(a U2)/(2g) - полный напор перед щитом;

        H - уровень воды в верхнем бьефе сооружения (перед щитом);

        a - коэффициент Кориолиса (степень неравно-мерности потока перед щитом);

        U - средняя скорость течения воды перед щи-том (скорость подхода);

        g - ускорение свободного падения;

        h - уровень воды в нижнем бьефе сооружения (за щитом).

        Коэффициент расхода m является функцией скорости подхода воды к щиту U и отношения высоты поднятия щита hщ к уровню воды в верхнем бьефе сооружения H и определяется эмпирически.

        Схема измерения расхода по методу тарирования приведена на рисунке 1.2.

        Рисунок 1.2 –Схема измерения расхода по методу тарирования.

      3. Магнито-индукционные методы измерения расхода

        4. Характерные особенности магнито-индукционных методов измерения расхода

    Обработка измерительной информации: Электронное устройство, предназначенное для обработки измерительной информации, должно обладать входным сопротивлением, превышающим не менее чем на два порядка величину выходного сопротивления ПИП, которое представляет собой сумму внутреннего сопротивления жидкости и переходного сопротивления системы жидкость-электрод. Электронное устройство должно обеспечивать:

    Указанные требования в основном выполняются дифференциальными усилителями. Требуемое входное сопротивление этих усилителей может быть обеспечено при помощи полевых транзисторов, что позволяет измерять расходы жидкостей, обладающих высоким удельным сопротивлением.

    Оценка магнито-индукционного метода измерения расхода: в отличие от расходомеров других типов, принципы действия которых основаны на измерениях механических величин (давления, перепада давлений, крутящего момента и др.), преобразуемых в электрические сигналы для измерения электрическими показывающими приборами и передачи на центральный пункт управления, магнито-индуктивный преобразователь расхода непосред-ственно выдает электрический сигнал, дальнейшая обработка которого заключается лишь в фильтрации помех и усилении.

    Магнито-индукционный метод измерения расходов обладает следующими достоинствами:

    • линейной зависимостью выходного сигнала от средней скорости контролируемого потока; по точности этот метод превосходит другие методы измерения, в частности метод переменного перепада давления при измерениях в диапазоне малых расходов;

    • отсутствием установленных в канале (или трубопроводе) механических элементов, а также перемещающихся деталей, что обеспечивает крайне малую потерю давления, не превышающую потерю в прямых трубопроводах той же длины;

    • установка преобразователя не изменяет профиль и характер потока;

    • результаты измерения в нормальных условиях эксплуатации не зависят от температуры, вязкости, концентрации и давления контролируемой среды;

    • результаты измерения не зависят от направления потока контролируемой среды; можно контролировать расход пульсирующего потока;

    • расположение первичного преобразователя в пространстве не оказывает влияния на результат измерения;

    • выходной сигнал выдается в виде электричес-кого напряжения и после соответствующей обработки может быть непосредственно использован;

    • наличие в потоке инородных частиц не влияет на результат измерения; способ применим для контроля вязких и насыщенных твердыми токонепроводящими частицами сред; дополнительное измерение электрического сопротивления потока позволяет одновременно контролировать содержание таких частиц в жидкости.

    Индуктивный метод применим для контроля расходов жидкостей, обладающих хотя бы малой электрической проводимостью, так как входное сопротивление усилителя нельзя увеличивать до бесконечности. Именно поэтому индуктивный метод неприменим для измерения расходов газов; сигнал ПИП при этом крайне мал и необходимые для его преобразования усилители с достаточно высокоомным входом невыполнимы.

    Области применения: индуктивный метод применим в различных отраслях химической промышленности, в особых условиях которой другие методы измерения расхода непригодны (например, для контроля расходов агрессивных кислот).

    Поскольку наличие твердых частиц не влияет на результаты измерений, метод применим для контроля процесса обогащения – измерения расхода пульп (смесей руда-вода, уголь-вода, песок-вода). При использовании индуктивного метода для контроля расхода сточных вод к измерительной аппаратуре предъявляются повышенные требования, т.к. контролируемая среда может содержать различные виды загрязнений.

    Магнито-индукционный метод измерения расходов в открытых лотках прямоугольного сечения

    а. Метод с направленным по диагонали магнитным полем и с переключением электродов.

    При измерении расхода этим методом магнитное поле направляется по диагонали прямоугольного сечения лотка, а напряжение, индуцируемое протекающей по лотку жидкостью, измеряется электродами е1 - е5, размещенными на другой диагонали. Если уровень жидкости снижается настолько, что жидкость едва смачивает верхний электрод, то последний автоматически отключается для исключения помех; остальные электроды е1 - е4 остаются включенными. При дальнейшем снижении уровня жидкости отключаются следующие электроды (рис. 1.3).

    Рисунок 1.3 – Магнито-индукционный метод измерения расхода в лотках прямоугольного сечения.

    Совмещение направления магнитного поля с диагональю сечения лотка позволяет получать напряжение, одновременно зависящее как от уровня воды, так и от средней скорости потока. Уровень жидкости непрерывно измеряется электродами е6 - е7. Направленное по диагонали магнитное поле индуцирует в образованной в среде петле A(h), размер которой зависит от уровня жидкости h, напряжение Uh = kBA(h), пропорциональное уровню жидкости. Это напряжение подается на измерительный преобразователь и используется в нем как для включения и отключения электродов, так и для корректировки величины измеряемого напряжения в случае, когда уровень жидкости находится между двумя электродами (рис. 1.4).

     

     

    Рисунок 1.4 – Магнито-индукционный метод определения уровня.

    б. Метод с вращающимся магнитным полем. При измерении расхода в открытых каналах и лотках поток жидкости заполняет только часть их поперечного сечения. Поэтому при измерениях расхода необходимо одновременно измерять среднюю скорость потока и площадь его поперечного сечения. Известные способы измерения расхода, предусматривающие использование переменного магнитного поля, исходят из того, что при определении площади поперечного сечения потока AF вектор магнитной индукции образует постоянный угол a с этим поперечным сечением, что позволяет записать полезный сигнал Ut, характеризующий расход через данное сечение, в виде:

    .

    При вращении магнитного поля угол a между векторами магнитной индукции и плоскости поперечного сечения изменяется в зависимости от времени. При измерении расхода в открытых, частично заполненных потоком каналах в общем случае предполагается наличие эллиптического вращающегося поля, вектор магнитной индукции которого образует с плоскостью сечения потока угол a (t) = w t;

    .

    Знак + или – обозначают направление вращения магнитного поля. При определении возникающего при движении потока жидкости полезного напряжения на электродах имеет значение только величина составляющей у, так что

    .

    С учетом калибровочного коэффициента kn полезная часть напряжения для средней скорости потока имеет вид

    .

    При использовании постоянного магнитного поля и линейных электродов пропорциональная сечению потока составляющая напряжения UA(t) выражается зависимостью

    ,

    где знак ± также характеризует направление вращения магнитного поля .

    Суммируя части полезного напряжения, записанные в виде двух последних уравнений, имеем для вращающегося влево и вправо магнитного поля два значения измеряемых на электродах напряжений:

    для вращающегося вправо магнитного поля ;

    для вращающегося влево магнитного поля .

    Промежуточное запоминание последовательно измеряемых напряжений Ur и Ul позволяет вычислить полезные напряжения, пропорциональные средней скорости потока, площади его поперечного сечения и расходу qn :

    .

    в. Метод с трапецеидально изменяющейся индукцией магнитного поля. Этот метод обладает теми же преимуществами, что и метод с периодически включаемым магнитным полем, т.к. в этом случае имеются интервалы времени, в которых градиенты dФ/dt и dU/dt одновременно равны нулю. Скорость потока изменяется также, как и при постоянном магнитном поле, если сканирование измерительного сигнала осуществляется во время этих интервалов. При последующем вычитании занесенных в память сигналов формируется сигнал Un , пропорциональный средней скорости контролируемого потока.

    Кроме того, имеются отрезки времени, в течение которых величина градиента dФ/dt остается постоянной. Считываемый в эти интервалы времени второй сигнал пропорционален площади поперечного потока. Именно поэтому метод измерения расхода, при котором индукция магнитного поля изменяется трапецеидально, предпочтителен для измерений расходов в открытых каналах и в частично заполненных трубопроводах. Вычитанием занесенных в память промежуточных сигналов сигналы помех отделяются от полезного сигнала UA, пропорционального площади поперечного потока (рис. 1.5). Пропорциональный измеряемому расходу сигнал полезного напряжения Uq формируется умножением сигналов полезных напряжений, пропорциональных соответственно средней скорости потока Un и площади его поперечного сечения UA

    .

    Графики индукции и напряжений, поясняющих этот метод приведены ниже на рисунке 1.5.

     

     

     

    Рисунок 1.5 – Графики изменений:

    а – индукции магнитного поля В и зависящего от скорости потока напряжения Un ;

    б – напряжения UA, пропорционального поперечному сечению потока;

    в – измерительного сигнала при вычитании дрейфа постоянного напряжения (1 – моменты сканирования).

     

     

     

     

     

     

       

      ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА