Расходомеры > Расходомеры
Струйные расходомеры
Струйные расходомеры
Расходомеры данного вида служат для измерения расхода или скорости. Главным элементом преобразователей таких приборов является вытекающая струя жидкости или газа. Именно поэтому эти расходомеры называют струйными. Струйные расходомеры нашли применение в теплоэнергетике, топливной и химической промышленности, медицине и т.д. для коммерческого, метрологического и технологического контроля потоков жидкости, газа и пара.
Расходомеры данного вида обладают низким порогом чувствительности, что позволяет измерять малые расходы газа и жидкости.
Струйные расходомеры делят на три группы, в каждой из которых функция вытекающей струи, а следовательно, и принципы их действия совершенно различны.
Приборы первой группы — расходомеры с осциллирующей струей, которые являются одной из разновидностей вихревых расходомеров. Частота колебаний данных приборов пропорциональна объемному расходу.
Этот метод измерения недостаточно распространён. Данный расходомер представляет собой бистабильный струйный элемент, охваченный отрицательными обратными связями, которые выполнены в виде пневматических каналов, соединяющих выходные каналы струйного элемента с одноименными каналами управления (левый – с левым, правый – с правым).
При наличии расхода газа через сопло питания струйного элемента выходящая из него струя попадает в один из выходных каналов и создает в нем повышенное давление, которое через соответствующий канал обратной связи подается в одноименный канал управления и переключает струю, выходящую из канала питания, в другое устойчивое положение. Затем процесс переключения струи повторяется. Частота переключений пропорциональна расходу газа через сопло питания струйного элемента.
Таким образом, в данном методе измерения, также как и в вихревом, используется принцип создания аэродинамического генератора колебаний с частотой, пропорциональной расходу газа.
Расходомеры данной группы обладают всеми недостатками, которые присущи вихревым расходомерам. Но основным недостатком является крайне большие размеры струйного элемента, который является основой данного прибора, по отношению к величине измеряемого расхода. Поэтому он, с одной стороны, может использоваться только в качестве парциального расходомера (через него идет только незначительная часть расхода газа, проходящего через измерительное сечение), а это снижает достоверность измерений. С другой же стороны, расходомер с осциллирующей струей существенно больше подвержен засорению, чем вихревой (т.е. не обладает одним из основных преимуществ вихревого расходомера). Также существенным недостатком расходомера данного типа можно считать нестабильность коэффициента преобразования (еще больше, чем у вихревого расходомера). Изменение коэффициента преобразования у различных модификаций данного расходомера находится в диапазоне от 14,5% до 18,5% при изменении расхода через прибор в диапазоне изменения расхода не более 1:5.
Расходомер с осциллирующей струей обладает теми же достоинствами, что и вихревой, не считая работоспособности на загрязненных газах.
Данные расходомеры применяют взамен датчиков перепада давлений, на расходомерах переменного перепада, что позволяет расширить диапазон измерения последнего. Однако вышеуказанные недостатки не позволяют рассчитывать на серьезное внедрение данного метода для коммерческого учета газа.
Приборы второй группы — расходомеры ударно-струйные, которые измеряют зависящий от расхода перепад давления, возникающий при ударе струи жидкости или газа. Но область применения счетчиков данного типа ограничена: их применяют лишь для измерения малых расходов.
В основу работы струйного расходомера данного типа положен принцип измерения расхода и количества сред методом переменного перепада давления. Определение величины перепада давления и преобразование его для целей измерения расхода потока производится струйным автогенератором (САГ). Он используется вместе с сужающим устройством, что фактически заменяет дифманометр в узлах учета на основе сужающих устройств (СУ).
САГ представляет собой бистабильный струйный элемент, охваченный обратными связями, которые обеспечивают режим автоколебаний. Колебания струи в САГ генерируют пульсации давления, которые при помощи пьезодатчиков преобразуются в электрический сигнал. Частота этого сигнала пропорциональна объемному расходу (корню квадратному из перепада давлений между входом и выходом САГ, т.е. между плюсовой и минусовой камерами сужающего устройства, входящего в состав струйного расходомера).
Рис. 1 Схема преобразователя расходомера с отклонением вытекающей струи.
Приборы третьей группы — расходомеры с отклонением вытекающей струи. Принцип работы данного счетчика жидкости основан на зави-симости перепада давления от измеряемой скорости жидкости или газа, возникающего при отклонении струи вспомогательного газа или жидкости. Схема преобразователя такого прибора показана на рисунке 1.
Струя вспомогательного газа или жидкости, подаваемых под давлением 0,2 МПа, непрерывно с большой скоростью вытекает из соплового отвер-стия трубки 1. При измерении скорости газа вспомогательное вещество — воздух или другой газ, а при измерении жидкости — вода или другая жидкость. На расстоянии 21 мм напротив соплового отверстия трубки 1 симметрично расположены отверстия двух приемных трубок 2 и 3, расстояние между осями которых равно 2,2 мм. Вытекающая струя создает в приемных трубках давления р1 и р2. Если измеряемая скорость v равна нулю, то струя вспомогательного газа или жидкости не отклоняется от своего направления, а следовательно р1 = р2. С появлением скорости v струя, вытекающая из трубки 1, будет отклоняться вправо, вследствие чего давление р1 в трубке 2 будет расти, а давление р2 в трубке 3 — падать. Разность давлений р1 — р2 увеличивается с увеличением скорости v струи. Зависимость р1 — р2 от скорости v близка к линейной. Прибор предназначен для измерения сравнительно небольших скоростей от 3 см/с до 3 — 6 м/с газа и от 0,3 до 30 см/с жидкости предпочтительно у потоков, имеющих равномерный профиль скоростей.
Одним из основных элементов любого струйного счетчика-расходомера, независимо используется он при коммерческом учете природного газа в промышленном или бытовом секторах, является струйный автогенератор (САГ). Рассмотрим более детально работу струйного автогенератора, который схематично представлен на рис. 2
Рис. 2. Струйный автогенератор (САГ)
Струйный автогенератор представляет собой струйный бистабильный элемент, приемные каналы 3, 7 которого соединены каналами обратной связи 4, 9 с соплами управления 5, 8.
Работа САГ заключается в следующем. Струя вещества, вытекающая из сопла 1 в рабочую камеру, отклоняется к одной из стенок, например к стенке 2, и прижимается к ней давлением, которое создается потоком, отраженным вогнутым дефлектором в область между струей и стенкой. Струя течет вдоль стенки 2 и попадает в приемный канал 3, в результате торможения потока давление в канале 3 по сравнению с давлением в камере и канале 7 повышается. Это вызывает разгон среды в канале обратной связи 4. Через промежуток времени запаздывания в линии t„ расход в сопле управлений 5 достигает величины расхода переключения Qcp, что приводит к отрыву струи от стенки 2 и перемещение ее к стенке. Струя достигает стенки 6, и через отрезок времени запаздывания в струйном элементе tзап. в канале 7 повышается давление (при этом в канале 3 оно становится равным давлению в камере). Спустя промежуток времени t„ — время прохождения по каналу обратной связи 9 — расход в сопле управления 8 достигает величины Qcp в канале управления 8, и струя перемещается к стенке 2, через отрезок времени tзап.повысится давление в канале 3, и начнется новый период колебания, т.е. возникают устойчивые автоколебания струи. Частота переключений пропорциональна расходу газа через сопло питания 1 струйного элемента.
Таким образом, в струйных расходомерах используется принцип создания аэродинамического генератора колебаний с частотой, пропорциональной расходу газа (как и в вихревом расходомере).
Измеряется частота переключения струйного генератора, пропорциональная скорости (расходу) газа через устройство:
где Q — измеряемый расход, μ — коэффициент расхода, S — площадь поперечного сечения, Δp — перепад давления, ρ — плотность измеряемой среды.
Соответственно, струйные и вихревые расходомеры имеют ряд общих преимуществ, прежде всего таких, как отсутствие подвижных частей, относительная простота конструкции, нечувствительность к пневмоударам.
Также струйному автогенераторному расходомеру, выполненному на базе стандартного сужающего устройства (СУ), присущи все недостатки, которыми обладает вихревой расходомер, например повышенная чувствительность к искажениям эпюры скоростей потока, а значит повышенные требования к стабильности потока, то есть к длинам прямых участков.