Массовые расходомеры
3. Массовые расходомеры (массомеры)
Массовые расходомеры (называемые в России массомерами) предназначены для прямого измерения массы продуктов в динамике. Они появились в 70-х годах, непрерывно совершенствовались и стали одним из прогрессивных средств измерений массы самых разнообразных продуктов. В России применение массовых расходомеров для учета нефти и нефтепродуктов началось в 90-х годах. Практика применения выявила ряд несомненных преимуществ массомеров:
§ прямое измерение массы;
§ высокая точность измерения;
§ отсутствие влияния свойств жидкости - вязкости, плотности;
§ высокая надежность;
§ отсутствие движущихся частей и малые затраты на обслуживание.
В настоящее время массовые расходомеры изготавливаются и поставляются рядом зарубежных фирм: Miсro Motion (Fisher-Rosemount), Bopp&Reuter, Daniel и др. Наибольшее распространение получили так называемые кориолисовые расходомеры, действие которых основано на эффекте Кориолиса. Расходомер состоит из сенсора и электронного преобразователя сигнала (датчика). Сенсор имеет одну или две измерительные трубки (обычно U-образные), концы которых закреплены неподвижно.
Под воздействием электромагнита, расположенного в центре трубки, и контура обратной связи трубка совершает колебания с собственной резонансной частотой (амплитуда около 1мм., частота около 80 циклов в секунду). Благодаря этому жидкость, протекающая по трубке, приобретает вертикальную составляющую движения. Во время первой половины цикла при движении трубки вверх жидкость, протекающая через первую половину трубки, сопротивляется движению вверх и оказывает давление на трубку сверху вниз. Жидкость, движущаяся во второй (выходной) половине трубки, сопротивляется уменьшению вертикальной составляющей движения, оказывая давление на трубку снизу вверх. Это приводит к закручиванию трубки (рис.3.10). Во время второй половины цикла колебания, когда трубка движется вниз, она закручивается в противоположную сторону.
Рекомендуемые материалы
Для определения зависимостей рассмотрим отрезок трубки с движущейся в ней жидкостью, совершающей вращательно-колебательное движение (см. рис. 3.11).
Рис. 3.11
Частица жидкости массой М, движущаяся поступательно со скоростью V и вращающаяся с угловой скоростью w вокруг точки О, имеет две составляющие ускорения:
§ радиальное ускорение, равное
ar = w2r (3)
§ окружное ускорение, равное
at = 2wV (4)
Кориолисова сила, действующая на частицу массой М и действующая в обратном направлении на трубку, равна
F= at.M = 2wVM (5)
Любой отрезок трубки длиной DL испытывает действие кориолисовой силы, равной
(6)
Обратите внимание на лекцию "15 Гетерогенные линименты".
где S - площадь поперечного сечения трубки;
r - плотность жидкости;
Учитывая, что массовый расход равен Qm = V.S.r, имеем
(7)
При колебании измерительной трубки угловая скорость ее изменяется в диапазоне -w<0<w по синусоидальному закону, поэтому кориолисова сила также изменяется по такому же закону. Трубка закреплена в точках входа и выхода и колеблется таким образом, что максимальная амплитуда находится в средней точке между точками закрепления. Кориолисовы силы, образуемые в каждой половине трубки, имеют одинаковую величину, но противоположное направление. Эта пара сил создает изгибающий момент, который закручивает трубку и вызывает асимметричную деформацию ее. Величина деформации трубки (угла ее закручивания) прямо пропорциональна массовому расходу жидкости. В кориолисовых расходомерах фирмы Micro Motion деформация трубки преобразовывается в выходной сигнал путем измерения временного сдвига между сигналами детекторов, расположенных с двух сторон трубки симметрично и фиксирующих ее прохождение. При отсутствии потока жидкости между сигналами детекторов временной сдвиг отсутствует, при наличии потока вследствие закручивания трубки появляется сдвиг, прямо пропорциональный массовому расходу.
С сенсора можно также получить сигнал, позволяющий измерять плотность жидкости. Вибрирующая трубка сенсора аналогична трубке вибрационного плотномера. Трубка сенсора колеблется с собственной резонансной частотой, которая зависит от размеров и массы трубки с жидкостью. Поскольку размеры и масса трубки постоянны, резонансная частота колебаний трубки пропорциональна плотности жидкости. Управление сенсором, преобразование сигналов и выдача их осуществляется электронными преобразователями различных типов.
В таблице 3.1 приведены технические характеристики массомеров, поставляемых ведущими фирмами мира.