Способы определения массового расхода

Массовый расход часто вычисляется по показаниям расходомера, измеряющего объемный расход, и плотномера. Плотность либо измеряется напрямую, либо вычисляется по показаниям датчиков температуры и давления. Эти измерения не очень точны, т.к. связь между давлением (температурой) и плотностью не всегда точно известна – каждый датчик вносит свою погрешность в общую погрешность измерения и скорость таких вычислений обычно не достаточна для определения мгновенных изменений в потоке.

Принцип действия одного из первых массовых расходомеров основывался на сообщении жидкости вращательного движения (см. рис. ниже).

Он состоял из турбины возбуждения, которая приводилась во вращение от двигателя, стационарной турбины и пружины. Турбина возбуждения придавала вращательное движение жидкости с постоянной угловой скоростью. Чем выше плотность жидкости, тем больший вращающий момент требовался для достижения определенной угловой скорости. Далее жидкость поступала на стационарную турбину, которая удерживалась пружиной. Жидкость создавала вращающий момент на турбине. Таким образом, возникающее усилие в пружине зависело от массового расхода.

Все эти элементы имели движущиеся части и сложную механическую конструкцию. Подобные расходомеры были разработаны для авиационного топлива, некоторые из них используются до сих пор. Тем не менее, из-за их сложной конструкции и больших затрат на обслуживание, они постепенно заменяются более простыми и легкими в обслуживании устройствами.

Массовый расход также может быть измерен непосредственным взвешиванием или сочетанием точного датчика уровня жидкости с плотномером. Такая и подобные системы были использованы для измерения полного массового расхода жидких растворов.

 Кориолисовы массовые расходомеры

Французский инженер Г.-Г. Кориолис первым заметил, что все тела, движущиеся по поверхности Земли, имеют тенденцию к отклонению в сторону, из-за восточного направления вращения планеты. В Северном полушарии отклонение происходит в правую сторону относительно направления движения; в Южном – в левую. Это отклонение непосредственно влияет на океанские приливы, а также на погоду на всей планете.

Первые кориолисовы массовые расходомеры были сконструированы в 1970-х годах. Эти расходомеры искусственно придавали вращающее движение жидкости и измеряли массовый расход, фиксируя результирующий вращающий момент.

Рассмотрим течение жидкости в горизонтальной трубе. Закрепим трубу с одного конца и придадим ей вращение с постоянной угловой скоростью в горизонтальной плоскости относительно точки закрепления. Если жидкости сообщить кориолисово ускорение, посредством вращения трубы, то величина отклоняющей силы Кориолиса будет зависеть от массового расхода жидкости. Отклоняющая сила, действующая на трубу, будет всегда направлена вправо относительно вектора скорости. Вектор силы Кориолиса и вектор скорости жидкости лежат в одной (горизонтальной) плоскости.

Частица жидкости dm движется со скоростью V в трубе Т (рисунок 5-2). Труба вращается относительно неподвижной точки P. Частица находится на расстоянии r от точки P, равному радиусу трубы R. Частица движется с угловой скоростью w. Ускорение частицы складывается из двух составляющих: центростремительного, направленного к точке P и кориолисова, направленного вправо, относительно центростремительного.

a_r (центростремительное)=w²r

a_t (кориолисово)=2wv

Для того, чтобы сообщить жидкости кориолисово ускорение, необходимо, чтобы со стороны трубы на частицу жидкости действовала сила a_tdm. Со стороны жидкости на трубу действует такая же сила, но противоположно направленная – сила Кориолиса:

F_c=a^tdm=2wv(dm)

Пусть жидкость имеет плотность D и течет с постоянной скоростью внутри вращающейся трубы через поперечное сечение площадью A. На часть трубы, имеющая длину x , будет действовать сила Кориолиса, величина которой равна:

F_c=2wvDAx

Поскольку массовый секундный расход равен dm=DvA, то F_c=2w(dm)x. В итоге имеем:

Массовый расход = F_c/(2wx)

Таким образом, измеряя значение силы Кориолиса жидкости во вращающейся трубе, можно определить величину массового расхода. Естественно, вращать трубу в промышленных условиях крайне неудобно, а в большинстве случаях просто невозможно, но если придать трубе колебательные движения или вибрацию, то можно достичь аналогичного эффекта. Кориолисовые расходомеры могут измерять массовый расход, как в прямом, так и в обратном направлении течения жидкости.

В большинстве конструкций, трубка закреплена в двух точках и ей сообщается колебательное движение между этими двумя точками. Такая конфигурация возможна, например, если заставить вибрировать пружину вместе с заполненной трубой на ее резонансной частоте, которая зависит от массы трубы с жидкостью. Частоту колебаний выбирают резонансной, т.к. при этом необходима минимальная вынуждающая сила пружины, чтобы поддерживать постоянные колебания заполненной трубы. Зависимость амплитуды вынужденных колебаний от частоты вынуждающей силы приводит к тому, что при некоторой определенной для данной системы частоте амплитуда колебаний достигает максимального значения. Колебательная система оказывается особенно отзывчивой на действие вынуждающей силы при этой частоте. Это явление называется резонансом, а соответствующая частота – резонансной частотой. Значение резонансной частоты: w_рез= square root(w₀²-2B²), где w₀- собственная частота системы, B=r/2m – коэффициент затухания, r – коэффициент сопротивления, т. е. коэффициент пропорциональности между скоростью x и силой сопротивления, m – масса тела. Как видно, резонансная частота зависит от массы всей сборки.