Debitmetru

Debitmetrul, cunoscut și sub numele de debitmetru sau debitmetru, este un instrument pentru măsurarea debitului , a volumului ^[1] sau a masei ^[2] , a unui fluid , lichid sau aeriform.

fundal

Interesul pentru măsurarea debitului a apărut ca urmare a necesității de a cunoaște debitele râurilor, pentru a studia, dacă nu pentru a controla, caracteristicile inundațiilor.

Mai târziu, au fost necesare măsurători ale debitului apeductelor, canalelor și altor conducte de apă.

În industria modernă, măsurătorile debitului sunt esențiale în controlul proceselor și sunt inerente diferitelor sectoare industriale, inclusiv: industria chimică , centralele hidroelectrice , mineritul , prelucrarea alimentelor și ingineria mediului .

Tipologie

Același subiect în detaliu: Contor de gaz .

Se poate face o clasificare pentru debitmetre în funcție de tipul de măsurare:

Vitezometru;
Debitmetru real.

Fiecare dintre acestea poate fi catalogat în conformitate cu tehnica de măsurare:

Contor de deplasare, cu piese în mișcare cauzate de fluidul măsurat;
Contor static, care măsoară efectul mișcării corpului fără ca părțile instrumentului să se miște.

Vitezometre

Pentru calcularea debitului prin intermediul contoarelor de viteză, relația este utilizată:

Q=V\cdot S

{\ displaystyle Q = V \ cdot S}

{\ displaystyle Q = V \ cdot S}

unde este $Î$ ${\ displaystyle Q}$ $Î$ este scopul, $V.$ ${\ displaystyle V}$ $V.$ viteza corpului, e $S.$ ${\ displaystyle S}$ $S.$ secțiunea actuală a pasajului, în unități coerente. Odată ce secțiunea de trecere este cunoscută, o viteză măsurată corespunde deci unui singur și debitului.

Contoare dinamice

Jurnale

Buștenii sunt instrumente utilizate pentru măsurarea vitezei navelor .

Același subiect în detaliu: Jurnal .

Plutitoare

Contor de plutitor.

Un alt tip de contor folosit în trecut și, ocazional, chiar și astăzi, se bazează pe observația că un corp scufundat într-un fluid în mișcare tinde să aibă viteză relativă zero față de fluidul în sine. În practică, un plutitor (anterior un buștean) aruncat într-un râu se va deplasa cu aceeași viteză ca și curentul de suprafață. Măsurând timpul luat de plutitor pentru a parcurge o bază măsurată, se determină viteza. Pentru a ține seama de efectul băncilor, instrumentul este de obicei format dintr-o sferă de dimensiuni relativ mari, cu flotabilitate pozitivă, conectată la o a doua sferă, de dimensiune mai mică, cu flotabilitate ușor negativă. Acest tip este mult mai precis decât jurnalul, dar este aplicat, ca debitmetru, numai cursurilor de apă cu o secțiune constantă cel puțin de-a lungul bazei de măsurare (mai bine dacă este extins, pentru a evita efectele nedorite) și, prin urmare, în special canalelor. artificial.

Debitmetre cu suprafață variabilă

Debitmetru cu zonă variabilă sau rotametru.

Debitmetrul cu suprafață variabilă , numit și rotametru ^[3] este în mod substanțial un tub 1 din sticlă sau alt material (de obicei) transparent cu o secțiune longitudinală conică, în interiorul căruia există un corp aproximativ cilindric-conic sau sferic 2 cu un diametru puțin mai mic decât minimul tubului, numit în mod necorespunzător plutitor . Dacă conducta este plasată în poziție verticală, cu cel mai mare diametru intern în partea superioară, iar fluidul al cărui debit trebuie măsurat intră de jos, se exercită o presiune asupra plutitorului care depinde de forma și viteza fluid în inelul circular dintre țeavă. și plutesc în sine. Presiunea scade pe măsură ce secțiunea inelului circular care rămâne liber crește și se atinge un echilibru care depinde de viteza (și caracteristicile fizice) ale fluidului, de masa plutitorului și de forma acestuia. După cum sa menționat mai sus, se pare că rotametrul poate funcționa numai dacă este plasat într-o poziție verticală cu flux ascendent și că funcționarea este posibilă numai cu fluide curate.
Există numeroase variante:

Debitmetru cu suprafață variabilă în derivare.

dacă plutitorul este realizat din (sau conține) material magnetic, iar tubul de măsurare este din material diamagnetic , puteți evita tubul transparent, fragil și trageți un indicator extern care poate transmite și un semnal la distanță. În plus, pot fi utilizate țevi de înaltă presiune și pot fi tratate fluide fierbinți, periculoase și / sau corozive.
Folosind încă un plutitor magnetic, releele Reed pot fi montate pentru a defini un contact cu debit mare sau mic.
pentru debituri foarte mari, pentru a evita dimensiunea excesivă a rotametrelor, folosind rotametre în derivare. Datorită căderii de presiune create de un orificiu calibrat, o parte a fluxului trece printr-un rotametru normal. Calibrând sistemul, aveți o indicație destul de corectă.

Debitmetrele cu suprafață variabilă normală au o precizie de ordinul a ± 5% din valoarea întregii scale; cele speciale și modelele foarte mici ating ± 10%.

Contoare statice

Orificiu calibrat (sau diafragmă)

Orificiu calibrat.

Dacă o restricție este interpusă într-o conductă prin care trece un fluid, se generează o cădere de presiune localizată în zona restricției: cu alte cuvinte, se stabilește o diferență de presiune între secțiunea din amonte și aval de restricție, care este proporțional cu pătratul vitezei din șoc. Dacă un orificiu calibrat R este interpus într-o conductă, presiunile care vor fi măsurate în două conducte conectate în amonte și în aval de orificiul în sine vor fi, respectiv, mai mari și mai mici. Măsurând diferența de presiune între amonte și aval, care va fi proporțională cu pătratul vitezei din orificiu, debitul poate fi calculat. În practică, restricția este reprezentată de un disc, în care se face o gaură care este de obicei coaxială cu conducta; discul este strâns între două flanșe în care se fac găuri care leagă camerele în amonte și în aval de disc cu manometre (sau cu un singur manometru diferențial). Deoarece acest sistem de măsurare este foarte răspândit, există manometre cu o scală pătratică (căderea de presiune, așa cum am menționat, este proporțională cu pătratul vitezei), pe care este ușor de citit debitul. Acest sistem de măsurare a debitului este probabil cel mai răspândit; chiar dacă este de obicei mai puțin precisă decât tubul Venturi (a se vedea mai jos), are încă o precizie excelentă, de ordinul a 0,5% din măsurare. Este potrivit pentru debitele foarte mici (cm ³ / h) până la cele foarte mari (mii de m ³ / h).

Tuburi Venturi

Tubul Venturi.

Similar orificiilor calibrate, dar exploatează legea conservării energiei sub forma ecuației Bernoulli . Dacă există o restricție treptată într-o conductă, va exista o creștere a vitezei. Conform ecuației Bernoulli, în diferitele secțiuni ale unei conducte avem relația

$z+{\frac {P}{dg}}+{\frac {v^{2}}{2g}}=const$ ${\ displaystyle z + {\ frac {P} {dg}} + {\ frac {v ^ {2}} {2g}} = const}$ ${\ displaystyle z + {\ frac {P} {dg}} + {\ frac {v ^ {2}} {2g}} = const}$

(neglijând pierderile de sarcină) unde P este presiunea în secțiunea generică, d densitatea fluidului, v viteza acestuia, g accelerația medie a gravitației în secțiune și z înălțimea.

Prin urmare, în restricția secțiunii S ₀ , o creștere a vitezei va corespunde unei scăderi a presiunii, presiunea P _{0 fiind} dată de relația scrisă mai sus; în conducta solidă cu secțiunea S ₁ (mai mare), viteza va fi mai mică și, prin urmare, presiunea P ₁ mai mare. Diferența P ₁ - P ₀ este proporțională, din nou cu legea pătratică, cu viteza din restricție, de la care se calculează debitul. Avantajul tubului Venturi în comparație cu orificiul calibrat constă în căderea de presiune foarte mică a tubului Venturi, în care o mărire care urmează restricției recuperează energia cinetică în presiune statică; regularitatea geometriei interne face, de asemenea, dificilă înfundarea, permițând astfel măsurători pe fluide care conțin solide suspendate. Un dezavantaj notabil constă în distanța dintre orificiile de presiune: în timp ce orificiul de joasă presiune (verde) se află în șoc, orificiul de înaltă presiune (mov) trebuie plasat la o anumită distanță de acesta, pentru a nu fi afectat de efectele venei contractate. În practică, admisia de înaltă presiune este setată la 7 - 10 diametre interne ale conductei în aval de restricție. Prin urmare, se înțelege că într-o conductă DN 200 dimensiunile globale ale instrumentului sunt de aproape doi metri.
Tubul Venturi oferă măsurători de o precizie excelentă, iar unele tipuri sunt permise ca contoare fiscale; datorită caracteristicilor sale, este potrivit pentru o gamă largă de debituri, de la câțiva m ³ / la multe mii.
Contoarele de tuburi Pitot și contoare de tip Annubar , cu care măsoară atât presiunea statică, cât și energia cinetică, fac parte, de asemenea, din familia tuburilor Venturi.

Contoare magnetice

Dacă un corp conductor este trecut printr-un câmp magnetic, o forță electromotivă este generată în corpul conductor și această forță este proporțională cu viteza de mișcare. Prin urmare, dacă un tub traversat de un fluid este supus unui câmp magnetic transversal, curentul va trece prin acest fluid (dacă este conductor). Doi electrozi izolați plasați în contact cu fluidul, dacă sunt așezați la o anumită distanță unul de celălalt, vor măsura o diferență de potențial proporțională cu viteza fluidului; dacă secțiunea este cunoscută, debitul volumetric este astfel cunoscut. Limitarea contorului magnetic constă, în afară de necesitatea de a avea o conductivitate ridicată a fluidului, în a fi cu atât mai precisă cu cât densitatea fluidului este mai mare: este deci inutilizabilă pentru gaze.
Rețineți că electrozii trebuie să fie în contact cu fluidul de proces. Dacă ar lăsa un depozit izolant asupra lor, instrumentul nu ar mai funcționa.
Pentru a depăși acest dezavantaj, s-au produs contoare magnetice în care electrozii sunt izolați de fluid: măsurarea EMF indusă are loc cu cuplarea inductivă între electrozi și fluidul de proces.

Coriolis metri

Contor Coriolis.

Într-un cadru de referință care se rotește uniform, apare un corp în mișcare (unui observator din același cadru de referință), ca fiind supus unei forțe radiale cu privire la mișcarea sistemului, numită forța Coriolis . Dacă un fluid este apoi trecut într-un tub circular (de obicei în formă de U), se creează o deplasare a acestui tub (de obicei prin vibrații induse) datorită forței Coriolis care acționează asupra tubului în sine. Această deplasare este proporțională cu fluxul de masă, care poate fi astfel măsurat.

Contoare cu ultrasunete

Există două tipuri. Cele mai frecvente sunt cele de reflexie; dacă o undă sonoră este emisă de perete către centrul unei țevi, aceasta va fi reflectată (parțial) de peretele opus. Dacă există un fluid în mișcare în tub, acesta va deplasa unda sonoră, care va lua apoi o cale diferită pentru a ajunge la senzor. Măsurând timpul scurs între emisia valului și absorbția acestuia, este posibil să se urmărească viteza fluidului.

Contoare de efect Doppler

Prin exploatarea variației în lungimea de undă a unui sunet emis către un corp în mișcare ( efect Doppler ), este posibil să se cunoască viteza de mișcare a corpului. Dacă acest corp este o masă de fluid în mișcare într-un tub cu o secțiune constantă, este posibil să se măsoare debitul acestuia.

Anemometru cu sârmă fierbinte

Utilizat în mod normal pentru a determina viteza aerului în conductele de ventilație. Este compus dintr-o termorezistență, adică o rezistență a cărei valoare este proporțională cu temperatura, care este alimentată cu ajutorul unui curent electric de intensitate cunoscută, astfel încât să-l aducă la o temperatură mai mare decât cea a fluidului de măsurat. Această rezistență este scufundată în fluidul a cărui viteză trebuie măsurată. Fluidul va răci rezistența proporțional cu viteza sa, permițându-i să crească din nou.

Avantajele acestui instrument se datorează în principal dimensiunilor foarte mici care pot fi asumate de sondă. Acest lucru permite efectuarea de măsurători în diferite poziții în conductă, pentru a perturba fluxul de fluid într-un mod minim, pentru a avea o viteză de răspuns foarte mare (în ordinea kHz ) care permite, de asemenea, să detecteze variațiile de viteză datorate turbulenței .

Dezavantajele sunt legate de dependența calibrării de diverși factori, cum ar fi caracteristicile fluidului, presiunea și temperatura acestuia.

Debitmetre directe

Contoare volumetrice

Contor de turbină volumetric.

Sunt utilizate pe scară largă, în special ca totalizatoare (adesea numite contoare ) pentru fluxul de lichide. Un exemplu este contorul pentru consumul de apă menajeră sau contorul plasat în pompele de benzină. Pot atinge o precizie foarte mare, cu abateri chiar mai mici de 0,1% din valoarea măsurată. Rețineți că, strict vorbind, un totalizator nu este un debitmetru, ci un contor de cantitate; cu toate acestea, este obișnuit să le clasăm printre primele - și, de fapt, permit o măsurare instantanee a debitului, chiar dacă sunt echipate doar cu un indice. De obicei, acestea sunt echipate cu mai multe cadrane, fiecare având un raport de 10: 1 la următorul, astfel încât să poată reconstitui chiar și cantități semnificative curgute. Modelele mai noi dispun de contoare de decenii digitale, mecanice sau electronice pentru o citire mai ușoară.

Există în esență trei tipuri:

Contor de turbină : acestea sunt cele mai frecvente, debitul canalizat este trecut printr-o mică turbină hidraulică a cărei viteză de rotație este proporțională cu debitul. Un mecanism cinematic rotește un indicator pe un cadran, arătând astfel cantitatea de lichid trecut. Alternativ, rotația turbinei poate fi măsurată prin introducerea unui magnet în acesta care este trecut lângă un senzor special, generând un impuls pentru fiecare rotație.
Contoare volumetrice : sunt similare cu o pompă volumetrică , în care fluidul de trecere umple cavități de volum cunoscut; cu diferite sisteme, numărul de cavități umplute este numărat astfel asigurând cantitatea de fluid trecut.
Contoare de disc Nutante : sunt, de asemenea, contoare substanțial volumetrice. În aceste contoare un disc are o mișcare de nutare în jurul unei sfere centrale, creând astfel o cameră cu volum cunoscut; deoarece sfera centrală capătă o mișcare circulară, măsurarea este destul de simplă și destul de precisă.

Alte modele

Există multe alte tipuri de debitmetre care sunt mai specializate și, prin urmare, mai limitate în utilizare. Menționăm câteva:

Contoare de sârmă fierbinte . Un fir metalic este încălzit cu ajutorul unui curent electric, astfel încât să-i aducă temperatura la o valoare cunoscută. Prin măsurarea variației de temperatură a fluidului în aval de sârmă, debitul poate fi cunoscut, deoarece sunt cunoscuți unii parametri fizici ai fluidului ( conductivitate termică , căldură specifică, densitate). Debitul detectat este masa; din această densitate cunoscută, temperatură, presiune, este posibil să se obțină debitul volumetric. Uneori, același principiu de măsurare se aplică prin compararea temperaturii a două sonde cu manta: cea de referință este la temperatura fluidului, măsurarea (încălzită) atinge o temperatură mai mare, cu cât este eliminată mai puțină căldură din fluidul care o atinge. Un instrument caracterizat corespunzător obține citirea masei care trece în apropierea sondelor și înmulțirea cu secțiunea de tranzit face citirea debitului nominal al conductei.

Probleme de măsurare

Pentru a fi analizat analitic, este necesar să știm că măsurarea debitului este una dintre cele care prezintă una dintre cele mai mari dificultăți de caracterizare.

într-o conductă viteza fluidului nu este omogenă: fluidul care degajează pereții este staționar, în timp ce cel care curge în centrul conductei are viteza maximă
gradientul de viteză nu este omogen și schimbă distribuția în funcție de viteza sau puterea acestuia
distribuția vitezei în conductă este condiționată de traseul din amonte și din aval de punctul de măsurare al fluidului. Curbele, variațiile de diametru, obstacolele (supape, filtre, ochelari de vedere) provoacă turbulențe, atât de mult încât există recomandarea (obligația) de a respecta traseele drepte în amonte și în aval de punctul de măsurare pentru a permite stabilizarea fluxului. Astfel de distanțe sunt de obicei reprezentate ca numărul de diametre în amonte și în aval. Valorile tipice sunt cuprinse între 4 și 20 de diametre în amonte și 3 și 10 diametre în aval. Pe țevile mici (de exemplu, 8 mm), cea mai proastă stare este reprezentată de secțiunea dreaptă de 160 + 80 mm, dar prin trecerea la țevi chiar și cu un diametru de numai 100 mm, lungimea crește deja la 3 metri în total.
dependență de temperatură, care influențează vâscozitatea fluidului care la rândul său determină tranziții în regim de curgere, de la laminar la semi-turbulent la turbulent, schimbând drastic fenomenele fizice care apar în fluide.
distanță redusă în mod normal: cantitățile detectate variază în funcție de pătrat, dacă nu de cubul vitezei, făcându-le slabe sub anumite debituri (limite de sensibilitate) și enorme peste (influență excesivă asupra procesului, de exemplu căderea excesivă de presiune) este necesară instalarea mai multor contoare care să fie selectate în funcție de debitul care trebuie măsurat.
Dificultatea (și uneori imposibilitatea) calibrării senzorilor: de exemplu, dar fără a se limita la, variația circuitului necesară pentru instalarea unui ecartament modifică condițiile de funcționare ale celui care urmează să fie calibrat.

Aplicații

Apometru.

Găsește aplicația în sistemele de control, unde la nivel de proiectare este util sau necesar să se obțină un debit de fluid la o anumită valoare.
De exemplu, în echipamente care necesită fluxuri constante, cum ar fi:

Terapia cu oxigen , terapie bazată pe un aport mai mare de oxigen la plămâni prin creșterea procentului de oxigen prezent în aerul aspirat
Pentru a putea măsura consumul de apă al unei case (contoare de apă)
Pentru a măsura consumul de gaz al unui consumator (contoare de metan , eventual completate de convertorul de volum , pentru a corecta metri cubi geometrici în metri cubi standard ).

Notă

^ exprimabil de exemplu în [m³ / h].
^ exprimabil de exemplu în [kg / h].
^ Numele a fost o marcă comercială înregistrată, dar a fost folosit în mod obișnuit de zeci de ani.