Дәріс №11. Газдың және сұйықтың шығыны мен мөлшерін өлшеу және бақылау құралдары

Белгілі уақыт ішінде құбырөткізгіштің көлденең қимасы арқылы өтетін заттың мөлшерін анықтайтын өлшеу құралдарын мөлшер есептеуіштер деп атайды.

Уақыт бірлігі ішінде құбырөткізгіштің көлденең қимасы арқылы өтетін заттың мөлшерін анықтайтын өлшеу құралдарын шығынөлшеуіштер деп атайды.

Құрылымдарды көлемді және массаны өлшеуге арналған есептеуіштер мен шығынөлшеуіштерге бөлуден басқа, осы құрылымдардың жұмыс принциптері негізделген,физика заңдары бойынша олардың өлшеу әдістері де сыныпталады. Өлшеу әдістерінің мышадай түрлері бар:

- көлемдік;

- айнымалы және тұрақты қысым өзгерісті (дросселдеуші құрылымдар және айналып өту шығынөлшеуіштері);

- жылдамдық қарқынды (қарқындық түтіктер);

- айнымалы деңгейлік (саңылаулық шығынөлшеуіштер);

- жылулық, ультрадыбыстық, электромагниттік, тахометрлік, инерциялық, оптикалық, маркерлік және т.б.

Көлемдік әдісті пайдаланғанда қайтымды сораптар – тістегершікті, қалақшалы және басқа – қолданылады. Сорапқа қысым айырмашылығы әсер еткенде ротор айналып, әр айналымда сұйықтың белгілі мөлшерін беріп отырады. Шығынды өлшеу уақыт бірлігі ішінде өтнтін сұйық мөлшерлерінің санын есептеуге, яғни сораптың роторының айналу жиілігін өлшеуге саяды. Сұйықтың тұтқырлығы бұл кезде аспаптың көрсетуіне әсер етпейді, бұл көлемдік әдістің артықшылығы болып табылады. Бірақ сұйықтың температурасының өзгеруі айтарлықтай әсер етеді.

Қысымның айнымалы өзгерістері әдісі дросселдеуге, яғни құбырөткізгіш арқылы өтетін сұйық ағынын тарылтуға негізделген. Ағынды тарылту оның орташы жылдамдығының артуына, демек, энергияның сақталу заңы бойынша, кинетикалық энергияның артуына және потенциялық энергияның кемуіне әкеледі. Соған сәйкес тарылту жерлерінде статикалық қысым кемиді және тарылғынға дейінгі және тарылған жерлердегі қысым айырмашылығы (өзгерісі) пайда болады. Шығынды өлшеу сұйықтың немесе газдың ағынының жылдамдығыме байланысқан қысым өзгерісін өлшеуге саяды. Ағын жылдамдығына пропорционал айнымалы қысым өзгерісін жасау үшін қарқындық түтікті, Вентури түтігін, сопло мен диафрагманы қолданады. Қарқындық түтік (11.1-сурет, а) құбырөткізгіштің ішінде ағынға қарсы орналастырылады. Нәтижесінде түтіктің шығымындағы қысым статикалық қысым мен қарқындық жылдамдық қосындысы болып табылады.

Сығылмайтын сұйық жағдайында қарқындық түтік үшін мынадай тәуелділіктерді алуға болады:

- көлемдік шығында

- массалық шығында

мұнда р₁ – жылдамдығы жоқ кездегі қысым; - сұйықтың тығыздығы.

11.1-сурет – айнымалы қысым өзгерісі әдісінің шығынөлшегіштерінің құрылымдары

Вентури түтігі (11.1-сурет, б) тарылған бөлігі арқылы жалғасқан екі конустық түтіктерден тұрады. Кеңейтілген бөліктерінің диаметрлері газ немесе сұйық ағатын құбырөткізгіштің диамерлеріне тең.

Сопло (11.1-сурет, в) дросселдік элемент ретінде ауаның немесе газдың шығынын өлшеуде қолданылады. Соплолардың параметрлері стандартталған.

Диафрагма (11.1-сурет, г) тесігінің центрңі құбырөткізгіштің центрімен беттесетін жұқа домалақ диск. Сұйықтың кіретін жағындағы жиегі сүйір, ал әрі қарай 45⁰ бұрыш жасайтын конус болып келеді.

Дросселдеуші құрылымдар үшін сығылмайтын сұйықтардың көлемдік және массалық шығындарының қысым айырмашылығына тәуелділіктері келесі өрнектермен анықталады:

,

мұнда - сұйықтың тұтқырлығына, дросселдің типі мен өлшемдеріне, ағынның сипатына және т.б. тәуелділіктегі шығын коэффициенті; g — еркін түсу үдеуі.

Егер сұйық немесе газ сығылатын болса, әдетте жиі кедесетін, онда тағы {р₁/р₂) қатынасына да тәуелді.Қысымның тұрақты өзгерістері әдісінде бағаланатын ағын жылдамдығы тұрақты. Қысым өзгерісі орта тарылған қима арқылы өткенде жасалады, ол кезде өту қимасының ауданы шығын өзгерісіне тәуелді өзгереді.тарылу жерлеріндегі тұрақты қысым ағында өзінің қалпын өзгертіп тұратын жылжымалы сезімтал элеменпен, негізінен осы элементтің массасымен анықталатын, жасалады. Шығынды өлшеу шегі 0,00025... 10000 м³/сағ аралығында. Тәжірибеде қысымның тұрақты өзгерісі шығынөлшеуіштерінің қалытқылық, поршенді және ротаметрлік түрлері қолданылады. Қарқын жылдамдығы әдісі. Сұйық мөлшерінің жылдамдығын есептеуіштер ағын ортасына орналастырылған айналатын элементтің белгілі уақыт аралығындағы айналым санын қосындылауға негізделген. Айналатын элемент ағынның өзінің кинетикалық энергиясы есебінен айналады. Айналу жылдамдығы ағып өтетін сұйықтың орташа жылдамдығына, демек шығынға пропорционал. Сезімтал элементтің құрылымының орындалуына тәуелді есептеуіштер аксиальдық және тангенсиальдық болып бөлінеді. Біріншілерін жиі турбиналы, ал екіншілерін – қалақшалы есептеуіштер деп атайды. Аксиальдық жұмысшы орган горизонталь, тангенсиальдық – вертикаль орналасады. Бұндай аспаптар сұйық мөлшерінің шығынын 3...13000 м³/сағ аралығында өлшеуге мүмкіндік береді.

Жылдамдықты (турбиналы) шығынөлшеуіш (11.2-сурет, а) көпжүрісті (4..6) ену винті болып келетін турбинадан (айналғыштан) 1, иректік берілістен 2 және ағындағы турбинаның айналу жыодамдығын өлшеуші аспапқа немесе түрлендіргішке жеткізуші білікшеден 3 тұрады. Мысал ретінде ВСТ типіндегі су есептеуішінің құрылымы көрсетілген.

Турбина типті су есептеуіші үш негігі бөліктен: корпустан, өлшеу блогынан 21, есептеуші құрылымнан 4 тұрады. Өлшеу блогі өлшеу камера-кронштейні 10 орантылатын кронштейн фланецінен 19, реттеуіштен, айналысты жеткізу механизмінен 28 тұрады. Өлшеу камера-кронштейні су ағынының жылдамдығын турбина 14 айналысына түрлендіруге арналған. Ол есептеуіш құрылыммен бір уақытта орнатылады және бекітіледі және ағынтүзеткіштен 15, өлшеу камера-кронштейінінен 10, өсті 11 турбинадан 14 тұрады. Ағынтүзеткіш ағынды түзетуге және оны турбина қалақшаларына бағыттауға арналған. Винтті қалақшалы аксиальдық турбина 14 сығанау мойынтіректерінде 32 айналатын өспен 11 қатаң байланысқан.

 

11.2-сурет – Турбина типті шығынөлшеуіш: а – принциптік сұлбасы; б – ВСТ типті су есептеуішінің құрылымы

 

Айналысты жеткізу механизмі турбина білігіне қатаң орнатылған пласмасса иректік дөңгелектен 31, шетінде магниттік жартыжалғастырғыш 8 қатаң орнатылған иректік дөңгелектің 29 вертикаль білігінен тұрады.

Есептеуіш құрылым 4 қаптамадан 3, магнит экраннан 35, магниттік жартыжалғастырғыштан 8, төмендеткіштен, алты цифрлық роликтен, екі төртжебелі индикатордан, магниттен 41 және бергіштер түйінінен 1 тұрады.

Вертикаль біліктің 29 айналу жылдамдығы магниттік жартыжалғас-тырғыштарға және төмендет-кіштің тісті дөңгелегіне беріледі. Төмендеткіштің тісті дөңгелегң цифрлы роликтерді, цифрлы жебелерді және орындаушы органдарға берілетін сигнал-дарды қалыптастыратын магнитті басқарылулы түйіспелі магниткі 41 қозғалысқа келтіреді.

Қарастырылған есептеуіштер ашық және жабық жылумен қамтамасыз ету жүйелерінің кері және тура беруші құбырөткізгіштерінде, қысымы 1,6 МПа дейінгі, температурасы 5...150⁰С, су шығыны 0,03...1200 м³/сағ, сезімталдық табалдырығы 0,01...8 м³/сағ суық және ыстық сумен қамтамасыз ету жүйелеріндегі шығындардың көлемдерін, желілік суды СНиП 2.04.07-86 бойынша және ауыз суды МЕМСТ 2874-82 бойынша, арналған.

Жылулық әдіс негізінен екі нұсқада іске асырылады. Егер шығынөлшеуіштің сезімтал элементін температуралық кедергілік коэффициенті үлкен материалдан жіңішке жіп түрінде жасап, сол жібін токпен қыздырса, онда жіптің температурасы, демек, кедергісі де ағын жылдамдығына тәуелді болады. Жылдамдық (шығын) өлшемі ток күші немесе жіп кедергісінде кернеудің төмендеуі болады.

Егер жіптің кедергісін температуралық коэффициенті нөлге тең материалдан жасап, жіпті токпен қыздырса, ағын жылдамдығына тәуелді жіптің температурасын терможұптың көмегімен өлшеуге болады.

Ультрадыбыстық әдісті іске асыруда шығынды өлшеуді ағынның бағыты бойымен және қарсы бағытта ультрадыбыстық толқындардың (жиілігі 15 кГц жоғары) өтуі кезіндегі сигналдарды тарату мен қабылдау уақытының айырмашылығын, фазалар айырмашылығын және жиіліктер айырмашылығын анықтауға келтіруге болады.

Ультрадыбыстық шығынөлшеуіштер қозғалыс жылдамдығы 10 м/с дейін және құбырөткізгіштің диаметрі 2 м дейін кезде өлшеу қателігінің өлшенетін мәннен қателігін 0,5% асырмайды.

Шығынды өлшеудің электромагниттік әдіс -40...+180⁰С температурасы кезінде өзіндік электрлік кедергісі аспайтын агрессивті, улы, тұтанғыш және басқа қауіпті сұйықтар үшін қолайлы. Магниттік өрісті кесіп өтетін электрөткізгіш сұйықтың қозғалысы кезіндегі электромагниттік индукция принципіне негізделген шығынөлшеуіштердің артықшылығы құрылымында, ағынға енгізілетін және жылдамдығына әсер етуге қабілетті, қысым төмендеуін жасайтын, қандайда бір жылжитын немесе жылжымайтын элементтердің болмауы және көрсетулерінің сұйықтың тұтқырлығы мен тығыздығына тәуелсіздігі болып табылады.

Индукциялық шығынөлшеуіштің функционалдық құрылымына (11.3-сурет) ағын ішінде айнымалы магнит өрісін жасайтын электромагнит 1, сигналы симметриялық қайталаушы катодқа КП, күшейіткішке У және одан әрі есептеуіш құрылымға ОУ берілетін, құбырөткізгіш 2 ішінде орналасқан алмалы-салмалы электродтар кіреді.

11.3-сурет – Шығын өлшеудің электромагниттік әдісінің сұлбасы

Бұл типтегі шығынөлшеуіштер 2,5 МПа дейінгі асқын қысымға есептелген және дәлдік сыныбы 0,6-дан 1,6-ға дейін. Олар қозғалысының орташа жылдамдығы 10 м/с аспайтын диаметрі 3...1000 мм құбырөткізгіштердің шығынын 1...25000 м³/сағ диапазонында өлшеуді қамтамасыз етеді.

Оптикалық шығынөлшеуіштер Доплер эффектісін пайдалану негізінде мөлдір газдар мен сұйықтардың ағынын өлшеуіштерді жасауға мүмкіндік беретін квантық генераторлардың (лазерлердің) жасалуымен пайда болды. Олардың артықшылықтары жоғарғы сезімталдығы, инертілігінің аздығы, жанаспай өлшеу тәсілі, өтетін ортаның (лазер тарататын толқындар диапазонында оның мөлдірлігіне талаптардан басқа) физикалық қасиеттеріне тәуелсіз өлшенетін жылдамдықтың диапазонының шектемейтіндігі, ағын бағытына қатыстылығы бойынша инварианттылығы.Шығынды өлшеудің оптикалық әдісі іске асырылатын құрылымның сұлбасы 11.4-суретте көрсетілген. Лазер айналар 1, 5 және 11 жасайтын тұйықталған оптикалық жолмен біріне-бірі қарсы жүретін екі қарсы толқындарды жасайды.

 

11.4-сурет – Шығын өлшеудің оптикалық әдісінің сұлбасы

Мөлдір терезелері 2, 4, 12 және 13 бар құбырөткізгіштің 3 бір бөлігінде қозғалатын сұйықтың немесе газдың ағыны ұлғаю эффектісінің салдарынан (мөлдір қозғалатын ортада жарық жылдамдығының өзгеруінен) сәулелер тербелісінің әртүрлі жиіліктерін жасайды. Олар қосылып айналарда 6 және 9 интерференциялық суретті жасайды. Оның кескіні сигналы өлшеуіш аспаппен тіркелетін фотоқабылдағышқа бағытталады. Бұл сигнал сәуле ұзындығы бойынша интегралданатын ағын жылдамдығына пропорционал және сызықтық сипатта. Лазерлік шығынөлшеуіштердің қателіктері 0,5%-тен аспайды.

Негізгі әдебиет: 1 , 5

Қосымша әдебиет: 8

Бақылау сұрақтары:

1. Сұйықтар мен газдардың шығыны қандай өлшеу және бақылау әдістері мен құралдарымен анықталады?

2. Ротаметрдің әрекет принципі мен құрылымы қандай?

3. Сұйықтың мөлшерін жылдамдықты есептеуіштердің әрекет принципі мен құрылымы қандай?