Измерение расхода сжатого воздуха

В последние годы, в условиях непрерывного роста цен на различные виды энергии, становится актуальной проблема максимально точного учёта различных видов энергоносителей, в том числе и сжатого воздуха.

Для учёта расхода газов разработано несколько видов расходомеров устройства и принципы действия которых базируются на различных физических эффектах:

• Устройства базирующиеся на измерении перепада давления – сужающие устройства и напорные трубки.
• Ротационные счётчики – принцип их действия основан на вытеснении некоторых фиксированных объёмов газа (количество вытесненных объёмов пропорционально числу оборотов роторов данных счётчиков) за единицу времени. Основное применение из ротационных нашли счетчики газа с одинаковыми роторами восьмеркообразной формы. За один оборот роторов вытесняются четыре заштрихованных объема. Протечки газа зависят от зазора между корпусом и прямоугольными площадками, расположенными на концах наибольших диаметров роторов. В зависимости от типоразмера счетчика зазоры могут быть от 0,04 до 0,1 мм. Острые кромки на концах этих площадок способствуют самоочистке счетчика. Синхронизация вращения роторов, как правило, достигается зубчатых колес, укрепленных на обоих концах роторов  вне пределов измерительной камеры. Роторы подвергаются статической балансировке.
• Турбинные счётчики – они выполнены в виде трубы, в которой расположена винтовая турбинка, как правило с небольшим перекрытием лопаток одной другую. В проточной части корпуса расположены обтекатели перекрывающие большую часть сечения трубопровода, чем обеспечивается дополнительное выравнивание эпюры скоростей потока и увеличение скорости течения газа. Кроме того происходит формирование турбулентного режима течения газа, за счет чего обеспечивает линейность характеристики счетчика газа в большом диапазоне. Высота турбинки как правило не превышает 25-30% радиуса. На входе в счетчик в ряде конструкций предусмотрен дополнительный струевыпрямитель потока выполненный или в виде прямых лопаток или в виде «толстого» диска с отверстиями разного диаметра. Установка сетки на входе турбинного счетчика, как, правило, не применяется, так как ее засорение уменьшает площадь проходного сечения трубопровода, соответственно увеличивает скорость течения потока, что приводит к увеличению показаний счетчика. Преобразование скорости вращения в турбинке в объемные значения количества прошедшего газа осуществляется путем передачи вращения турбинки через магнитную муфту на счетный механизм, в котором путем подбора пар шестеренок (во время градуировки) обеспечивается линейная связь между скоростью вращением турбинки и количеством пройденного газа. Другим методом получения результата количества пройденного газа в зависимости от скорости вращения турбинки является использование для индикации скорости магнитоиндукционного преобразователя. Лопатки турбинки при прохождении вблизи преобразователя возбуждают в нем электрический сигнал, поэтому скорость вращения турбинки и частота сигнала с преобразователя пропорциональны. При таком методе преобразование сигнала осуществляется в электронном блоке, так же как и вычисление объема прошедшего газа. Для обеспечения взрывозащищенности счетчика блок питания должен быть выполнен с взрывозащитой. Однако применение электронного блока упрощает вопрос расширения диапазона измерения счетчика (для счетчика с механическим счетным механизмом 1:20 или 1:30), так как нелинейность характеристики счетчика, проявляющаяся на малых расходах, легко устраняется применением кусочно-линейной апроксимацией характеристики (до 1:50), чего в счетчике с механической счетной головкой сделать нельзя.
• Вихревые счётчики – принцип их действия основан на эффекте возникновения периодических вихрей при обтекании потоком газа тела обтекания. Частота срыва вихрей пропорциональна скорости потока и, соответственно, объемному расходу. Индикацию вихрей может осуществляться термоанемометром или ультразвуком. В связи с тем, что в данном типе счетчиков отсутствуют подвижные элементы, нет необходимости в системе смазки, необходимой для турбинных и ротационных счетчиков. Появляется возможность использовать данный тип счетчиков для измерения количества кислорода, который измерять турбинными и ротационными счетчиками категорически нельзя из-за сгорания масла в среде кислорода.
• Ультразвуковые счётчики – принцип действия заключается в направлении ультразвукового луча в направлении по потоку и против потока и определении разницы времени прохождения этих двух лучей. Разница во времени пропорциональна скорости течения газа.
• Лазерные расходомеры – измеряют расход газа методами лазерной доплеровской интерферометрии. Первые результаты по этой теме были получены в 1964 г., но развитие этих методов долгое время сдерживалось малой надежностью и стабильностью факторов, влияющих на точность. В настоящее время в связи с развитием твердотельной техники и технологии и достаточной статистики по исследованию потоков существуют условия для разработки и внедрения промышленных образцов систем коммерческого учета объемного расхода газа и жидких сред при их транспортировке. В России подобные разработки ведёт  НПФ «Вымпел» в содружестве с Physikalisch-Technische Bundesanstalt (Германия)  с целью создания расходомера (ЛДР) для измерения объемного расхода  газа в трубопроводе большого диаметра.
• Термоанемометрические счётчики – принцип их действия заключается в измерении скорости потока газа в отдельной точке трубы, с последующим вычислением расхода газа путём умножения данной величины на площадь поперечного сечения трубы и коэффициент зависящий от характера распределения скоростей в потоке газа через поперечное сечение трубы. У измерителей расхода данного типа имеется одно или несколько термосопротивлений через которые течёт электрический ток нагревая их, поток газа, в свою очередь охлаждает эти терморезисторы, скорость охлаждения пропорциональна теплоёмкости окружающей среды, зависящей от массового расхода газа.  
• Кориолисовы расходомеры – измерение расхода в этих приборах производится за счёт эффекта возникновения сил Кориолиса возникающих при криволинейном движении масс. В этих расходомерах потоки жидкостей и газов протекающие в закрытых трубопроводах создают силы Кориолиса пропорциональные своему массовому расходу.

Одним из преимуществ двух последних видов расходометров (термоанемометрические и кориолисовы), является то что они сразу измеряют массовый расход газов, величину которого достаточно просто перевести в величину расхода в нормированных объёмных единицах (нормокубах), путём простого перемножения массового расхода на коэффициент пропорциональный плотности измеряемой среды в нормальных условиях. Показания кориолисовых расходомеров также независимы и от вязкости рабочей среды.

В остальных типах расходомеров для приведения измеренных показателей к нормальным условиям необходимо применять специальные корректоры расхода, которые изменяют величину объёмного расхода в зависимости от давления и температуры измеряемой среды.

Ниже приводится таблица сравнительных характеристик различных расходомеров.

где Q – расход газа.

В заключение можно добавить что существуют различные ограничения на возможность применения тех или иных расходомеров в различных газовых средах. Например турбинные и роторные счетчики для кислорода не применимы, так как применяющееся в них масло вступает в реакцию с кислородом, а для ультразвуковых, мембранных и вихревых принципиальных ограничений для работы по типу газа не имеют.