Понятие расхода, единицы измерения. Основные характеристики потока. Классификация методов и средств измерения расхода и количества

1. Понятие расхода и единицы измерения

Расход — это количество вещества (жидкости, газа или пара), проходящее через поперечное сечение трубопровода, канала и т. п. в единицу времени.

Различают два основных вида расхода:

• объёмный расход ($Q$) — измеряется в единицах объёма за единицу времени:
  • м³/с,
  • м³/ч,
  • л/с,
  • см³/с и др.
    Формула: $Q=V\cdot S$, где $V$ — скорость потока, $S$ — площадь поперечного сечения потока.
• массовый расход (Qm​) — измеряется в единицах массы за единицу времени:
  • кг/с,
  • кг/ч,
  • т/ч,
  • г/с и др.
    Формула: Qm​=Q⋅ρ, где $\rho$ — плотность измеряемой среды.

Важно различать «расход» и «количество»:

• расход — количество вещества в единицу времени (показывает, сколько проходит за секунду/час);
• количество — накопленный объём или масса вещества за некоторый промежуток времени (показывает, сколько всего прошло за заданный период).

Приборы:

• расходомеры — измеряют мгновенный расход (значение в данный момент);
• счётчики количества — фиксируют суммарное количество прошедшего вещества за период.

2. Основные характеристики потока

Ключевые параметры, определяющие поведение потока:

• скорость потока ($V$) — средняя скорость движения частиц среды в осевом направлении (м/с).
• плотность ($\rho$) — масса единицы объёма среды (кг/м³).
• вязкость — свойство жидкости/газа оказывать сопротивление при перемещении слоёв относительно друг друга. Различают:
  • динамическую вязкость ($\mu$) — единица измерения: пуаз (П) или сантипуаз (сП);
  • кинематическую вязкость ($\nu$) — отношение динамической вязкости к плотности: $\nu =\mu /\rho$; единица измерения: стокс (Ст) или сантистокс (сСт).

Режимы течения (определяются числом Рейнольдса $Re$):

• ламинарный ($Re<2000$) — слои движутся параллельно, без перемешивания;
• переходный ($2000<Re<4000$) — возможны оба режима;
• турбулентный ($Re>4000$) — интенсивное перемешивание частиц.

Формула числа Рейнольдса:

где $D$ — внутренний диаметр трубопровода.

3. Классификация методов и средств измерения расхода и количества

I. По принципу действия (расходомеры)

1. Расходомеры переменного перепада давления
   • Принцип: измерение перепада давления на сужающем устройстве (диафрагма, сопло, труба Вентури).
   • Применяется для жидкостей, газов, паров.
2. Расходомеры постоянного перепада давления (расходомеры обтекания)
   • Принцип: перемещение чувствительного элемента (поплавка, поршня) под действием потока.
   • Пример: ротаметры.
3. Электромагнитные расходомеры
   • Принцип: закон электромагнитной индукции (ЭДС пропорциональна скорости потока).
   • Для электропроводящих жидкостей.
4. Ультразвуковые расходомеры
   • Принцип: измерение времени прохождения ультразвукового сигнала по потоку и против него.
   • Для жидкостей и газов.
5. Вихревые расходомеры
   • Принцип: регистрация частоты вихрей, образующихся за телом обтекания.
   • Для жидкостей, газов, паров.
6. Тепловые расходомеры
   • Принцип: измерение теплоотдачи нагретого элемента потоку.
   • Для газов и маловязких жидкостей.
7. Турбинные расходомеры
   • Принцип: подсчёт оборотов турбинки, вращаемой потоком.
   • Для чистых жидкостей и газов.
8. Кориолисовы расходомеры
   • Принцип: измерение силы Кориолиса при колебании труб с потоком.
   • Дают прямой замер массового расхода.
   • Для жидкостей и газов.

II. По измеряемой среде

• расходомеры для жидкостей;
• расходомеры для газов;
• расходомеры для паров;
• универсальные (для нескольких сред).

III. По типу выходного сигнала

• аналоговые (4–20 мА, 0–10 В);
• цифровые (RS‑485, Modbus, Profibus и др.);
• с импульсным выходом.

IV. Счётчики количества (по принципу действия)

1. Скоростные счётчики
   • Принцип: вращение крыльчатки или турбины пропорционально объёму прошедшего вещества.
   • Для воды, нефтепродуктов.
2. Объёмные счётчики
   • Принцип: заполнение и опорожнение калиброванных камер.
   • Типы: поршневые, шестерёнчатые, дисковые.
   • Для жидкостей с высокой вязкостью.
3. Весовые счётчики
   • Принцип: прямое взвешивание среды.
   • Для высокоточных измерений массы.

V. По области применения

• промышленные;
• коммерческие (учёт ресурсов);
• лабораторные;
• бытовые.

VI. По монтажу

• врезные (в трубопровод);
• накладные (без разрыва трубопровода);
• погружные.

Заключение

Выбор метода и средства измерения расхода зависит от:

• типа среды (жидкость, газ, пар);
• её свойств (вязкость, электропроводность, агрессивность);
• требуемой точности;
• диапазона измерений;
• условий эксплуатации (давление, температура, наличие примесей);
• бюджета и задач учёта.

Современные расходомеры и счётчики обеспечивают высокую точность, автоматизацию и интеграцию в системы управления, что делает их незаменимыми в промышленности, энергетике, ЖКХ и других сферах.