В настоящее время разработаны и широко применяют автоматические устройства по замеру продукции скважин: «Спутник-А», «Спутник-Б» и «Спутник-В», описание которых приведено ниже.
На рисунке 3.1 дана принципиальная технологическая схема наиболее совершенной установки данной серии — «Спутника Б-40», разработанного Октябрьским филиалом ВНИИКАнефгегаз.
Рисунок 3.1 — Технологическая схема «Спутника – Б – 40 – 14 – 500»
1 — обратные клапана; 2 — задвижки; 3 — переключатель скважин многоходовой (ПСМ); 4 — ротрный переключатель скважин; 5 — замерная линия; 6 — общая линия; 7 — отсекатель; 8 — коллектор обводненности нефти; 9 и 12 — задвижки закрытые; 10 и 11 — задвижки открытые; 13 — гидроциклонный сепаратор; 14 — регуляор перепада давления; 15 — расходометр газа; 16 и 16а — золотники; 17 — поплавок; 18 — расходометр жидкости; 19 — поршневой клапан; 20 — влагомер; 21 — гидропривод; 22 — электродвигатель; 23 — сборный коллектор; М — выкидные линии от скважин
«Спутник-Б-40» предназначен: для автоматического переключения скважин на замер; автоматического измерения дебита скважин, подключенных к «Спутнику»; контроля за работой скважин по наличию подачи жидкости и автоматической блокировки скважин при аварийном состоянии. На «Спутнике Б-40» установлен автоматический влагомер нефти, который непрерывно определяет процентное содержание воды в потоке нефти, так же автоматически при помощи турбинного расходомера (вертушки) измеряется количество выделившегося из нефти в гидроциклоне свободного газа.
«Спутник-Б-40» состоит из двух блоков: замерно-переключающего и блока местной автоматики (БМА), в котором происходят автоматическая регистрация измеренного дебита скважин и переключение их на замер. «Спутник-Б-40» работает по задаваемой программе, обеспечивающей поочередное подключение на замер скважин на строго определенное время. Продолжительность замера продукции одной скважины определяется требованиями службы разработки НГДУ при помощи реле времени, установленного в БМА.
«Спутники-Б-40А» выпускаются на рабочее давление от 1.5 до 4 МПа на максимальную производительность скважины по жидкости 400 м3/сут и вязкость жидкости не более 80 сст. При указанных параметрах паспортная погрешность измерения дебита жидкости «Спутником-Б-40» колеблется в пределах ± 2.5 %. Блоки «Спутника-Б-40» могут быть обогреваемыми, и поэтому они рассчитаны для применения на площадях нефтяных месторождений Западной Сибири, Коми АССР, Татарии, Башкирии и других районов, имеющих низкие температуры окружающей среды.
При помощи «Спутника Б-40» можно измерить раздельно дебиты обводненных и необводненных скважин. Для этого поступают следующим образом. Если, например, скважины обводнились, а остальные двенадцать скважин, подключенных к «Спутнику», подают чистую нефть, то вручную перекрывают специальные обратные клапаны 1, и продукция обводненных скважин по байпасной линии через задвижки 12 направляется в сборный коллектор. Продукция скважин, подающих чистую нефть, направляется в емкость многоходового переключателя скважин ПСМ, из которого она поступает в сборный коллектор, а далее в коллектор безводной нефти.
Жидкость любой скважины, поставленной на замер, направляется через роторный переключатель скважин 4 в гидроциклонный сепаратор 13. На выходе газа из сепаратора установлен регулятор перепада давления 14, поддерживающий постоянный перепад между сепаратором и расходомером газа 15. Постоянный перепад давления передается золотниковыми механизмами 16 и 16а, от которых также отводится постоянный перепад на поршневой клапан.
Количество жидкости измеряется по скважинам следующим образом.
Когда поплавок 17 уровнемера находится в крайнем нижнем положении, верхняя вилка поплавкового механизма нажимает на верхний выступ золотника, в результате чего повышенное давление от регулятора 14 передается на правую часть поршневого клапана 19 и прикрывает его; подача жидкости прекращается, и турбинный расходомер 18 перестает работать. С этого момента уровень жидкости в сепараторе повышается. Как только уровень жидкости в сепараторе достигнет крайнего верхнего положения и нижняя вилка поплавкового механизма нажмет на выступ золотника 16а, повышенное давление от регулятора 14 действует на левую часть поршневого клапана 19 и открывает его; начинается течение жидкости в системе, и турбинный расходомер отсчитывает количество прошедшей через него жидкости.
Для определения процента обводненности нефти на «Спутнике» установлен влагомер 20, через который пропускается вся продукция скважины.
Разработан также «Спутник Б-40-24», который отличается от «Спутника Б-40» лишь числом подключаемых скважин — к нему можно подключить 24 скважины. Все остальные данные этого «Спутника» такие же, как и «Спутника Б-40».
Турбинный расходомер. Дебиты жидкости (нефть, нефть + вода) скважин, подключенных к «Спутнику Б-40», измеряются при помощи расходомеров турбинного типа, разработанных Октябрьским филиалом ВНИИКАнефтегаза. Турбинный расходомер жидкости (ТОР 1-50) в «Спутнике Б-40» установлен ниже уровня жидкости в технологической емкости гидроциклонного сепаратора.
Расходомеры ТОР-1 предназначаются для измерения жидкости вязкостью не более 80 сСт. Расходомеры ТОР-1 обеспечивают как местный отсчет показаний, так и передачу показаний при помощи электромагнитного датчика на БМА.
Расходомеры ТОР-1 (рисунок 3.2) состоят из двух основных частей: турбинного счетчика жидкости и блока питания.
Рисунок 3.2 — Расходометр жидкости ТОР – 1
1 — сварной корпус; 2 — обтекатель; 3 — магнитно-индукционный датчик; 4 — экраноотражатель; 5 — понижающий зубчатый редуктор; 6 — перегородки; 7 — электромагнитный датчик; 8 — механический счетчик; 9 — диск с магнитами; 10 — магнитная муфта; 11 — крыльчатка; 12 — крышка; 13 — регулитующая лопатка
Турбинный расходомер ТОР-1 работает следующим образом. Жидкость, проходя через входной патрубок корпуса 1 и обтекатель 2, попадает на лопатки крыльчатки 11 и приводит ее во вращение. После крыльчатки направление движения жидкости экраном изменяется на 180°, и она через окна обтекателя поступает в выходной патрубок. Число оборотов крыльчатки прямо пропорционально количеству прошедшей жидкости. Вращательное движение крыльчатки передается через понижающий редуктор и магнитную муфту на механический счетчик со стрелочной шкалой (цена деления 0.005 м3). Одновременно со стрелкой механического счетчика вращается находящийся с ней на одной оси диск 9 с двумя постоянными магнитами, которые, проходя мимо электромагнитного датчика, замыкают расположенный в нем магнитоуправляемый контакт. Получаемые при этом электрические сигналы регистрируются на блоке управления счетчиком, т. е. дублируют показания местного механического счетчика. В то же время каждая лопатка, проходя мимо магнитоиндукционного датчика, выдает электрический сигнал, который регистрируется в блоке регистрации.
Диапазон измерения колеблется от 3 до 30 м3/ч. Паспортная погрешность измерения при расходе от 3 до 5 м3/ч — ± 5 %, от 5 до 30 м3/ч — ± 2.5 %. В реальных условиях из-за плохой сепарации эта погрешность может достигать большой величины.
Расход чистой нефти, прошедшей через ТОР-1, определяется автоматически как разность между показаниями ТОР-1 и показаниями датчика влагомера.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ ВОДЫ И НЕФТИ
Наибольшее получил один из косвенных методов измерения обводненности нефти, основанный на зависимости диэлектрической проницаемости водонефтяной смеси от диэлектрических свойств ее компонентов (нефти и воды). Как известно, безводная нефть является хорошим диэлектриком и имеет диэлектрическую проницаемость 
, тогда как диэлектрическая проницаемость минерализованных вод достигает 
. Такая разница в диэлектрической проницаемости воды и нефти позволяет создать влагомер сравнительно высокой чувствительности. Принцип действия такого влагомера заключается в измерении емкости конденсатора, образованного двумя электродами, погруженными в анализируемую водонефтяную смесь.
Унифицированный влагомер данного типа для нефти (УВН) позволяет непрерывно контролировать и фиксировать объемное содержание воды в потоке нефти с погрешностью от 2.5 до 4 %.
Схема емкостного датчика приведена на рисунке 3.3. На верхнем отводе датчика показан вывод для замера емкости конденсатора, а на нижнем отводе — подключение электротермометра Т с температурным мостом. Для защиты от коррозии и отложений парафина корпус покрывают изнутри эпоксидной смолой или бакелитовым лаком. На верхнем фланце 6 монтируется внутренний электрод 3, особенностью которого является наличие регулятора его длины, действующего при помощи вращающегося штока. Роль изолятора выполняет стеклянная труба 2, которая при помощи специального кольца 8 и стального патрубка 7 крепится к верхнему фланцу 6. .Внутри стеклянной трубы на длине 200 мм наносится распылением слой серебра, являющегося внутренним электродом 3 датчика. Вращая штурвал 5 вместе со штоком, можно выдвигать из электрода на требуемую длину металлический цилиндрик 9, контактирующий с серебрянным покрытием, таким образом, настраивать влагомер на измерение различных сортов нефти с различной обводненностью. Шкала влагомера, находящаяся на верхнем фланце, отрегулирована в процентах объемного содержания воды. На точность измерения этим прибором количества пластовой воды и нефти значительное влияние оказывают: 1) изменение температуры нефтеводяной смеси; 2) степень однородности смеси; 3) содержание пузырьков газа в потоке жидкости и 4) напряженность электрического поля в датчике.
Рисунок 3.3 — Емкостной датчик влагомера УВН – 2
1 — сварной корпус; 2 — стеклянная труба; 3 — электрод; 4 — регулятор длины электрода (шток); 5 — штурвал; 6 и 10 — верхний и нижний фланцы соответственно; 7 — стальная труба; 8 — кольцо для крепления стеклянной трубы; 9 — металлический цилиндрик
Для более точного измерения содержания воды в нефти необходимо избегать попадания пузырьков газа в датчик, так как он имеет низкую диэлектрическую проницаемость, соизмеримую с нефтью (
), и поток жидкости перед поступлением в датчик тщательно перемешивать для достижения однородности смеси, так как чем однороднее поток, тем выше точность показаний прибора.
Датчик влагомера устанавливается в вертикальном положении и должен пропускать через себя всю жидкую (нефть + вода) продукцию скважины.
Измерение количества газа на всех «Спутниках» проводится с помощью высокочувствительных турбинных счетчиков типа АГАТ-1 с максимальной относительной погрешностью измерения в диапазоне расходов: 5 — 10 — ± 4 %, 10 — 100 — ± 2.5 %.
Регистрация расходов газа осуществляется как на интегрирующих счетчиках, так и на самопишущих приборах.
ТЕХНИКА ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА
Приборы, предназначенные для измерений расходов жидкости и газа в промышленности (расходомеры), разнообразны как по методам измерения, так и по конструктивному оформлению.
Применение прибора того или иного типа зависит от технологических требований, характера измеряемого вещества и экономической целесообразности.
Расходомеры, наиболее распространенные в нефтяной промышленности, по методу измерения можно разделить на следующие классы:
К первому классу относятся расходомеры:
1. переменного перепада давлений;
2. турбинные (крыльчато-тахометрические);
3. электромагнитные (индукционные);
4. ультразвуковые;
5. гидродинамические;
6. ядерно-магнитного резонанса;
7. ионизационные;
8. тепловые;
9. создающие различные метки потока.
Ко второму классу относятся расходомеры:
1. кориолисовы и гироскопические;
2. турбиные;
3. турбопоршневые.
Объёмные расходомеры
К устройствам, определяющим объемный расход вещества, могут быть отнесены следующие расходомеры: переменного перепада давления, турбинные, ультразвуковые, звуковые, индукционные, гидродинамические), основанные на ядерном резонансе, тепловые, ионизационные, создающие различные метки потока. Такие расходомеры могут быть разделены на две группы.
К первой группе относятся устройства, в которых чувствительный элемент непосредственно преобразует скорость потока в измерительный сигнал. К этой группе относятся, например, крыльчато-тахометрические расходомеры, термоанемометры с охлаждаемой нитью и другие устройства.
Ко второй группе относятся устройства, в которых в потоке создаются промежуточные измерительные параметры, по изменению которых можно судить о величине скорости, а следовательно, и объемного расхода. Такими промежуточными параметрами могут являться звуковые и ультразвуковые колебания, возбуждаемые или распространяющиеся в потоке, ионизация потока, формирование в движущейся среде ионного тока, создаваемого под действием внешнего магнитного поля, и т. п. К этой группе расходомеров относятся индукционные, ультразвуковые, некоторые тепловые, а также расходомеры, создающие метки в потоке.
В настоящее время крыльчато-тахометрические расходомеры с различными устройствами регистрации числа оборотов ротора получили достаточно широкое распространение в разных областях техники. Эти расходомеры являются устройствами универсального применения, пригодными для измерения расходов различных веществ вне зависимости от их физических свойств.
Индукционные расходомеры получили достаточно широкое распространение при контроле расходов проводящих жидкостей
В таком применении эти расходомеры обладают совершенно очевидными преимуществами перед всеми другими типами расходомеров. Однако область их применения ограничивается в основном проводящими жидкостями.
Ультразвуковые расходомеры получили пока незначительное распространение. Однако эти устройства являются достаточно перспективными. В настоящее время определилось несколько направлений разработки таких устройств, основными среди которых являются:
а) определение скорости потока по фазовому сдвигу ультразвуковых колебаний;
б) определение скорости потока по частоте следования пачек ультразвуковых колебаний;
в) определение скорости потока путем дифференциального включения двух приемных ультразвуковых преобразователей.
Эти расходомеры являются универсальными и могут применяться для контроля большого числа жидкостей, за исключением только некоторых особо вязких жидкостей.
Тепловые расходомеры разработаны сравнительно давно, и арсенал их схемных решений достаточно широк. Однако в последнее время разработан ряд новых устройств, избавленных от основных недостатков устройств этой группы. Такими недостатками является влияние на показания расходомера не только скорости потока, но его температуры и давления.
Расходомеры, в которых для измерения скорости потока в последнем создаются специальные метки, составляют отдельную группу устройств. Метки потока могут создаваться либо путем периодического возникновения в потоке промежуточного измерительного параметра (например, ионизационных или тепловых меток), либо путем введения в поток инородных веществ (например, доз непрозрачного порошка или доз радиоактивного вещества).
Эти устройства обладают несколько усложнёнными схемами, но в ряде специальных случаев только с их помощью предтавляется возможным измерять скорость потока.
Отдельную группу составляют расходомеры, определяющие расход по скоростному напору. Эта группа представлена обширным и разнообразным рядом устройств. Основным их преимуществом является простота устройства. В тех случаях, когда нужно простыми средствами, надежно и со средним уровнем точности определять скорость потока, эти устройства являются наиболее приемлемыми.
Принципы измерения, используемые в перечисленных устройствах, позволяют определять объемные расходы веществ в нестационарных потоках. Для получения массовых расходов по показаниям таких расходомеров необходимо знать изменение плотности измеряемого вещества. В некоторых расходомерах этой группы применяется совместное включение датчиков плотности с соответствующими чувствительными элементами расходомеров. Такие системы позволяют измерять массовые расходы.
Ниже последовательно рассмотрен каждый из перечисленных типов объемных расходомеров.
Расходомеры переменного перепада давления
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ. УРАВНЕНИЯ ИЗМЕРЕНИЙ
Принцип действия расходомеров данного типа, объединенных единым методом измерений, основан на измерении перепада давления, образующегося в результате местного изменения скорости потока жидкости, газа или пара (рисунок 3.4).
Рисунок 3.4 — Форма потока жидкости, прохъодящей через диофрагму
Для измерения расхода жидкостей, газов и паров по перепаду давления необходимы три элемента, объединенные общим понятием расходомер переменного перепада:
1. устройство, создающее перепад давления в потоке измеряемой среды за счет местного изменения скорости потока или по величине (сужающие устройства), или по направлению (изогнутые участки трубы);
2. измерительный прибор — дифференциальный манометр (сокращенно дифманометр), измеряющий перепад давления;
3. соединительное устройство, передающее перепад давления от потока к дифманометру.
Иногда к этим элементам добавляются еще вторичный преобразователь, преобразующий показания дифманометра в электрический или пневматический’ сигнал, и вторичный прибор для регистрации этого сигнала.
СТАНДАРТНЫЕ ТИПЫ СУЖАЮЩИХ УСТРОЙСТВ
В настоящее время распространены стандартные сужающие устройства трех типов: нормальная диафрагма, нормальное сопло и труба (сопло) Вентури.
Нормальная диафрагма. При угловом отборе применяют нормальные диафрагмы двух типов—ллоские и камерные.
Нормальная диафрагма представляет собой тонкий диск, имеющий отверстие, концентричное оси трубы с острой прямоугольной кромкой со стороны входа потока.
Соосность установки диафрагмы, острота входной кромки, ее прямоугольность и технологический допуск на входной диаметр диафрагмы 
определяют возможность и точность косвенной градуировки расходомеров переменного перепада давления с нормальными диафрагмами. Поэтому к этим параметрам диафрагмы предъявляют весьма высокие требования. Так, допустимое отклонение оси отверстия диафрагмы от оси трубы должно быть не более 
, где 
— диаметр трубопровода.
Давления у плоской диафрагмы отбирают с помощью отдельных сверлений. Для усреднения давлений просверливают несколько отверстий, равномерно распределенных по окружности трубы в плоскости отбора. Выходящие из отверстий трубки объединяются двумя сборными коллекторами, от которых перепад давления передается к дифманометрам.
Давления у камерных диафрагм отбирают из камер, соединенных с трубой кольцевыми щелями.
Преимуществом камерных диафрагм является отбор действительных средних давлений и в связи с этим несколько менее жесткие требования к длине прямолинейных участков трубопровода до и после диафрагмы; недостатком — необходимость специальных уплотнительных устройств для герметизации камер.
Нормальное сопло. Нормальное сопло выполняют в виде насадка, имеющего входную сходящуюся часть, образованную дугами окружностей с радиусами 
и 
, равными 
и 
; цилиндрическую часть диаметром и длиной .
Выходная кромка сопла, как и у диафрагмы, должна быть острой, без закруглений и заусенцев. Она предохранена на выходе нишей.
Давления также можно отбирать или через отдельные отверстия, или при помощи камер и кольцевых щелей.
Торцовая поверхность сопла должна быть полированной и не иметь видимых на глаз неровностей и заусенцев.
Нормальная труба (сопло) Вентури. Существуют нормализованные расходомерные трубы Вентури четырех конструктивных разновидностей: трубы Вентури с сопловым и коническим входами, с длинным и коротким диффузорами.
Входная часть трубы до места отбора минусового (меньшего) давления имеет тот же профиль, что и нормальное сопло. Длина цилиндрической части составляет обычно 
. Угол входного конуса диффузора должен быть менее 30°.
Плюсовое (большее) давление отбирают как с помощью кольцевой камеры, так и с помощью отдельных сверлений; минусовое — с помощью отдельных сверлений.
Турбинные расходомеры
ОБЩИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Крыльчато-тахометрические (турбинные) расходомеры относятся к скоростным расходомерам, в которых для создания крутящего момента на измерительной крыльчатке используется кинетическая энергия измеряемого потока.
Турбинные расходомеры являются наиболее точными приборами для измерения расхода жидкостей. Приведенная погрешность измерения расхода турборасходомерами составляет величину порядка 0.5 – 1.0 % (известны турборасходомеры с приведенной погрешностью 0.1 – 0.2 %).
Приборы просты no конструкции, обладают большой чувствительностью и большими пределами измерений (для одной модификации 10:1 и более), возможностью измерения как малых (от 5.10-9 м3/с), так и больших (до 1 м3/с) расходов жидкостей с широким диапазоном физико-химических свойств, малой инерционностью и вследствие этого относительно малыми динамическими ошибками при измерении средних и мгновенных значений пульсирующих расходов. Их применяют там, где требования к точности измерений имеют превалирующее значение — в ракетной, авиационной технике, химической и нефтедобывающей промышленности. К недостаткам турбинных расходомеров существующих модификаций, препятствующим более широкому применению данных приборов, можно отнести:
В настоящее время отечественным приборостроением разработаны и осваиваются турбинные расходомеры с безопорными датчиками, с устройствами автоматической коррекции показаний при изменении вязкости измеряемой среды, у которых два последних недостатка отсутствуют.
Принцип действия
Принцип работы крыльчато-тахометрических расходомеров, предназначенных для измерения потоков, заключается в следующем. В измеряемый поток помещается сбалансированная легкая крыльчатка, вращающаяся в подшипниках, обладающих малым трением. Крыльчатка под давлением движущегося потока совершает вращательное движение. При стационарном режиме скорость ее вращения пропорциональна скорости потока. Конструктивно крыльчатка может быть выполнена аксиальной или тангенциальной (рисунок 3.5, а).
Рисунок 3.5 а — Типы турбинок
а — аксиальная; б — тангенциальная
Измерение числа оборотов крыльчатки может производиться различными способами: электрическим, радиоактивным, фотоэлектрическим и др. Полученный пульсирующий электрический сигнал, число пульсаций которого в единицу времени пропорционально числу оборотов крыльчатки, после усиления подается на частотомер, измерительный сигнал с которого поступает на регистрирующий прибор
Для осуществления процесса измерений турбинный расходомер (рисунок 3.5, б) должен состоять, по крайней мере, из трех элементов: турбинного датчика 3; первичного преобразователя 4, отсчетной системы (регистратора) 1.
Турбинный датчик представляет собой аксиальную или тангенциальную лопастную турбинку (на схеме рисунка 3.5, б) показана аксиальная турбинка), опирающуюся на керновые подпятники или подшипники.
Рисунок 3.5 б — Схемы турбинного расходометра
1 — регистратор; 2 — подшипники; 3 — турбинный датчик; 4 — первичный преобразователь
Поток измеряемой среды, воздействуя на лопасти турбинки, сообщаетей вращательное движение с угловой скоростью 
, пропорциональной расходу 
.
{module GoogleAS_text}
Первичный преобразователь, изображенный на схеме, представляет собой индукционную катушку. При пересечении магнитного поля катушки лопастями ферромагнитной турбинки в катушке наводится пикообразный пульсирующий ток. Частота пульсаций наведенного тока пропорциональна угловой скорости вращения турбинки, а следовательно, и измеряемому расходу.
В качестве первичных преобразователей используются также индуктивные катушки, в которых при вращении ферромагнитной турбинки создается периодическое изменение индуктивности, вызывающее соответствующие изменения одного из параметров текущего через нее тока. Применяются также и фотоэлектрические элементы.
Импульсы пульсирующего тока регистрируются отсчетной системой (регистратором) 1.
Общее число импульсов, зарегистрированных этой системой за время 
, характеризует суммарное количество вещества, протекшее по трубопроводу за это время. Число импульсов, зарегистрированных (отсчитанных) системой за единицу времени, характеризует расход измеряемого вещества.
Основными эксплуатационными факторами, существенно влияющими на точность измерения расхода турбинными расходомерами, являются:
1. изменение вязкости измеряемой среды;
2. износ опор;
3. закрутка потока, вызванная влиянием местных сопротивлении.
Вследствие этого данные приборы мало пригодны для измерения расхода загрязненных или абразивных сред, а также жидкостей, сильно меняющих свою вязкость при числах Рейнольдса, меньших критических (переход ламинарного течения к турбулентному).
Влияние местных сопротивлений, закручивающих поток, в значительной мере устраняется, если перед турбинным датчиком установить специальные направляющие или сопловые аппараты. В этом случае для нормальной эксплуатации турбинных датчиков не требуется столь длинных прямых участков трубопровода как для других типов расходомеров.
Сравнительно редко применяют турбинные расходомеры для измерения расхода газов.
Электромагнитные (индукционные) расходомеры
Для контроля нестационарных потоков нашли применение некоторые прикладные области магнитной гидродинамики — науки, которая изучает взаимодействие электромагнитного поля с жидкими или газообразными проводящими потоками. Для определения скорости потока используются различные методы непосредственного или косвенного измерения разности потенциалов, индуцируемых при движении жидкости в трубопроводе при наличии поперечного магнитного поля.
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
В проводнике, пересекающем силовые линии магнитного поля, индуктируется э.д.с., пропорциональная скорости движения проводника. При этом направление тока, возникающего в проводнике, перпендикулярно направлению его (проводника) движения и направлению магнитного поля. Это известный закон электромагнитной индукции — закон Фарадея.
Если заменить проводник потоком проводящей жидкости, текущей между полюсами магнита, и измерять э.д.с., наведенную в жидкости по закону Фарадея, можно получить принципиальную схему (рисунок 3.6) электромагнитного расходомера.
Рисунок 3.6 — Схема электромагнитного расходометра
1 — трубопровод; 2 — полюса магнита; 3 — электроды для съема э.д.с.; 4 — электронный усилитель; 5 — отсчетная система; 6 — испочник питания магнита
В таких расходомерах плоскости измерительных электродов должны располагаться вертикально во избежание разрыва электрической цепи между ними из-за образования газовой подушки под верхним электродом или осаждения. непроводящих твердых частиц на нижнем электроде.
Патрубок датчика такого расходомера должен выполняться из немагнитного материала с большим электрическим сопротивлением. Это уменьшает искажения магнитного потока стенкой трубы и уменьшает токи Фуко. Наиболее часто приемлемым материалом является аустенитная сталь.
Пластмассовые и неметаллические материалы с большим электрическим сопротивлением и большой механической прочностью могут применяться в тех случаях, когда они обладают достаточной стойкостью по отношению к измеряемым средам.
В случае изготовления патрубка расходомера из металла его внутренняя поверхность должна иметь изоляционное покрытие, не допускающее короткого замыкания э. д. с., наводимой в потоке. Покрытие должно проходить по всей длине патрубка по поверхности соединительных фланцев. В качестве материалов для изоляции используются неопрен, флуон, стекло и др. При измерении расходов агрессивных жидкостей в таких расходомерах используются преимущественно электроды из нержавеющей стали. При этом важное значение имеет надежность уплотнения измерительного электрода в патрубке датчика.
Электромагнитные расходомеры могут быть выполнены как с постоянными магнитами, так и с электромагнитами, питаемыми переменным током частотой f. Обе эти разновидности электромагнитных расходомеров имеют свои достоинства и недостатки, определяющие области их применения.
ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ РАСХОДОМЕРОВ
Погрешность измерения расхода данными приборами определяется в основном погрешностями градуировки и измерения разности •потенциалов 
.
Однако электрохимические процессы в потоке жидкости, различные помехи и наводки, непостоянство напряжения питания, и другие, не позволяют получить высокой точности измерений расхода. Так, изготовляемые в России электромагнитные расходомеры, несмотря на индивидуальную градуировку и весьма совершенные средства измерения , имеют класс точности всего лишь 1.5 – 2.5.
Существенным и основным недостатком электромагнитных расходомеров с постоянным магнитом, ограничивающим их применение для измерения слабопульсирующих потоков, является поляризация измерительных электродов, при которой изменяется сопротивление датчика, а следовательно, появляются существенные дополнительные погрешности. Поляризацию уменьшают, применяя электроды с платиновым или танталовым покрытием, а также угольные и каломелиевые электроды.
Электромагнитные расходомеры малоинерционны по сравнению с расходомерами других типов. Поэтому они незаменимы в тех процессах автоматического регулирования, где запаздывание играет существенную роль, или при измерении быстро меняющихся расходов.
Датчики электромагнитных расходомеров не имеют частей, выступающих внутрь трубопровода, сужений или изменений профиля. Бпагодаря этому гидравлические потери на датчике минимальны. Кроме того, датчик расходомера и технологический трубопровод можно чистить и стерилизовать без демонтажа. Отсутствие полых углублений исключает застаивание и осаждение измеряемого продукта.
На показания электромагнитных расходомеров не влияют взвешенные в жидкости частицы и пузырьки газа, изменение профиля распределения скоростей потока, а также физико-химические свойства измеряемой жидкости (вязкость, плотность, температура и т.п.), если они не изменяют ее электропроводность.
Датчики электромагнитных расходомеров можно монтировать а любом положении на расстояниях, равных не менее 20 диаметров трубопровода после местных сопротивлений, нарушающих осесимметричное течение потока, и не менее 8 диаметров до местных сопротивлений.
Конструкция датчиков позволяет применять новейшие изоляционные, антикоррозийные и другие покрытия, что дает возможность измерять расход агрессивных и абразивных жидкостей.
Электромагнитные расходомеры применяют для измерения очень малых (3*10-9 м3/сек) расходов (например, для измерения расхода крови по кровеносным сосудам) и очень больших расходов (3 м3/сек) жидкостей. Причем диапазон измерения датчика одного типоразмера достигает величины 10: 1, т.е. достаточно велик.
Электромагнитные расходомеры непригодны для измерения расходов газов, а также жидкостей с электропроводностью менее 10-3 – 10-5 сим/м (10-5 – 10-7 ом-1 см-1), например, легких нефтепродуктов, спиртов и т. п.
Ультразвуковые расходомеры
Для определения скоростей нестационарных потоков жидкостей и газов разработаны специальные ультразвуковые методы и соответствующая аппаратура. Определение скорости потока в данных системах производится по изменению параметров ультразвуковых колебаний. Принцип действия ультразвукового расходомера основан на том, что при распространении ультразвуковых колебаний в движущейся среде скорость ультразвука относительно неподвижной системы координат (стенок трубопровода) равна векторной сумме скорости ультразвука относительно среды и скорости самой среды относительно трубопровода. Поэтому если в трубопроводе установлены два пьезоэлектрических преобразователя, излучающих ультразвуковые колебания по направлению потока и против него, и соответственно два приемника ультразвука, расположенных на одинаковом расстоянии от излучателей, то при движении жидкости в трубопроводе сигналы в двух ультразвуковых каналах приходят к приемникам с акустической разностью хода, величина которой однозначно зависит от скорости жидкости.
Принцип действия ультразвуковых расходомеров может быть основан на измерении:
1) времени прохождения ультразвуковых колебаний по потоку и против него;
2) сдвига фаз между ультразвуковыми колебаниями, направляемыми по потоку и против него;
3) разности частот ультразвуковых колебаний, создаваемых автоколебательной схемой и направляемых одновременно по потоку и против него;
4) величины сноса потоком луча ультразвуковых колебаний.
Измерительные схемы ультразвуковых расходомеров первых трех типов могут быть классифицированы следующим образом:
1) двухканальные, в которых имеются два раздельных акустических канала и соответственно две пары пьезопреобразователей;
2) одноканальные, в которых имеются только два пьезопреобра-зователя, служащие попеременно излучателями и приемниками ультразвука.
По акустическим свойствам все конструкции датчиков можно разделить на два основных типа:
Оптимальный тип датчика для данного конкретного случая измерения расхода жидкости должен определяться условиями измерения и в особенности характеристиками измеряемого вещества.
В большинстве случаев при измерении расхода агрессивных жидкостей и пульп поверхность пьезоэлементов должна быть защищена от соприкосновения с контролируемой средой посредством звукопроводящих элементов, параметры которых должны учитываться при расчетах.
Необходимо отметить, что одноканальные схемы ультразвуковых расходомеров в принципе обеспечивают гораздо более высокую точность измерений, чем соответствующие двухканальные схемы.
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
Принципиальная схема ультразвукового расходомера приведена на рисунке 3.7. Звуковые колебания высокой частоты (20 кгц и выше), создаваемые электроакустическим излучателем (вибратором) 
, проходят через поток измеряемой среды и регистрируются приемником 
, отстоящим от излучателя на расстояние 
.
Рисунок 3.7 — Схема ультрозвукового расходометра
— излучатель (вибратор); 
— приемник; 
— скорость потока
Прибор регистрирует разность 
времён распространения акустической волны по течению и против течения. На основе этой разницы определяется скорость потока.
Погрешность измерения расхода существующими ультразвуковыми расходомерами составляет величину порядка 2 – 5 % от верхнего предела шкалы. Столь невысокая точность измерений объясняется: зависимостью показаний от профиля скоростей или числа Рейнольдса; изменением скорости распространения ультразвука в измеряемой среде при изменении ее давления, температуры, концентрации; влиянием реверберации (многократного отражения ультразвуковой волны); погрешностями, возникающими в электронной измерительно-преобразовательной схеме; погрешностями, вносимыми акустической ассиметрией условий прохождения ультразвуковой волны по движению потока и против него, и т. п.
Зависимость показаний ультразвуковых расходомеров от числа Рейнольдса объясняется тем, что они измеряют не среднюю скорость потока по сечению трубы, а среднюю скорость по линии ультразвукорого луча. Соотношение между этими скоростями является функцией числа Рейнольдса.
Кроме малой точности измерений, к недостаткам ультразвуковых расходомеров относят большую сложность их измерительной части и вредное влияние ультразвуковых колебаний на физико-химические свойства некоторых промышленных жидкостей и газов.
Основными достоинствами ультразвуковых расходомеров являются:
В общем можно отметить, что ультразвуковые расходомеры более приемлемы для измерения высоких расходов. При этом, чем меньше скорость потока по отношению к скорости распространения звука в контролируемой среде, тем, как правило, сложнее и точнее должна быть применяемая аппаратура.
ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА В ЕДИНИЦАХ МАССЫ (МАССОВЫЕ РАСХОДМЕРЫ)
Необходимость автоматического контроля массовых расходов нестационарных потоков относится к тем областям промышленности, где вес (масса) рабочего агента является критерием оценки качественных и технико-экономических показателей различных промышленных процессов. Например, при непрерывных химических процессах получение химического продукта с требуемыми физико-химическими свойствами возможно лишь при точном весовом соотношении составляющих его компонентов. В нефтяной промышленности, где товарная продукция нефтедобывающих скважин представляет собой смесь нефти и газов, в физико-химических процессах, где имеют место кипящие жидкости, многофазные пульпы, эмульсии, пылевые потоки, также необходимо производить измерение и автоматический контроль массовых расходов.
В последнее время возникла необходимость осуществления автоконтроля полей массовых скоростей (расходов) на ряде объектов, на которых имеют место нестационарные монолитные или разделенные потоки многофазных сред или сред, представляющих собой растворы и смеси веществ, имеющих различные удельные веса. Проблема осуществления автоконтроля таких потоков сводится в основном к проблеме создания соответствующих датчиков.
В зависимости от возможности универсального измерения массовых расходов различных веществ массовые расходомеры различных принципов действия могут быть разделены на две группы. К расходомерам первой группы относятся такие устройства, 
в которых измерение массового расхода является следствием используемого принципа измерения. В таких устройствах измеряется непосредственно массовый расход вне зависимости от физической сущности и свойств измеряемого вещества и его параметров. Такие расходомеры универсальны и могут быть применены для измерения расхода любых веществ. Примерами таких устройств являются турборасходомеры, расходомеры с определением расхода по усилию Кориолиса, гироскопические расходомеры.
К расходомерам второй группы относятся устройства, которые по своему принципу действия не являются измерителями массового расхода, но благодаря применению специальных датчиков и корректирующих схем могут определять массовый расход вне зависимости от физической сущности измеряемого вещества и изменения его свойств и параметров под влиянием внешних условий. Однако, как правило, такие устройства предназначены для определения расходов сравнительно небольшого диапазона веществ, так как определенные физические параметры вещества все-таки оказывают «влияние на точность измерения таких расходомеров. К таким устройствам, в первую очередь, относятся различные скоростные расходомеры, снабженные датчиками плотности и соответствующими корректирующими схемами, а также ультразвуковые и некоторые тепловые расходомеры.
Рациональность применения того или иного типа массовых расходомеров определяется эксплуатационными требованиями. В тех случаях, когда необходимо измерять расходы весьма разнообразных веществ, наиболее рациональным является применение расходомеров первой группы.
Универсальные массовые расходомеры являются единственно пригодными устройствами для измерения многокомпонентных потоков, состоящих из двух (или более) несмешивающихся веществ (например, жидкие потоки с газовыми включениями). При наличии двух и более компонентов в контролируемом потоке, весовые соотношения, удельные веса и вязкости которых могут изменяться в широких пределах, удовлетворительный контроль может быть выполнен только с помощью универсальных массовых расходомеров. Это объясняется тем, что с помощью датчика плотности, корректирующего показания расходомера, не представляется возможным с удовлетворительной точностью проводить непрерывный контроль плотности многокомпонентного потока.
Ввиду того, что в целом ряде объектов приходится выполнять автоматический контроль именно таких многокомпонентных потоков, в настоящее время ощущается острая потребность в массовых расходомерных системах универсального применения.
Принцип действия универсальных расходомеров основан на том, что потоку измеряемого вещества сообщается дополнительное движение, чтобы создать в потоке инерционные эффекты, по которым судят о величине массового расхода. В связи с этим данные расходомеры называют ещё инерционными. В зависимости от того, какое именно дополнительное движение сообщается потоку (при помощи вращающегося или колеблющегося звена), на чувствительном элементе прибора возникает или усилие Кориолиса, или гироскопический, или инерционный момент.
Существуют инерционные расходомеры двух типов: расходомеры с вращающимся или колеблющимся участком трубопровода сложной конфигурации. К ним относятся гироскопические и кориолисовы расходомеры; турборасходомеры.
МАССОВЫЕ ТУРБОРАСХОДОМЕРЫ
Данные приборы из-за простоты конструкции и достаточно высокой точности измерения массового расхода получили широкое применение за рубежом и успешно осваиваются отечественной промышленностью.
Принципиальная схема массового турборасходомера одной из наиболее распространенной конструкции приведена на рисунке 3.8. Прибор работает следующим образом: ведущая турбинка 6, принудительно вращаемая с постоянной угловой скоростью двигателем 7, закручивает поток измеряемого вещества, создавая в нем инерционный момент, пропорциональный массовому расходу Закрученный поток, проходя через ведомую турбинку 5, жестко связанную с упругим элементом 2, поворачивает ее на определённый угол.
Рисунок 3.8 — Схема массового труборасходометра
1 — корпус прибора; 2 — упругое звено с чувствительным элементом; 3 — усилитель; 4 — регистратор (отсчетное устройство); 5 — ведомая турбина; 6 — ведущая турбина; 7 — приводной электродвигатель
При постоянной угловой скорости вращения ведущей турбинки массовый расход характеризуется деформацией упругого элемента и углом поворота ведомой турбинки, который преобразуется в пропорциональный электрический сигнал.
Погрешность измерения массового расхода турборасходомерами может быть доведена до ± (0.5 – 1)% от верхнего предела измерений. Повышение точности лимитируется трудностями поддержания постоянства числа оборотов ведущей турбинки, нестабильностью характеристик упругих элементов, воспринимающих действие инерционного момента, и изменением к. п. д. приводного двигателя при изменении нагрузки (расхода).
Кроме того, на показания турборасходомеров влияет изменение вязкости измеряемой среды, а их надежность ограничивается наличием изнашивающихся опор.