Для обеспечения эффективного функционирования производственных, хозяйственных трубопроводов, по которым транспортируется жидкое или газообразное вещество, необходимо обеспечить возможность его точного учета. Для этого используются специальные приборы, расходомеры.
На протяженных прямых участках трубопровода, однако, их точности и чувствительности порой недостаточно для фиксации истинных показаний. Исправить ситуацию помогают сужающие устройства, благодаря которым удается провести расчеты на основе уравнения Бернулли, в полной мере связать наиболее значимые физические показатели, главные из которых – давление и скорость потока.
Что такое «расход»? Да и зачем он вообще нужен? Может лучше без него? Нет! Ничего у нас не получится! Давайте разбираться.
Очень распространенным и излюбленным методом у физиков и других представителей точных наук является такой прием, когда неизвестная величина, связанная с известной, выражается через последнюю. Таким образом были определены зависимости расхода от других параметров, измерить которые не составит особого труда. На сегодняшний день существует много методов измерения расхода, но, в любом случае, это всегда преобразование зависящих друг от друга величин. В рамках этой статьи нас интересует измерение расхода методом переменного перепада давления. Итак, как же работают расходомеры, принцип измерения которых основан на методе переменного перепада давления?
Ключевую роль в таком способе измерения расхода играет сужающее устройство, а законы гидравлики и уравнение Бернулли позволяют связать между собой такие физические параметры, как давление и скорость потока. Сужающие устройства, как правило, устанавливают на прямых участках трубопровода. Они могут различаться конструкцией. Это отличие обусловлено разными значениями потери давления жидкости при прохождении участка сужения.
Теперь заглянем в самое сердце измерительного процесса. Жидкость, проходя по суженному участку трубопровода, теряет свое давление. Такое явление получило красивое название – эффект Вентури, в честь итальянского физика Джованни Вентури. Таким образом, мы имеем разность давлений между двумя точками, до сужающего устройства и после него. Эта разность и воспринимается чувствительным элементом измерительного блока, который представляет из себя дифференциальный манометр. Именно он необходим в случае, когда необходимо измерить перепад. Далее происходит преобразование измеренного значения в соответствующее ему значение расхода. Чем больше перепад, тем больше скорость потока, а значит и расход. Взаимосвязанные величины. Помните?
Прекрасным примером такого сужающего устройства или, говоря техническим языком, трубы Вентури может служить расходомер дифференциального давления Preso®, тип Venturi, модель SSL. Такая конструкция обусловлена малыми потерями давления при прохождении потока через участок сужения. Применяется в таких отраслях, как химическая, нефтегазовая, водоочистная. Диапазон температур измеряемой среды от 0° да 426° С. Диапазон давления потока от 0 да 69 bar.
А вот еще один пример. Перед вами расходомер дифференциального давления Preso®, тип Venturi, модель VILP. Все та же конструкция с малыми потерями, но короткой формы. Среды измерения: химическая, фармацевтическая, нефть, газ, вода и др. Диапазон измеряемого расхода от 1 до 380000 л / мин. Малые потери играют немаловажную роль в затратах электроэнергии, а значит и в затратах на эксплуатацию. Игра слов, а на деле экономия.
очень важная часть любого технологического процесса. Расходомеры могут быть вовлечены в очень сложную структуру АСУ. Так что без расходомеров нам не обойтись!
Заказать консультацию инженера
Сужающие
устройства (диафрагмы, сопла, сопла
Вентури) наиболее часто применяются в
комплекте с дифманометрами типа “Сапфир”
или “Метран” для измерения
расхода и количества жидкостей, газов
и пара в круглых трубопроводах (при
любой их ориентации в пространстве),
диаметр которых, как указывалось выше,
не меньше 50 мм для диафрагм и сопел и не
меньше 65 мм для сопел Вентури, если
их расчет, изготовление и установка
выполнены в соответствии с нормативными
требованиями.
В
случае необходимости использования
сужающего устройства на трубопроводах
меньшего диаметра необходимо проводить
индивидуальную тарировку, т.е.
зависимость G
= f(∆P)
определяется экспериментально.
Стандартные диафрагмы применяются при
соблюдении условия 0.05 ≤m≤0.64,
а сопла Вентури — при условии
0.05
≤m≤0.60.
Тип сужающего устройства выбирается
в зависимости от условий применения,
требуемой точности и возможной потери
давления. Но во всех случаях точность
измерения расхода газов и пара при
использовании сопел выше, чем при
использовании диафрагм. Помимо этого,
незначительное изменение или
загрязнение входного профиля сопла в
процессе эксплуатации мало изменяет
его коэффициент расхода, α
значительно большей степени изменяет
коэффициент расхода диафрагмы.
При
использовании сужающих устройств
необходимо соблюдать ряд условий,
влияющих на погрешность измерений:
длина
L,
прямоугольного участка перед сужающим
устройством зависит от модуля
сужающего устройства т, диаметра
трубопровода при нормальных условиях
D20,
в котором установлено сужающее
устройство, и типа местного
сопротивления, расположенного перед
измерительным участком. В табл. 1.1
приведены:
• длина
прямолинейного участка после сужающего
устройства зависит только от модуля
m,
при m
= 0,05 L2
=
4D20,
а при m
= 0,64
L2
=
8D,0.
Отбор
давлений P1
и Р2
осуществляется преимущественно через
отдельные цилиндрические отверстия
(рис. 1.4, а) либо через две кольцеобразные
камеры, каждая из которых соединяется
с внутренней полостью трубопровода до
и после сужающего устройства диаметральной
щелью или рядом равномерно расположенных
по окружности отверстий заданного
диаметра (рис. 1.4, б). Конструкция отборных
устройств для диафрагм и сопл
одинакова.
Сужающие
устройства, снабженные кольцевыми
камерами отбора давления, более надежны
и удобны в эксплуатации, особенно при
наличии местных пред включенных
возмущений потока, так как камеры
выравнивают давление по периметру
трубы, что обеспечивает более точное и
достоверное измерение перепада давления
при сокращенных длинах измерительных
участков трубопроводов.
Представленные
на рис. 14, а, б схемы отбора давления
(отбор давления непосредственно от
передней и задней плоскостей сужающего
устройства в нормативном документе
(ГОСТ 8.563.1-97)) называются угловым
способом отбора давления.
Дифманометры
подключаются к точкам отбора давления
до и после сужающего устройства
импульсными трубками с внутренним
диаметром не менее 8 мм. Допускаемая
длина импульсных линий 50 м, но вследствие
возникновения большой динамической
погрешности не рекомендуется относить
дифманометр на расстояние более 15 м.
Для
точного измерения расхода необходимо,
чтобы перепад давления на сужающем
устройстве передавался и воспринимался
дифманометром без искажений и с
максимальной достоверностью и точностью.
Для этого необходимо, чтобы, во-первых,
давление, создаваемое столбами
жидкости в обеих импульсных трубках,
было одинаковым. Для этого при измерении
расхода жидкостей необходимо исключить
возможность накопления пузырьков газа
в соединительных трубках, а при измерении
расхода газа и пара — неравномерное
накопление конденсата.
Рис.
1.4. Наиболее распространенные способы
отбора давления при измерении расхода
с помощью сужающих устройств: а) через
отдельные отверстия; б) камеральный
отбор
Для
этого импульсные трубки должны быть
либо строго вертикальными, либо с
постоянным наклоном не менее 1:10, а на
концах необходимо устанавливать
газо- или конденсатосборники. Во-вторых,
импульсные трубки должны располагаться
вплотную друг к другу, чтобы избежать
неравномерности их нагрева или
охлаждения, что может привести к
неравенству плотности вещества,
заполняющего их и, следовательно, к
дополнительной погрешности.
При
измерении расхода пара требуется
обеспечение равенства и постоянства
уровней в импульсных трубках, что
достигается установкой уравнительных
бачков.
При
измерении расхода жидкости дифманометр
рекомендуется устанавливать ниже
сужающего устройства, а при измерении
расхода газа — выше.
На
рис. 1.5, а, б представлены наиболее
предпочтительные схемы подключения
дифманометров к сужающим устройствам
при измерении расхода жидкости.
Рис. 1.5. Схемы
подключения дифманометров при измерении
а) дифманометр
ниже сужающего устройства;
б) дифманометр
(ДМ) выше сужающего устройства;
1 —
сужающее
устройство, 2 —
запорная
(отсечная) арматура,
3 —
сдувочная
или продувочная арматура, 4 —
газосборники,
При
измерении расхода жидкости дифманометр
устанавливается ниже сужающего устройства
1, чтобы избежать попадания в импульсные
линии и камеры дифманометра газов,
растворенных в жидкости. Дифманометры
подключаются через группы запорных
(отсечных) вентилей 2, но не к самой
нижней точке трубопровода, а немного
(5-7°) выше во избежание попадания и
засорения импульсных линий осадками
из протекающей жидкости (рис. 1.5, а).
В данном случае вентиль 3 предназначается
для продувки импульсных линий, а
уравнивающий вентиль 5 — для установки
«пуля» дифманометра. Необходимо отметить,
что как плюсовая, так и минусовая
камеры непосредственных дифманометров
имеют специальные заглушки для их
продувок, т.е. удаления газовых пробок,
вносящих очень существенную погрешность
в точность измерения расхода.
Если
дифманометр все же приходится устанавливать
выше сужающего устройства (рис. 1.5,
б), то в наивысших точках импульсных
линий устанавливают газосборники 4 с
продувочной арматурой 3. При установке
дифманометра выше сужающего устройства
импульсные трубки под последним
располагаются с U-образным
уклоном, опускающимся ниже точек
подключения не менее чем на 0,5-0,7 м для
снижения возможности попадания газа
из протекающей жидкости в импульсные
линии.
Рис.
1.6. Схемы
подключения дифманометров при измерении
а) с установкой
дифманометра выше сужающего устройства;
б) с
установкой дифманометра ниже сужающего
устройства;
1 —
сужающее
устройство, 2 —
запорная
(отсечная) арматура,
3 —
сдувочная
или продувочная арматура, 4 —
конденсатосборники,
5 —уравнивающий
вентиль
При
измерении расхода газа (рис. 1.6) дифманометр
преимущественно рекомендуется
устанавливать (рис. 1.6, а) выше сужающего
устройства 1, чтобы конденсат, образующийся
в импульсных линиях, мог стекать в
трубопровод и, главное, не перекрывать
их сечение, внося при этом существенную
погрешность в точность измерения.
Соединительные
(импульсные) линии нужно подключать
через запорные (отсечные) вентили 2
к верхней части сужающего устройства
1, их прокладку необходимо проводить,
избегая горизонтальных или с отрицательным
уклоном участков, если невозможна строго
вертикальная прокладка. Аналогичные
требования должны выполняться и при
установке дифманометра ниже сужающего
устройства.
Вся остальная
арматура (вентили) выполняют функции,
аналогичные измерению расхода
жидкости.
При
измерении расхода перегретого водяного
пара соединительные (импульсные) линии,
будучи неизолированными, оказываются
заполненными конденсатом. Очевидно,
что во избежание накопления дополнительной
погрешности уровень конденсата и его
температура должны быть одинаковыми
в обеих линиях независимо от расхода.
Для стабилизации уровней конденсата
в импульсных линиях около сужающего
устройства устанавливаются так
называемые уравнительные конденсационные
сосуды — горизонтально расположенные.
Они изготавливаются двух разновидностей:
сосуд уравнительный конденсационный
большой (для поплавковых дифманометров)
и малый (для сильфонных и мембранных
дифманометров). Так как сечения этих
сосудов велики, по сравнению с сечением
импульсных линий, то незначительное
вытекание конденсата из них незначительно
изменяет его уровень, так что перепад,
измеряемый дифманометром ΔРд, практически
равен перепаду ∆Рс в сужающем устройстве.
При
измерении расхода пара дифманометр
преимущественно располагают ниже
сужающего устройства 1 и уравнительных
сосудов 2 (рис. 1.7) для облегчения удаления
воздуха из импульсных линий.
Возможно
расположение дифманометра выше сужающего
устройства, но в таком случае необходимо
устанавливать газосборники рис. 1.7, б).
Неупомянутая арматура выполняет те же
функции, что и при измерении расхода
жидкости или газа.
Рис.
1.7. Схема
подключения дифманометра к сужающим
устройствам
при измерении расхода пара и установке
дифманометра
ниже (а) и выше
(б) сужающего устройства
Подводя
итог всему сказанному, приведем обобщающую
характеристику расходомеров с
сужающими устройствами, получившими
широкое распространение благодаря
следующим основным достоинствам:
Наиболее
существенными недостатками расходомеров
на основе сужающих устройств являются
следующие:
ограниченное
быстродействие расходомеров (инерционность)
из-за наличия определенной длины
импульсных трубок.
Типы сужающих устройств
В комплект расходомера переменного перепада давления входят сужающее устройство, дифференциальный манометр и вторичный прибор.
В современных схемах в качестве комплекта расходомера переменного перепада давлений используется диафрагма, интеллектуальный датчик разности давлений, вторичный прибор или контроллер.
Рис. 3. Камерная диафрагма:
1–диск; 2, 3–кольцевые камеры;
4, 7–фланцы; 5, 6–соединительные трубки;
Измерение перепада давлений производится через кольцевые камеры, причем задняя (минусовая) камера соединяется с цилиндрической частью сопла Вентури с помощью группы радиальных отверстий. Короткие сопла Вентури получили большее распространение, так как они дешевле в изготовлении и монтаже, а потеря давления в них почти такая же, как и в длинных.
Расходомеры постоянного перепада давления
Расходомеры обтекания – это приборы, основанные на зависимости расхода вещества от перемещения тела, воспринимающего динамическое давление обтекающего его потока.
Среди расходомеров обтекания наиболее распространены ротаметры (рис.6).
На поплавок ротаметра сверху вниз действуют две силы: сила тяжести и сила от давления потока на верхнюю плоскость поплавка.
Рис. 6. Схема ротаметра.
где V-объем поплавка; rп – плотность материала поплавка; g – ускорение силы тяжести.
Снизу вверх на поплавок действуют также две силы: сила от давления потока на нижнюю плоскость поплавка p1s и сила трения потока о поплавок
, где k – коэффициент сопротивления, зависящий от числа Рейнольдса и степени шероховатости поверхности; uk – средняя скорость потока в кольцевом канале, охватывающем боковую поверхность поплавка; sб – площадь боковой поверхности поплавка; n – показатель, зависящий от величины скорости.
Поплавок уравновешен в том случае, когда сумма сил, действующих снизу равна сумме сил, действующих сверху:
Vrпg+ p2s= p1s+
p1 – p2 =
Из совместного решения уравнений Бернулли и неразрывности получим уравнение расхода:
где a- коэффициент расхода; p1 – p2 – разность статических давлений, действующих на поплавок.
Здесь l расстояние между сечениями I – I и II – II.
После ряда преобразований получим:
Q =a1 sk k , (3)
где a1 = f(a); sk – площадь кольцевого отверстия, образованного конусной трубкой и верхней частью поплавка; k – константа. Эта зависимость линейна, и поэтому шкала ротаметра будет равномерной.
Классификация
Сужающие устройства представлены различными типами, у каждого из которых – свои уникальные конструктивные особенности, обеспечивающие необходимую эффективность, точность измерений:
Классическая диафрагма
Очень простое с конструктивной точки зрения решения, недорогое, но довольно надежное и эффективное, что обеспечивает распространенность. По сути, диафрагма – это диск небольшой толщины, в центральной части которого находится отверстие, входная кромка которого – прямоугольник, на выходной же имеется скос в 30-45 градусов. Для того, чтобы исключить погрешность измерений, перед установкой нужно убедиться, что на входной кромке отсутствуют дефекты, неровности, механические повреждения, трещины.
Наиболее распространенный материал для изготовления диафрагмы – сталь, однако, могут использоваться и другие сплавы, полимеры, характеристики которых допускают использование элементов в нестандартных условиях. Например, материал должен характеризоваться максимальной стойкостью к коррозии, в том числе химической, без деформаций выдерживать значительные скачки давления, выраженный нагрев. Диафрагмы подходят для трубопроводов, диаметр которых составляет от 5 сантиметров до метра.
Универсальные устройства, совместимые с трубопроводами, диаметр которых превышает 5 сантиметров. Особая конфигурация снижает выраженность потерь давления, профиль максимально приближен к сечению потока. Центральная часть сопла Вентури, выполненная в форме цилиндра, постепенно перетекает в конус, за счет чего достигается сужение потока и необходимый для измерения перепад давления.
Труба Вентури
По сути, это модифицированное сопло, разработанное специально для использования на массивных трубах, диаметр которых доходит до 120 сантиметров. Как и в предыдущем случае, удается исключить значительные падения давления, что положительно сказывается на общей работоспособности трубопровода.
Классические сопла
Конструктивно они несколько проще, в сравнении с аналогами Вентури, однако, приводят к некоторому падению давления в трубопроводе, что обязательно нужно учитывать для исключения эксплуатационных проблем. Такие сужающие устройства с положительной стороны зарекомендовали себя в системах транспортировки горячего газа, перегретого пара, насыщенного влагой.
Если сравнить их с диафрагмами, то они лучше выдерживают жесткие эксплуатационные условия, не ржавеют, не покрываются налетом даже при продолжительном контакте с загрязненными жидкостями, что положительно сказывается на точности.
Независимо от типа используемого устройства, перед установкой на трубопровод нужно убедиться в точности его геометрических параметров. Только идеальная обработка кромок и поверхностей позволит правильно изменить конфигурацию потока газа или жидкости, что необходимо для высокоточных замеров расхода.
