Одним из самых распространенных принципов измерения расхода жидкостей, газов и паров является принцип переменного перепада давления на сужающем устройстве.
Широкое использование этого принципа связано с рядом присущих ему преимуществ. К их числу относятся: простота и надежность, отсутствие движущихся частей, легкость серийного изготовления средств измерений практически на любые давления и температуры измеряемой среды, низкая стоимость, возможность измерения практически любых расходов и, что особенно существенно, возможность получения градуировочной характери-стики расходомеров расчетным путем, т. е. без использования дорогостоящих расходоизмерительных метрологических установок.
В соответствии с рассматриваемым принципом в трубопровод устанавливают сужающее устройство. При протекании измеряемого потока через отверстие сужающего устройства увеличивается скорость потока по сравнению с его скоростью до сужения. Благодаря этому давление потока на выходе из сужающего устройства уменьшается и на сужающем устройстве создается перепад давления, измеряемый дифманометром, который, как будет показано ниже, зависит от скорости в сужении или от расхода потока.
На рис. 7.5, а приведена идеализированная картина потока, протекающего в трубопроводе 1 через сужающее устройство 2 типа «диафрагма», а также график* распределения давления (рис. 7.5, б) и скорости (рис. 7.5, в).
Рис. 7.5. Картина течения вещества через диафрагму (а) и эпюры давления (б) и скорости (в)
Выделим в трубопроводе три сечения: А-А — перед сужающим устройством, где еще нет его влияния на поток; В-В — место наибольшего сужения струи; С-С — сечение после сужающего устройства, где устанавливаются скорость и давление потока.
Изменение давления струи по оси трубопровода практически совпадает с изменением давления около его стенки, за исключением участка перед-диафрагмой и непосредственно в ней. Однако если скорость потока 1F3 в сечении С-С в идеальном случае равна скорости Wi до сужения, т. е. в сечении А-А, то давление Р$ в сечении С-С не достигает прежнего значения на величину 6Р=Р/ — Р3′, называемую безвозвратной потерей давления. Эта потеря давления связана с затратой части энергии потока на вихреобразования в мертвых зонах (в основном за диафрагмой) и на трение.
Выведем уравнение расхода для несжимаемой жидкости, протекающей через диафрагму. При этом примем следующие предпосылки: движение жидкости установившееся, поток однороден и его фазовое состояние не меняется при прохождении через диафрагму, поток полностью заполняет все сечение трубопровода до и после сужающего устройства, отсутствуют возмущения потока, а прямые участки трубопровода достаточно велики.
Для горизонтального участка трубопровода уравнение энергии потока несжимаемой жидкости для сечений А-А и В-В (рис. 7.5) будет
где Р1 и Р2 —абсолютные статические давления соответственно в сечениях А-А и В-В; W1 и W2 — скорости потока соответственно в сечениях А-А и В-В; ρ — плотность жидкости; ξ — коэффициент гидравлических потерь; £ — I — потеря энергии на трение на участке А-А—В-В.
Согласно уравнению неразрывности струи FiWl=F2W2, (7.13)
где F и F2 — площади поперечного сечения потока соответственно в сечениях А-А и В-В.
Введем следующие обозначения:
Подставляя это значение W в уравнение (7.12), определим скорость потока в месте наибольшего сужения:
Массовый расход вещества
Подставляя сюда W2 из выражения (7.19), получим
Коэффициенты ц и ij; не могут быть определены независимо друг от друга. Исходя из этого, их объединяют в один экспериментально определяемый комплексный коэффициент а, называемый коэффициентом расхода:
где Fo и d — площадь и диаметр входного отверстия сужающего устройства; D — диаметр трубопровода; т — относительная площадь (модуль) сужающего устройства; к — коэффициент сужения струи. Из уравнения (7.13) и выражений (7.14) и (7.15) имеем
Тогда уравнение (7.17) примет вид
Таким образом, учитывая выражения (7.20) и (7.21) и принимая во внимание, что F0=nd2/4, получим уравнения для массового G и объемного Q расходов несжимаемой жидкости:
Если через сужающее устройство протекает сжимаемая среда (газ или пар), то вследствие понижения давления увеличивается ее объем. Это приводит к тому, что скорость потока возрастает и становится больше скорости несжимаемой среды. В результате на сужающем устройстве увеличивается перепад давления.
Учет указанного явления производится введением в уравнения расходов (7.22) и (7.23) дополнительного коэффициента е<1, называемого поправочным множителем на расширение измеряемой среды.
Тогда уравнения для массового G и объемного Q расходов сжимаемой среды запишем в виде:
рабочих условиях на входе в сужающее устройство, т. е. при давлении Pj и температуре Т перед сужающим устройством.
Уравнения (7.24) и (7.25) являются основными уравнениями расхода как для сжимаемых, так и несжимаемых сред, при этом для последних 8=1. Использование уравнений (7.24) и (7.25) возможно только при условии, что скорость газа или пара меньше критической скорости.
Кроме диафрагмы (рис. 7.6, а) в дроссельных расходомерах в качестве сужающих устройств находят применение стандартные сопла (рис. 7.6,6), сопла Вентури (рис. 7.6, в) и трубы Вентури (рис. 7.6, г). На рис. 7.6 показаны места отбора давлений Р и Р% от сужающих устройств к дифманометру. Характерной особенностью сужающих устройств (рис. 7.6, б, в, г) является меньшая, чем для диафрагмы, безвозвратная потеря давления при одном и том же значении модуля m сужающего устройства (см. рис. 7.10).
Характеристика величин, входящих в уравнение расхода. Проанализируем величины, входящие в уравнения (7.24) и (7.25), и зависимость их от параметров измеряемого потока.
Коэффициент С не зависит от параметров измеряемого потока, он зависит от выбора единиц измерения, типа используемого диф-
манометра, а также от плотности сред, заполняющих импульсные трубки, соединяющие сужающее устройство с дифманометром.
Коэффициент расхода а, выражаемый формулой (7.21), не может быть пока точно рассчитан теоретическим путем. Значения этого коэффициента для некоторых типов сужающих устройств определены экспериментально.
Рис. 7.6. Схемы стандартных сужающих устройств
На основании экспериментальных исследований и использования аппарата теории подобия установлено, что два сужающих устройства одинаковой конфигурации обладают одинаковыми коэффициентами расхода, если имеет место подобие их геометрических форм и равенство модулей пг, при условии, что протекающие через сужающие устройства потоки имеют равные числа Рейнольдса Re, т. е. гидродинамически подобны.
Таким образом, в общем виде коэффициент расхода
a=/(Reo, m). (7.26)
Число Рейнольдса ReD, отнесенное к диаметру трубопровода D, определяется по формуле
где v, r — соответственно кинематическая (м2/с) и динамическая (Па-с) вязкости измеряемой среды в рабочих условиях; G, Q — соответственно массовый (кг/ч) и объемный (м3/ч) расходы в рабочих условиях; р — плотность измеряемой среды в рабочих условиях, кг/м3.
На рис. 7.7 приведены экспериментально найденные зависимости (7.26) коэффициента расхода для условий установившегося потока, протекающего в гладких трубах через стандартную диафрагму (рис. 7.7, а) с идеально заостренной прямоугольной входной кромкой, стандартное сопло и сопло Вентури (рис. 7.7, б). Коэффициент расхода, определяемый в указанных условиях, называют исходным коэффициентом расхода αи.
Рис. 7.7. Зависимости исходного коэффициента расхода ан от числа Рейнольдса:
а — для стандартных диафрагм; б — для стандартных сопл и сопл Вентури
различно для различных значений т. С уменьшением т уменьшается Renp. Отсюда следует практический вывод: при выборе малых значений т есть определенная гарантия того, что в процессе измерения расхода его уменьшение не приведет к изменению выбранного значения аи.
Условия, при которых определялся исходный коэффициент расхода (трубопровод с гладкой внутренней поверхностью, а в случае использования диафрагмы — острота ее входной кромки), в реальных условиях измерения практически не выдерживаются. Исходя из этого, коэффициент расхода а определяют по формулам:
а = аийш^п) (7.28)
для стандартных сопл и сопл Вентури а = аи£ш, (7.29)
где km — поправочный множитель на шероховатость трубопровода (рис. 7.8); kn — поправочный множитель на притупление входной кромки диафрагмы (рис. 7.9).
Как следует из рис. 7.8, для трубопроводов диаметром 300 мм и более влияние шероховатости можно не учитывать.
Поправочный множитель на расширение измеряемой среды г вводится в уравнение расхода при измерении расхода газа и паров
Рис. 7.8. Зависимость поправочного множителя km от диаметра трубопровода и модуля сужающего устройства: а — для диафрагм; б — для стандартных сопл и сопл Вентури
и учитывает изменение их плотности при протекании через сужающее устройство. Для несжимаемых жидкостей е=1. В общем случае поправочный множитель е представляется в виде
tafi&PfPi, /в, а), (7.30)
где АР/Р — отношение перепада давления к давлению до сужающего устройства; х — показатель политропы измеряемой среды.
Рис. 7.9. Зависимость поправочного множителя kn от диаметра трубопровода и модуля сужающего устройства
где kt и kt — поправочные множители на тепловое расширение материала трубопровода и сужающего устройства. При температуре от —20 до +60°С можно принять k/=kt= 1.
Плотность измеряемой среды р, входящая в уравнения (7.24) и (7.25), определяется по состоянию потока в рабочих условиях до сужающего устройства. Если известна плотность жидкости при температуре 20°С— t2o, то плотность р при рабочей температуре t определяют по формуле
где β— средний коэффициент объемного расширения жидкости в интервале t2o — t1.
где z — коэффициент сжимаемости газа.
Перепад давления АР является одним из основных параметров, характеризующих расход вещества, и измеряется дифманометром.
Основные сведения о выборе сужающих устройств. Как указывалось, -в качестве сужающего устройства при измерении расхода могут быть использованы диафрагмы, стандартные сопла и сопла Вентури. Простота конструктивного исполнения диафрагм и значительно меньшая стоимость обусловливают преимущественное их применение. Однако в каждом конкретном случае измерения расхода необходимо принимать во внимание еще следующие факторы. Если потеря давления на сужающем устройстве лимитируется, то при выборе сужающего устройства необходимо принять во внимание эту потерю, определяемую по графику (рис. 7.10). Как видно из приведенного графика, потеря давления ЪР выражается как часть перепада давления АР на сужающем устройстве и зависит от его типа. Для всех типов сужающих устройств с увеличением их модуля т уменьшается потеря давления. При одном и том же, т потеря давления в диафрагме больше, чем в других сужающих устройствах. Однако при равных перепадах давления и расходах среды значения модуля диафрагмы больше, чем для сопла, так как при одинаковых модулях коэффициент расхода диафрагмы (см. рис. 7.7, а) меньше, чем коэффициент расхода для сопла (см. рис. 7.7, б). Поэтому потеря давления при использовании диафрагмы или сопла практически одна
и та же. У сопл Вентури потеря давления значительно меньше, что физически объясняется наличием диффузора на выходе, благодаря которому идет восстановление потенциальной энергии.
Рис. 7.10. Зависимость потери давления на сужающем устройстве от модуля
Погрешность измерения расхода в соответствии с принципом переменного перепада. Согласно правилам определения среднеквад-ратической погрешности для косвенных измерений (см. гл. 1, 3) при отсутствии корреляции между погрешностями величин, входящих в уравнения расхода (7.24) и (7.25), погрешность может быть представлена в виде
где ог<з, ста, аг, ad, ар, Оар — среднеквадратические относительные погрешности.
Так как при изготовлении сужающего устройства диаметр его отверстия d может быть воспроизведен с высокой точностью, погрешностью 4a2d можно пренебречь ввиду ее малости по сравнению с другими слагаемыми, и тогда (7.35) примет вид
Структурные схемы систем измерений расхода вещества в соответствии с принципом переменного перепада давлений. Используя результаты анализа величин, входящих в уравнения расхода (7.24) и (7.25), в каждом конкретном случае может быть выбрана соответствующая структурная схема системы измерений расхода.
Если модуль сужающего устройства т выбран так, что обеспечивается постоянство коэффициента расхода а в заданном диапазоне измерения расхода вещества, и если при этом обеспечивается относительно малое изменение поправочного множителя е (при измерении сжимаемого вещества), то в общем случае непосредственному измерению подлежат плотность вещества в рабочих условиях до сужающего устройства и перепад давления ДР=Р1— Р2 на нем. В частном случае, когда по трубопроводу протекает капельная жидкость постоянного состава и при постоянной температуре, т. е. плотность жидкости p = const, для измерения расхода достаточно использовать лишь прибор, измеряющий перепад давления — дифманометр. Шкалы дифманометра градуируются для подобного случая в единицах расхода и потому эти дифманометры называют дифманометрами’— расходомерами.
Структурная схема, реализующая рассматриваемый случай, приведена на рис. 7.11, а. Схема рис. 7.11,6 относится также к этому случают, а отличие состоит в том, что измеряемый перепад давления преобразуется в унифицированный сигнал (электрический или пневматический), который поступает на вторичный прибор 4, шкала которого градуируется в единицах расхода, и одновременно на интегратор 5 для определения количества вещества.
Если плотность потока переменна и имеется возможность непосредственного ее измерения в рабочих условиях потока (см. гл. 10), то расход вещества измеряется в соответствии со структурной схемой (рис. 7.11, в). Здесь унифицированные сигналы измерителей перепада давления и плотности вещества поступают в вычислительное устройство 7, где обрабатываются в соответствии с уравнениями (7.24) и (7.25), а затем информация о расходе вещества поступает на вторичный прибор 4.
Если плотность вещества не может быть прямо измерена в рабочих условиях потока, то для газового потока измерение расхода
осуществляется по структурной схеме рис. 7.11, г, а расход жидкости— по схеме рис. 7.1 ,д.
При измерении расхода газового потока по схеме рис. 7.11, г унифицированные сигналы преобразователей температуры давления и плотности газа в нормальных условиях и перепада давления поступают в вычислительное устройство, осуществляющее расчет расхода газа. Для повышения точности измерения расхода газа на вычислительное устройство в схеме рис. 7.11, г можно возложить функции расчета мгновенных значений е по информации от преобразователей давления и перепада давления с использованием выражения (7.32).
По схеме рис. 7.11,5 унифицированные сигналы от преобразователей температуры t и плотности жидкости р2о, соответствующей температуре 20°С, обрабатываются в вычислительном устройстве в соответствии с формулой (7.33), и рассчитывается расход жидкости, отсчитываемый на вторичном приборе.
При необходимости получения информации о количестве вещества, прошедшего через трубопровод, операция интегрирования расхода в схемах рис. 7.11, в, г, д производится в вычислительном устройстве 7, а отсчет показаний количества на приборе 6.
Пневматический интегратор расхода — устройство, которое помимо операции суммирования предварительно осуществляет операцию извлечения квадратного корня. Входной пневматический сигнал РБХ, изменяющийся в пределах 0,02—0,1 МПа, поступает от дифманометра в измерительный сильфон 5 и создает усилие /?i на рычаге 4, прикрепленном на крестовой пружинной подвеске 6 к корпусу прибора. При увеличении входного сигнала заслонка 2 приближается к соплу 1, и в проточной линии между соплом 1 и пневмосопротивлением 14 давление возрастает. Это давление поступает на вход пневматического усилителя 13, при этом увеличивается давление в линии выходного сопла 12. Струя воздуха, вытекающая из сопла 12, заставляет вращаться турбину 8 с грузами 7, которая приводит в движение через червячно-шестеренчатый редуктор //, счетчик 9 и диск точного отсчета 10. Увеличение давления в сопле 12, а следовательно, и скорости турбины будет продолжаться до тех пор, пока вращающий момент М2 на рычаге 4 от усилия R2, создаваемого центробежной силой грузов 7, не станет равным вращающему моменту Ми создаваемому силой, развиваемой сильфоном 5. Моменты М и М2 соответственно равны Afi = ~LXF3$(PBX —0,02); M2=L2aa)2, где L и L2 — плечи соответствующих сил относительно точки вращения рычага; ^Эф — эффективная площадь сильфона; а — постоянный коэффициент, зависящий от массы грузов 7 и расстояния от оси вращения; Psx — давление от дифманометра; со — угловая скорость турбины.
Рис. 7.11. Структурные схемы систем измерений расхода по перепаду давления на сужающем устройстве:
1 — сужающее устройство; 2 — дифманометр-расходомер; 3 — преобразователь перепада давления; 4 — вторичный прибор; 5 —интегратор расхода; 6 — прибор для отсчета количества вещества; 7 — вычислительное устройство; 8 — преобразователь плотности вещеста в рабочих условиях; 9 — преобразователь температуры; 10 — преобразователь давления; // — преобразователь плотности газа в нормальных условиях; 12 — преобразователь плотности жидкости при температуре 20°С
Приравняв Mi и М2, получим
Так как рас ход связан с сигналом от дифманометра зависимостью О = Ь0У Рвх —0,02 (Ьо — постоянный коэффициент), то G== = boa/b, т. е. угловая скорость турбины интегратора пропорциональна расходу. Поэтому в счетчике 9 интегратора в каждый момент времени откладывается количество оборотов, пропорциональное расходу. За определенный отрезок времени тг—xi через трубопровод протекает количество вещества
где bo/b — постоянный коэффициент интегратора.
Рис. 7.12. Схема пневматического интегратора расхода
Механический счетчик 9 суммирует мгновенные значения, а разность его показаний в моменты времени тг и % определяет интеграл в последнем выражении, т. е. количество вещества
Для вычитания из сигнала дифманометра начального сигнала 0,02 МПа служит пружина 3. Погрешность интегратора в диапазоне 30—100% сигнала датчика за какой-либо промежуток времени не превышает ± 1 % расчетной разности показаний счетчика, соответствующей номинальному значению входного сигнала за тот же промежуток времени.
Измерение расхода веществ при малых числах Рейнольдса. Для потоков веществ, имеющих число Рейнольдса меньшее, чем его предельное значение Renp, использование стандартных сужающих устройств невозможно из-за непостоянства коэффициента расхода в этих областях значений числа Рейнольдса. Указанные потоки принято характеризовать как потоки с малыми числами Рейнольдса. К числу таких потоков относятся вязкие жидкости, в частности парафинистые нефти, мазуты и некоторые нефтепродукты, газовые потоки при высоких температурах, а также потоки с малым расходом вещества.
Рис. 7.13. Схема сужающих устройств для измерений расхода при малых числах Re
зависимости от модуля т и диаметра d сужающего устройства, а также от диаметра D трубопровода (табл. 7.1).
Диафрагма с коническим входом (рис. 7.13, а) устанавливается скосом навстречу потоку. Угол входного конуса 8 и глубина скоса с выполняются в пределах 0 = 45,04-31,2; с= (0,06-^0,1 )d соответственно для т = 0,01ч-0,25. Они позволяют измерять расход потока со значительно меньшим числом Рейнольдса, чем при использовании всех остальных специальных сужающих устройств. Диаметром, по которому рассчитывают расход, является диаметр d цилиндрической части.
Допустимые значения т, D, а, Remin гр, Remax гр для специальныхсужающих устройств
Специальное
rj _
п.
сужающее
т
D, мм
d, мм
Kemln гр
кетак гр
Диафрагма с коническим входом
0,01—0,25
12,5—100,0
6,0—50,0
40—260
2-104— 5-Ю4
Цилиндриче- ское сопло
0,01—0,49
25,0—100,0
2,5—70,0
500—5500
8-103—2. юз
Двойная диа фрагма
0,1-0,6
40,0—100,0
12,7—70,5
2,5-103—15 -103
15-104—4-Ю5
Цилиндрические сопла (рис. 7.13,6) имеют длину z, определяемую из зависимости z/d—f(m). Так, z/d==l,A; 2,1 и 2,6 соответственно при т=0,01; 0,20 и 0,49.
Сопло «четверть круга» (рис. 7.13,8) бывает нескольких разновидностей, отличающихся тем, что профиль сужающей части описывается дугой радиуса г из различных центров. Значение радиуса дуги определяют из соотношения r/d=f(m).
Двойная диафрагма (рис. 7.13, г) состоит из двух стандартных диафрагм, размещенных друг от друга на -расстоянии, равном Н= ~0,5D. Основной является вторая по ходу потока диафрагма, имеющая диаметр d, по которому рассчитывают расход.
Капиллярные расходомеры. Для измерения малых расходов в соответствии с принципом переменного перепада давления помимо указанных специальных сужающих устройств применяют капиллярные трубки (капилляры). Для этих трубок при определенном отношения длины / к диаметру d (обычно 50 и более) режим течения среды является ламинарным, а потери давления определяются вязкостным трением. Такое течение описывается законом Пуа-
зейля, а массовый и объемный расходы жидкости определяются соответственно из выражений:
где р и ц — плотность и динамическая вязкость жидкости.
Из выражений (7.38) и (7.39) следует, что массовый и объемный расходы являются линейными функциями перепада давления на капилляре. Поэтому статические характеристики капиллярного расходомера линейны.
Когда измеряемой средой является газ, то уравнение Пуазейля для массового расхода газа имеет вид
где рср= (Pi + P2)/(2RT)=PCV/(2RT) — средняя плотность в капилляре при температуре Т. При небольших перепадах давления Р — Р2 значение рср может быть принято постоянным.
Так как вязкость измеряемого потока зависит от температуры, то для сохранения достаточной точности измерения необходимо капилляр поместить в термостат или автоматически вводить поправку на изменение вязкости, измеряя для этой цели температуру.
Диапазон измерений капиллярного расходомера сильно зависит от диаметра трубки. Однако из-за опасности засорения трубки диаметр брать малым не рекомендуется. Лучше увеличивать длину капилляра. Длинный капилляр выполняют в виде спирали, однако здесь нарушается линейная связь между ДР и Q из-за действия центробежной силы.
Как правило, капиллярные расходомеры требуют индивидуальной градуировки из-за трудности точного измерения диаметра, входящего в уравнение расхода в четвертой степени.
Особые случаи измерения расхода в соответствии с принципом переменного перепада давления. Сужающие устройства могут быть использованы для измерения расхода: запыленных и загрязненных сред, на входе и выходе из трубопровода, а также в трубопроводах с диаметром менее 50 мм.
Для измерения запыленных и загрязненных сред применяются сегментные диафрагмы (рис. 7.14). Они исключают возможность
Рис. 7.14. Схема сегментной диафрагмы
отложения механических примесей и выделяющихся из жидкости газов у сужающего устройства, так как примеси здесь легко сносятся через соответствующим образом расположенное отверстие. При измерении расхода газов, содержащих примесь жидкой фазы, объемная концентрация с последней в газе должна быть в количестве с^0,4р/рп (р —плотность измеряемой среды в рабочих условиях; рп —плотность примеси). Примесь твердой фазы должна быть в количестве с^р/рп. Для жидкостей, содержащих газовую фазу, измерение расхода возможно при ДР/Р<(0,04+4,8т°.4).
Если сегментная диафрагма применяется для загрязненных и запыленных сред, то ее отверстие располагают в нижней части поперечного сечения горизонтального трубопровода.
Измерения расхода на входе или выходе из трубопровода. Измерения в указанных условиях производятся с помощью стандартных диафрагм или сопл при соблюдении следующих условий.
При измерении расхода на входе на расстоянии не менее 20D по оси трубы и 1QD перпендикулярно этой оси не должно быть никаких препятствий, и тогда коэффициент расхода для стандартных диафрагм равен 0,6 и для сопл 0,99 независимо от значения т. Средняя квадратичная относительная погрешность этих коэффициентов составляет соответственно 1,5 и 1%. Наименьшее допустимое число Re=55-103 (независимо от значения т).
Отбор давлений осуществляется в пространстве, откуда вещество втекает в трубопровод, и непосредственно за сужающим устройством.
При измерениях на выходе из трубопровода в пространстве, куда втекает вещество, не должно быть препятствий на расстоянии 10D по оси трубы и 5D — перпендикулярно этой оси. Отобр давле-
ний при этом осуществляют непосредственно до сужающего устройства и в пространстве, куда втекает вещество.
При истечении газа из трубы в газовый объем можно использовать стандартные диафрагмы с таким же а, что и при установке внутри трубопровода, а также сопло с а, уменьшенным на 5%. При истечении жидкости в газ во избежание отрыва струи от стенки сопла в его цилиндрической части применяются стандартные диафрагмы.
Износоустойчивые диафрагмы. Износоустойчивая диафрагма представляет собой, по существу, стандартную диафрагму, у которой на входной кромке снята фаска под углом (45±5)°.
Расходомерами переменного перепада давления со стандартными сужающими устройствами получили широкое распространение. Причиной этого является следующие достоинства.
1. Универсальность применения. Они пригодны для измерения расхода каких угодно однофазных, а в известной мере и двухфазных сред при самых различных давлениях и температурах.
2. Удобство массового производства. Индивидуально изготовляется только преобразователь расхода – сужающее устройство. Все остальные части, в том числе дифманометр и вторичный прибор, могут изготовляться серийно; их устройство не зависит ни от вида, ни от параметров измеряемой среды.
3. Отсутствие необходимости в образцовых установках для градуировки. Градуировочная характеристика стандартных сужающих устройств может быть определена расчетным путем.
Наряду с этим расходомеры с сужающим устройством имеют недостатки, наиболее существенными из которых являются следующие:
1. Квадратичная зависимость между расходом и перепадом, что не позволяет измерять расход менее 30% максимального из-за высокой погрешности измерения и затрудняет использование этих приборов для измерения расходов, изменяющихся в широких пределах.
2. Ограниченная точность, причем погрешность измерения колеблется в широких пределах (1,5 – 3%) в зависимости от состояния сужающего устройства, диаметра трубопровода, постоянства давления и температуры измеряемой среды.
Метод основан на том, что поток вещества, протекающего в трубопроводе, неразрывен и вместе установки сужающего устройства скорость его увеличивается. При этом происходит частичный переход потенциальной энергии давления в кинетическую энергию скорости, вследствие чего статической давление перед местом сужения будет больше, чем за суженным сечением. Разность давлений до и после сужающего устройства – перепад давления – зависит от расхода протекающего вещества и может служить мерой расхода.
Основы измерения расходов газов и жидкостей стандартными сужающими устройствами и общие технические требования к расходомерным устройствам регламентируются Правилами РД 50 – 213 – 80. согласно правилам, расходомерное устройство состоит из расходомера (стандартного сужающего устройства, дифманометра, приборов для измерения параметров среды и соединительных линий)и прямых участков трубопроводов до и после сужающего устройства с местными сопротивлениями. В правилах приведены основные уравнения расхода; формулы для вычисления расхода, измеряемого всеми типами дифманометров; коэффициенты расхода диафрагм, сопел и труб Вентури; методики определения основных параметров потока измеряемой среды, погрешности измерения, расчета среднего суточного расхода, требования к стандартным сужающим устройствам, к исполнению и монтажу прямых участков трубопровода, к дифманометрам и их установке; методики расчета сужающего устройства и проверки расходомера.
Приведенные в Правилах положения справедливы при соблюдении следующих условий измерения: характер движения потока в прямых участках трубопроводов до и после сужающего устройства должен быть турбулентным, стационарным; фазовое состояние потока не должно изменяться при его течении через сужающее устройство (жидкость не испаряется, растворенные в жидкости газы не выделяются, исключается конденсация водяного пара из газов с последующим выпадением жидкой фазы в трубопроводе вблизи сужающего устройства); во внутренней полости прямых участков трубопроводов до и после сужающего устройства не скапливаются осадки в виде пыли, песка, металлических предметов и др. видов загрязнений; на поверхности сужающего устройства не образуются отложения, изменяющие его конструктивные параметры; пар является перегретым, при этом для него справедливы все положения, касающиеся измерения расхода газа; при измерении расхода газа отношение абсолютных давлений на выходе и входе сужающего устройства больше или равно 0,75.
К стандартным (нормализованным) сужающим устройствам относятся диафрагмы, сопла, трубы Вентури, удовлетворяющие требованиям Правил и применяющиеся без индивидуальной градуировки. В процессе проектирования при выборе стандартных сужающих устройств не нужно производить полный расчет, т.к. его выполняет завод – изготовитель по данным опросного места, заполняемого заказчиком. В связи с этим в проекте делают только приближенные расчеты в целях выбора типа сужающего устройства, а также выбора типа и пределов показаний дифманометра.
При измерении расхода газов и жидкостей допускается применять как угловой, так и фланцевые способы отбора перепада давления на диафрагмах и угловой способ отбора на соплах, соплах и трубах Вентури. Перепад давления при угловом способе отбора измеряют как разность между статическими давлениями, взятыми непосредственно у плоскостей сужающего устройства в углах, образуемых последними со стенкой трубопровода. При угловом способе отбора перепад давления измеряется через отдельные цилиндрические отверстия или через две кольцевые камеры, каждая из которых соединена с внутренней полостью трубопровода кольцевой щелью (сплошной или прерывистой) или группой равномерно распределенных по окружности отверстий. При применении отдельных отверстий наилучшие результаты обеспечивает установка устройств в обойму. Кольцевая камера выполняется либо непосредственно в «теле» сужающего устройства, либо в каждом из фланцев, либо в специальной промежуточной детали – корпусе. При малых давлениях и большом диаметре трубопровода кольцевая камера может быть образована также полостью трубки, согнутой вокруг трубопровода в кольцо или прямоугольник. Сужающие устройства с кольцевыми камерами более удобны в эксплуатации, особенно при наличие местных возмущений потока, т.к. кольцевые камеры обеспечивают выравнивание давления по окружности трубы, что позволяет более точно измерять перепад давления при сокращенных прямых участках трубопровода. При фланцевом способе отбора перепад давления измеряют через отдельные цилиндрические отверстия, расположенные на одинаковом расстоянии от плоской диафрагмы. Оси отверстий для отбора давления до и после сужающего устройства могут находится в разных меридиальных плоскостях. На одном сужающем устройстве можно использовать два и более дифманометров с различным сочетанием шкал.
При установке сужающих устройств необходимо соблюдать ряд условий, существенно влияющих на погрешности измерения. Сужающие устройства должны располагаться перпендикулярно оси трубопровода, неперпендикулярность не должна превышать 1°. Ось сужающего устройства должна совпадать с осью трубопровода, смещение не должно превышать 0,005Д20. следует обеспечить установившееся течение потока перед входом в сужающее устройство и после него, для чего необходимо наличие прямых участков трубопровода определенной длины до и после сужающего устройства. Длина этих участков должна быть такой, чтобы искажение потока, вносимые коленами, вентилями, тройниками и т.д., смогли сгладится до подхода потока к сужающему устройству. Искажение потока перед сужающим устройством (СУ) значительно сильно влияют на погрешность измерения, чем искажение за СУ, поэтому задвижки и вентили, особенно регулирующие, рекомендуется устанавливать после СУ.
Длина прямого участка перед СУ зависит от относительной площади m СУ, диаметра трубопровода и вида местного сопротивления, расположенного до прямого участка. Длина прямого участка после СУ зависит от числа m.
m = (d / D)2 – относительная площадь СУ, равная отношению площадей сечения отверстия сужающего устройства и трубопровода при рабочей температуре.
Сужающее устройство расходомера является первичным измерительным преобразователем расхода, в котором в результате сужения сечения потока измеряемой среды (жидкости, газа, пара) образуется перепад (разность) давления, зависящий от расхода. В качестве стандартных (нормализованных) сужающих устройств применяются измерительные диафрагмы, сопла, сопла Вентури и трубы Вентури. Сопло выполнено в виде насадки с круглым концентрическим отверстием, имеющим плавную сужающую часть на входе и развитую цилиндрическую часть на выходе. Сопло Вентури- состоит из цилиндрического входного участка, плавно сужающейся части, переходящей в короткий цилиндрический участок, и расширяющейся конической части (диффузора).
Измерительная диафрагма представляет собой тонкий диск А с отверстием d круглого сечения, установленный так, что центр его лежит на оси трубопровода (используются в трубах от 50 мм до 2 м) (рис. 15). При протекании потока жидкости или газа (пара) в трубопроводе с диафрагмой сужение его начинается до диафрагмы. На некотором расстоянии за ней под действием сил инерции поток сужается до минимального сечения d2, а далее постепенно расширяется до полного сечения трубопровода (внутренний диаметр D). Перед диафрагмой и после нее образуются зоны завихрения, причем зона вихрей за диафрагмой больше, чем перед ней.
Давление струи около стенки вначале возрастает из-за подпора перед диафрагмой и понижается до минимума за диафрагмой в наиболее узком сечении струи II –II. Затем давление потока снова повышается, но не достигает прежнего значения, так как вследствие трения и завихрений происходит потеря давления рпот.
Рис. 15. Характер потока и график распределения статического давления р по длине трубопровода l при установке диафрагмы в трубопроводе
Таким образом, часть потенциальной энергии давления потока переходит в кинетическую. В результате средняя скорость потока в суженном сечении повышается, а статическое давление в этом сечении становится меньше статического давления перед сужающим устройством. Разность этих давлений (перепад давления) служит мерой расхода протекающей через сужающее устройство жидкости, газа или пара.
Уравнения расхода для несжимаемых жидкостей в объемных и массовых единицах имеют вид (7 и 8):
Этот коэффициент для разных сужающих устройств определяется опытным путём. Здесь
коэффициент сужения струи (
площадь поперечного сечения наиболее суженного участка струи),
средняя скорость вещества в сечении I,
средняя скорость вещества в отверстии диафрагмы),
Достоинствами диафрагм являются: простота изготовления, дешевизна изготовления, простота проверки конструкции. Недостатками являются: малый срок службы, большая остаточная потеря давления (
К достоинствам сопл относятся: маленькая потеря давления, способность при одном и том же перепаде давлений измерять больший расход. Недостатками являются: сложность в изготовлении и проверке.
Расходомеры переменного перепада давления;
Методы и средства измерения расхода
Расход– это количество вещества, протекающее через сечение трубопровода в единицу времени. Количество измеряют в единицах объема (м3, см3) или массы (т, кг, г). Соответственно может измеряться объемный (м3/с, м3/ч, см3/с) или массовый (кг/c, кг/ч, г/c) расход.
В соответствии с общепринятыми положениями прибор или устройство, служащие для измерения расхода вещества, называются расходомерами, а прибор или устройство, служащие для измерения количества вещества – счетчиками количества (счетчиками).
Выпускаются следующие типы расходомеров и счетчиков количества:
• Расходомеры переменного перепада давления.
• Тахеометрические (турбинные) расходомеры жидкости:
– турбинные расходомеры с механическим счётным механизмом;
– турбинные расходомеры с индукционным узлом съёма сигнала.
• Ультразвуковые расходомеры жидкости.
• Электромагнитные расходомеры жидкости.
• Вихревые расходомеры жидкости:
– с индуктивным преобразователем сигнала;
– с электромагнитным преобразователем сигнала;
– с ультразвуковым преобразователем сигнала.
• Расходомеры постоянного перепада давления (ротаметры).
• Кориолисовы расходомеры.
Расходомеры переменного перепада давления состоят из трех элементов: сужающего устройства, дифференциального манометра для измерения перепада давления (дифманометра – расходомера) и соединительных линий с запорной и предохранительной арматурой.
Принцип действия расходомеров переменного перепада основан на измерении давления по перепаду, который создается в трубопроводе установленным внутри него сужающим устройством. В суженном сечении увеличиваются скорость, а следовательно, и кинематическая энергия потока, что вызывает уменьшение его потенциальной энергии. Соответственно статическое давление потока после сужающего устройства будет меньше, чем перед ним. Разность между статическими давлениями потока, взятыми на некоторых расстояниях до и после сужающего устройства, называют перепадом давления.
Виды сужающих устройств: а — диафрагма; б — сопло; в — труба Вентури
Наиболее простым и распространенным сужающим устройством является диафрагма. Стандартная диафрагма представляет собой тонкий диск с круглым отверстием в центре. От стойкости диафрагмы и особенно входной кромки отверстия существенно зависит ее коэффициент передачи. Поэтому диафрагмы изготовляют из материалов химически стойких к измеряемой среде и устойчивых против механического износа. Кроме диафрагмы, в качестве стандартных сужающих устройств применяют также сопло и трубу Вентури, которые создают меньшее гидравлическое сопротивление в трубопроводе.
Сужающее устройство расходомера переменного перепада давлений является первичным преобразователем, в котором расход преобразуется в перепад давлений.
Промежуточными преобразователями для расходомеров переменного перепада давлений служат дифманометры.
К достоинствам расходомеров переменного перепада относится возможность использования их при различных температурах и давлениях измеряемой среды, а к недостаткам – потеря давления потока и относительная трудность промышленного применения расходомеров при малых расходах.
Основной принцип: турбинка вращается внутри трасходомера встроенного в трубопровод под действием потока чистой жидкости или газа. Частота вращения пропорциональна скорости потока. Узел съема данных (механический или индукционный) ведет подсчет оборотов турбины. Объем жидкости необходимый для 1 оборота турбины также известен.
Перед расходомером устанавливают струевыпрямитель, поскольку поток должен быть ламинарным.
Турбинные расходомеры жидкости с индукционным узлом съёма сигнала. Частота вращения турбинки преобразуется в электрический сигнал в индукционном преобразователе, в котором возникает ЭДС индукции при пересечении лопаткой турбинки магнитного поля преобразователя. Далее электрический сигнал передаётся в электронный блок, где преобразуется в значения расхода и количества прошедшей через расходомер жидкости.
На вид характеристики турбинного расходомера сильно влияет изменение кинематической вязкости измеряемой жидкости, поэтому результаты градуировки на воде не вполне достоверны, если измеряемая жидкость имеет большую кинематическую вязкость.
