2.2.1.3 Стандартні звужувальні пристрої

Звужувальним пристроєм називається чутливий елемент первинного вимірювального перетворювача, який являє собою діафрагму, сопло ІСА1932, сопло або трубу Вентурі, у стиснутому перерізі якого (переріз, де площа мінімальна) збільшується середня швидкість і кінетична енергія потоку середовища, і, завдяки чинності закону збереження енергії, зменшується статичний тиск. Найбільше повно дослідженими звужувальними пристроями, що рекомендовані для широкого застосування Технічним комітетом 30 (ТК 30) Міжнародної організації по стандартизації (ISO), є так називані нормальна діафрагма і нормальне сопло. На основі періодично видаваних рекомендацій ISO майже у всіх промислово розвитих раїнах розроблені норми або правила по застосуванню даних звужувальних пристроїв.

Рисунок 2.2  Камерна діафрагма

 

Нормальні або стандартні діафрагма і сопло обрані і рекомендовані для застосування не випадково. Їхні коефіцієнти витрати в широкій області чисел Rе майже не міняються. Помітна зміна настає лише при порівняно малих Rе. Тому при малих Rе стандартні діафрагми і сопла не застосовуються.

Будова діафрагми з камерним відбором перепаду тиску відображено на рисунку 2.2 Діафрагма являє собою тонкий диск із круглим циліндричним отвором у центрі. За значення діаметра (де D  діаметр трубопроводу) циліндричної частини отвору приймають середнє значення результатів не менш чотирьох вимірів діаметрів, розташованих під рівними кутами з відхиленням ±5. При цьому похибка вимірювального інструмента повинна бути не більше 0,02 %. Отвір діафрагми повинен бути циліндричним, а його вісь повинна бути перпендикулярна до вхідного торця діафрагми в межах ±0,5. Результати окремих вимірів діаметра отвору не повинні відрізнятися від середнього значення більше ніж на 0,05%. Товщина диска s повинна бути в межах від 0,005D до 0,05D. Якщо товщина диска більше 0,02D, то отвір на стороні виходу повинен мати конічне розточення з кутом у межах від 45⁰ до 60⁰ (раніше від 30⁰ до 45⁰). Таким чином, товщина е циліндричного отвору діафрагми повинна знаходитися в межах від 0,005D до 0,02D. Відповідно до останніх рекомендацій ISO верхня межа е може бути підвищена до 0,1d або до 0,25 (D  d). Вхідний кут циліндричного отвору повинний бути строго дорівнює 90, а сама вхідна крайка повинна бути гострою, без яких би то ні було заусенців і зазублин. Ступінь шорсткості k вхідного торця діафрагми в межах 1,5d не повинна перевищувати 0,0003d.

Якщо діафрагма призначена для вимірів витрати середовищ, що течуть у прямому і зворотному напрямках, то виконують такі вимоги:

а) отвір діафрагми не повинен мати конічної частини;

б) обидва торці діафрагми повинні відповідати вимогам, наведеним для вхідного торця;

в) товщина діафрагми повинна дорівнювати довжині циліндричної частини  отвору е;

г) обидві крайки отвору повинні відповідати вимозі для вхідної крайки.

Для діафрагми з трьохрадіусним відбором тиску передбачають перед і за нею дві групи отворів для відбору тиску, кожну з яких використовують відповідно до напрямку потоку.

Існує три методи відбору тисків р₁ і р₂: кутовий — безпосередньо в площинах діафрагми; радіальний  на відстані D до і на відстані D/2 після діафрагми і фланцевий  на відстані 25 мм від вхідної і вихідної площин діафрагми.

При кутовому способі відбору можливі два його різновиди — точковий і камерний. У першому випадку відбір здійснюється окремими свердліннями, у другому (рисунок 2.2) через кільцеві камери, що з'єднуються з внутрішнім простором трубопроводу за допомогою кільцевих щілин, що знаходяться безпосередньо в площинах діафрагми, або ж групи рівномірно розподілених за колом отворів.

Саме останній спосіб прийнятий у ГОСТ 14321—73 “Діафрагми камерні на р_у до 100 кгс/см² (10МПа)”. Кільцеві камери сприяють відборові середнього тиску в даному перерізі. Тому вони особливо доцільні, коли немає впевненості в належній осьовій симетрії профілю швидкостей, тобто при недостатній довжині прямих ділянок труби до і після діафрагми.

Камерні діафрагми відповідно до ГОСТ 14321-73 виготовляють тільки при діаметрах труб D не більше 400  500 мм. При великих діаметрах камерний відбір тисків виконується за допомогою двох зовнішніх трубок невеликого (10  12 мм) діаметра, зігнутих у кільце навколо основного трубопроводу і з'єднаних із простором до і після діафрагми за допомогою декількох (4  8) рівномірно розташованих радіальних трубок. При високому тиску вимірюваного середовища (більше 100 кгс/см²) конструкція діафрагми, показана на рисунку 2.2, що складається з трьох окремих частин, мало підходить. У зв'язку з цим у КБ "Главпроменергомонтажа" для тисків до 20 МПа (200 кгс/см²) і для діаметрів труб від  50 до 225 мм розроблена конструкція дискової діафрагми, що затискається між особливими фланцями, у яких виточуються камери для відбору тисків. Камери з’єднуються з просторами до і після диска діафрагми через пази, профрезовані в його стовщеному ободі.

При ще більш високому тиску вимірюваного середовища застосовують лінзове ущільнення або приваркові звужувальні пристрої. В останньому випадку краще замість діафрагм застосовувати сопла як більш надійні пристрої, у меншому ступені потребуючої періодичного виїмання для ревізії.

Профіль стандартного сопла показаний на рисунку 2.3, а. Вхідна частина сопла утворена дугами двох радіусів, що плавно переходять одна в іншу. Перша дуга по дотичній з’єднується з торцевою вхідною площиною сопла, а друга по дотичній переходить у циліндричну, вихідну частину.

Рисунок 2.3  Стандартне сопло: а — при m ≤ 0,444; б — при m > 0,444

Рисунок. 2.3. Стандартне сопло: а — при m ≤ 0,444; б — при m > 0,444

 

Вихідна крайка циліндричної частини отвору повинна бути гострої, без заусенців, фаски або заокруглення. Для її запобігання від випадкового ушкодження служить захисний кільцевий виступ, довжина якого не повинна бути більше 0,03d, а  внутрішній діаметр не повинний бути менш 1,06d. Товщина s фланця сопла повинна бути не більше 0,1d.

Значення будь-якого діаметра в будь-якому поперечному перерізі циліндричної частини сопла не повинен відрізнятися від середнього значення більше ніж на 0,05 %. Фронтальна поверхня і горловина поліруються, щоб шорсткість була не більше 0,0003d. Правильність вхідного профілю сопла треба контролювати за допомогою шаблона.

Відбір тисків, як і в діафрагми, може бути як камерний, так і точковий. Спосіб відбору тисків тільки кутовий безпосередньо в площин фланця сопла. Усе, що було сказано про розміри отворів для відбору тисків біля діафрагми, зберігає свою силу і тут. При досить великих числах Rе потік при виході із сопла має циліндричну форму, ніякого додаткового звуження, як у діафрагми, тут немає і, отже, коефіцієнт  =1. Сопло краще, ніж діафрагма, протистоїть дії потоку, у зв’язку з чим у сопла краще зберігається сталість коефіцієнта витрати α.