Сущность измерения расхода по методу переменного перепада давлений

Измерение расхода по этому методу основано на измерении потенциальной энергии (статического давления) веще­ства, протекающего через местное сужение в трубопроводе. В измерительной технике сужающими устройствами (первич­ными преобразователями) служат диафрагмы, сопла и сопла Вентури. Из этих трех типов сужающих устройств чаще применяется диафрагма [4], так как является наиболее простой.

Диафрагма (рис.1) представляет собой тонкий диск, установленный в трубопроводе так, чтобы его отверстие было концентрично внутреннему контуру сечения трубопровода. Сужение потока начинается до диафрагмы и продолжается на некотором расстоянии за ней, благодаря действию сил инерции. При этом поток сужается до минимального сечения, а далее постепенно расширяется до полного сечения трубопровода. Перед диафрагмой и за ней образуются зоны с вихревым движением, причем зона вихрей за диафрагмой больше, чем перед ней.

Рис .1. Характер потока и график распределения стати­ческого давления при установке сужающего устройства в трубопроводе

Давление струи около стенки трубопровода несколько воз­растает из-за подпора перед диафрагмой и понижается до мини­мума за диафрагмой в наиболее узком сечении струи. Далее по мере расширения струи давление потока около стенки снова повышается, но не достигает прежнего значения.

Потери части давления Р_п объясняются главным образом потерей энергии на трение и завихрения.

Разность давлений (P'₁— P'₂) является перепадом, зависящим от расхода среды, протекающей через трубопровод. В самом узком сечении потока величина статического давления составляет значение Р₂^'. Однако, вследствие того, что заранее не известны координаты за сужающим устройством, где наблюдается минимальное давление P'₂, на практике перепад измеряется между давлениями P₁ и P₂, сразу до и после сужающего устройства. Для установления зависимости расхода вещества от перепада давлений, возникающего на сужающем устройстве, используют практические зависимости:

объёмный расход ,

массовый расход ,

где Q –объемный расход вещества; Q_м –массовый расход вещества;

 – коэффициент расхода вещества; F₀ – площадь отверстия диафрагмы;  – плотность измеряемого вещества; Р₁ – давление вещества непосредственно у стенки трубопровода до сужающего устройства; Р₂ – давление вещества непосредственно у стенки трубопровода после сужающего устройства.

При измерении расхода по методу переменного перепада давлений протекающее вещество должно целиком заполнять все сечение трубопровода и сужающего устройства; поток в трубопро­воде должен быть практически установившимся; фазовое состоя­ние веществ не должно изменяться при прохождении через су­жающее устройство (жидкость не должна испаряться, пар должен оставаться перегретым и т. п.) [4].

Типы сужающих устройств

Стандартная диафрагма – наибо­лее простое и распростра­ненное сужающее устройство (рис. 2). Она применяется без индивидуаль­ной градуировки для трубопрово­дов диаметром D> 50 мм при условии, что 0,05<m<0,7. Величина m – это так называемый модуль сужающего устройства: m = S₀/S₁, где S₀ = площадь отверстия диафрагмы; S₁ = площадь поперечного сечения трубопровода.

Диафрагма представляет собой тонкий диск с круглым концентрическим отверстием, которое имеет со стороны входа острую прямоугольную кромку, а отверстие на выходе расточено под угол φ = 30…45°. Входная кромка диафрагмы не должна иметь закруглений, вмятин, зазубрин и заусенцев [4].

Рис .2.Стандартная диафрагма

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.

Диафрагма представляет собой тонкий металличе­ский диск с отверстием, концентричным оси трубопровода. Отвер­стие имеет со стороны входа потока острую цилиндрическую кром­ку, а затем расточку на конус под углом 30—45°. Отбор статических давлений до и после диафрагмы про­изводится через кольцевые камеры или с помощью отдельных отверстий, объ­единенных в коллекторы. Схема установки диафрагмы на трубопроводе приведена на рис. 3. [4]

Рис. 3. Камерная диафрагма:

1–диск; 2, 3–кольцевые камеры;

4, 7–фланцы; 5, 6–соединительные трубки;

8–прокладки

Стандартные сопла (рис.4.) могут применяться без индивидуальной градуировки в трубопроводах диаметром D>50 мм при условии, что 0,05<m<0,65. Вследствие того что струя, протека­ющая через сопло, почти не отрывается от его профилированной части, потери на завихрения возникают в основном за соплом, поэтому остаточная потеря давления Р_п в сопле, по сравнению с диафрагмой, меньше.

Профильная часть отверстия сопла должна быть выполнена с плавным сопряжением дуг. При изготовлении сопла необходимо обращать внимание на гладкость его входной части, отсутствие конусности в цилиндрической части. Выходная кромка цилиндри­ческой части отверстия должна быть острой, без заусенцев, фаски или закругления. Для изготовления сопел обычно используют те же материалы, что и для диафрагм [4].

Сопла Вентури могут применяться без индивидуальной гра­дуировки для диаметров трубопроводов D>50 мм. У сопла Вентури (рис. 5) профильная входная часть выполняется такой же, как у обычного сопла. У сопла Вентури еще меньше потери давления Р_п ,так как его профиль близок к сечению протекающего потока.

Цилиндрическая средняя часть непосредственно без сопряжения переходит в конус [4]. Сопла Вентури могут быть длинными и короткими. У длинного сопла Вентури наибольший диаметр выходного конуса равен диаметру трубопровода, а у короткого – меньше диаметра трубопровода. Угол конуса должен удовлетворять условию 5° < φ < 30°.

Рис. 5. Сопло Вентури.

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.