5.4. Расходомеры переменного перепада давления

Одним из наиболее распространенных средств измерений расхо­да жидкостей и газов (паров), протекающих по трубопроводам, яв­ляются расходомеры переменного перепада давления, состоящие из стандарт-ного сужающего устройст­ва, дифманометра, приборов для изме­рения пара-метров среды и соедини­тельных линий. В комплект расходомерного устройства также входят пря­мые участки трубопроводов до и после сужающего устройства с местными сопротивлениями.

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.

И змерительная диафрагма представляет собой диск, установ­ленный так, что центр его лежит на оси трубопровода (рис. 5.9). 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, а далее постепенно расширяется до полного сечения трубопровода. Перед диафрагмой и после нее образуются зоны завихрения. Давление струи около стенки вна-чале возрастает из-за подпора перед диафрагмой. За диафрагмой оно снижается до минимума, затем снова повышается, но не достигает преж-него значения, так как вследствие трения и завихрений происходит по­теря давления р_пот.

Рис.5.9. Схема распределения статичес- Рис.5.10. Нормализованные диаф-

кого давления в потоке при установке рагмы и сопла: а-камерная (вверху)

в трубопроводе суживающего и бескамерная диафрагмы; б-камер-

устройства ное (вверху) и бескамерное сопла

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 и она будет тем больше, чем больше расход протекающего вещества.

Измерение статических давлений до и после сужающего устройства производится через отверстия 1 и 2. По способу отбора давления к дифманометру расходомерные диафрагмы и сопла делятся на камерные и бескамер­ные (с точечным отбором). Более совершенными из них являются камерные устройства.

На рис. 5.10 вверху показана половины камер­ных диафрагмы и соп- ла, а внизу — бескамерных. В камерных диафрагме и сопле давления к дифманометру передаются посредством двух кольцевых уравни­тельных камер, расположенных в ее корпусе перед и за диском с отвер­стием, соединенных с по­лостью трубопровода дву­мя кольцевыми щелями или группой равномерно расположенных по окружности радиальных отверстий.

Зависимость между расходом не­сжимаемой жидкости и перепадом давления может быть установлена из уравнения Бернулли для этого пото-ка, выражающего закон сохранения энергии, и уравнения неразрывности струи.

Для объемного расхода

; (5.1)

для массового расхода

(5.2)

где: Q_O - объемный расход, м³/с; Q_M - массовый расход, кг/с; - коэффициент расхода, зависящий от геометрической формы сужающего устройства и физических свойств измеряемой среды; F_O —площадь сечения сужающего устройства, м²; — плотность жидкости, кг/м³; — перепад давления, Па).

Формулы для газов и паров с учетом их сжимаемости имеют вид: ; (где — коэффици­ент расширения, учитывающий влияние сжимаемости измеряе­мой среды при прохождении по­тока через сужающее устрой­ство, для жидкостей =1).

Из приведенных формул сле­дует, что перепад давления мо­жет служить мерой расхода ве­щества, протекающего по трубопроводу.

В качестве стандартных (нормализованных) сужающих устройств применяются расходомерные диафрагмы, расходомерные сопла, сопла Вентури и трубы Вентури. Наибольшее распространение получили нормальные диафрагмы.

В качестве измерительных прибо­ров применяются различные дифференциальные манометры, снабженные показывающими, записываю­щими, интегрирующими, сигнализирующими и другими устройст­вами, обеспечивающими выдачу измерительной информации о рас­ходе в соответствующей форме и виде.

Диафрагма представляет собой тонкий металлический диск с концентрическим отверстием (рис. 5.10, а), которое во входной части делают цилиндрическим с острой кромкой, а далее рас­тачивают на конус 30°. Диафрагму изготовляют обычно из нержавеющей стали, а кольцевые камеры, между которыми она зажата - из углеродистой стали.) Эти диафрагмы применяют для трубопроводов диаметром от 50 до 400 мм. Необходимый диаметр отверстия диафрагмы рассчитывается по утвержденной стандартной методике.

Расходомеры переменного перепада давления устанавливают таким образом, чтобы измеряемое вещество заполняло все поперечное сечение трубопровода перед сужающим устройством и за ним; поток в трубопроводе являлся установившимся; фазовое состояние вещества не изменялось при прохождении сужающего устройства (например, жидкость не испарялась); пар не был перегретым; в трубопроводе вблизи сужающего устройства не скапливались конденсат, пыль, газы или осадки; сужающее устройство можно было очистить от образующихся отложений измеряемого вещества.

Сужающие устройства могут устанавливаться на прямых участках горизонтальных, вертикальных и наклонных трубо­проводов. Диафрагму устанавливают между двумя фланцами трубопровода таким образом, чтобы острая кромка ее отвер­стия была направлена против потока струи, а центр отверстия диафрагмы совпадал с центром трубопровода.

При монтаже диафрагмы с камерами внутренний диаметр их должен равняться внутреннему диаметру трубопровода или быть на 2—3 мм больше него.

Сужающие устройства соединяются с дифференциальными манометрами двумя трубками, ограниченными числом поворо­тов и имею-щими длину не более 50 м. На соединительных трубках устанавливаются устройства для периодической их продувки, сбора конденсата, газов и грязи. Если измеряется расход агрессивных или вязких веществ, то около сужающих устройств устанавливаются разделительные сосуды.