Расходомеры переменного перепада давления

Наибольшее распространение из расходомеров переменного перепада давления получили расходомеры с сужающим устройством, работа которых основана на зависимости от расхода перепада давления, образующего на сужающем устройстве в результате частичного перехода потенциальной энергии в кинетическую.

Причиной широкого распространения таких расходомеров являются следующие их 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 диффманометр и вторичный прибор, могут изготавливаться 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 расчётным путём.

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, причём 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 в месте установки сужающего устройства скорость его увеличивается. При этом происходит частичный переход потенциальной энергии давления в кинетическую энергию скорости, вследствие чего статическое 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.

К стандартным (нормализованным) сужающим устройствам относятся диафрагма, сопла, и трубы Вентури, удовлетворяющие требованиям Правил и применяющиеся без индивидуальной градуировки в комплекте со стандартным диффманометром.

При измерении расхода газов и жидкостей допускается применять как угловой, так и фланцевый способы отбора перепада давления на диафрагмах и угловой способ отбора на соплах, на 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 наличии местных возмущений потока, так как 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 до плоскостей диафрагмы. Оси отверстий для отбора давления до и после сужающего устройства могут находиться в разных меридиональных 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.

Стандартные сужающие устройства

При выборе сужающего устройства необходимо руководствоваться следующими соображениями. Потеря давления в сужающих устройствах увеличивается в следующей последовательности: труба Вентури, длинное сопло Вентури, короткое сопло Вентури, сопло, диафрагма; при одних и тех же значениях m и P и прочих равных условиях сопло позволяет измерять больший расход, чем диафрагма, и обеспечивает более высокую точность измерения по сравнению с диафрагмой (особенно при малых значениях m); изменение или загрязнение входного профиля сужающего устройства в процессе эксплуатации влияет на коэффициент расхода диафрагмы в большей степени, чем на коэффициент расхода сопла; первое место среди сужающих устройств по стоимости, простоте изготовления и монтажа занимают диафрагмы.

Стандартная диафрагма. Для диафрагм с угловым способом отбора перепада давления допустимые диапазоны значений диаметров трубопроводов D и относительных площадей сужающих устройств m должны находится в пределах 50 мм < D <1000 мм; 0,05 < m <0,64 (для трубопроводов диаметром D >1000 мм рекомендуется принимать расчетные значения, соответствуют D = 1000мм). Для диафрагм с фланцевым способом отбора перепада давления эти величины должны находиться в пределах 50мм < D < 760мм; 0,04 < m < 0,56. Диаметр отверстия диафрагм независимо от способа отбора перепада давления d >12,5 мм. Бескамерные диафрагмы на Py до 32 Мпа изготовляются по ГОСТ 14322-77, а камерные диафрагмы на Py до 10 Мпа - по ГОСТ 14321-73.

На рисунке показан внешний вид дафрагмы в разрезе Выше оси показано измерение перепада давления через кольцевые камеры 1, ниже оси - через отдельные отверстия 2. Толщина диска диафрагмы не должна превышать 0,05D20. При измерении расхода загрязнённых жидкостей и особенно газов у стандартной диафрагмы, установленной на горизонтальной трубе, могут образовываться отложения.

Во избежание этого применяют сегментные и эксцентричные диафрагмы. Сегментные диафрагмы представляют собой кольцо, в которое вварен диск с вырезанным в его нижней части сегментом или сектором. Кольцо зажимается между фланцами трубопровода. Кромка диафрагмы со стороны потока должна быть острой. Отверстия сегментной и эксцентричной диафрагм располагают в нижней части сечения трубы, а выводы импульсных трубок - в верхней части трубопровода вне пределов отверстия. Они могут применяться для измерений расхода жидкостей, из которых выделяются газы; в этом случае отверстия истечения располагают вверху. Сегментные диафрагмы могут устанавливаться на трубопроводах диаметром от 50 до 1000 мм. Значение Remin 5000 - 40000 при m от 0,1 до 0,5.

При измерении малых расходов, перепад давления на диафрагме может быть не достаточен для организации измерения. В таких случаях возможен вариант с установкой двух диафрагм с разным диметром и отбором разници давлений до первой и после второй .

Сопла. В случае измерения расхода газа, сопла могут устанавливаться на трубопроводе диаметром не менее 50 мм, в случае измерения расхода жидкости - не менее 30 мм. Относительная площадь сужающего устройства должна быть в пре делах 0,05 < m <0,64, а диаметр отверстия сопла d>15 мм. Схематичное изображение сопла дано на рисунке. На рисунке вверху показан отбор статических давлений через кольцевые камеры, внизу - через отдельные отверстия.

Профиль входной части сопла образуется двумя дугами окружности, из которых одна касается торцевой поверхности сопла со стороны входа, а другая - цилиндрической поверхности отверстия. Сопряжение обеих дуг происходит практически без излома. На рисунке приведено сопло для m<0.444, сопло для m > 0,444 отличается конфигурацией профильной части.

Сопло Вентури устанавливают на трубопроводах диаметром от 65 до 500 мм, при этом относительная площадь сужающего устройства должна находиться в пределах 0,05<m<0,60, диаметр отверстия сопла d >15мм.

Сопло Вентури состоит из профильной входной части, цилиндрической средней части (горловины) и выходного конуса. Профильная часть выполняется так же, как у нормального сопла для соответствующих значений m. Цилиндрическое отверстие должно переходить в конус без радиусного сопряжения. Сопло Вентури может быть длинным или коротким. У первого наибольший диаметр выходного конуса равен диаметру трубопровода, у второго он меньше диаметра трубопровода. Перепад давления следует измерять через кольцевые камеры. Заднюю (минусовую) камеру соединяют с цилиндрической частью сопла Вентури с помощью радиальных отверстий.

Киевское предприятие ПО "Киевмаш" выпускает сопла Вентури на давление 1,6 МПа и условные диаметры 1000 и 1200 мм. Эти сопла изготовляют двух типоразмеров на каждый условный диаметр в зависимости от величины модуля m. Модуль - отношение площадей прохода горловины сужающего устройства и трубопровода, который равен 0,2 (СВ1-1000-02 и СВ1-1200-02) или (СВ1-1000-04 и СВ1-1200-04). Для измерения расхода сточной жидкости следует применять сопла Вентури с малыми сужениями (m>0,4), так как в торцевых частях сопел с большим сужением могут скапливаться отложения взвешенных частиц.

Труба Вентури устанавливается в трубопроводах диаметром от 50 до 1400 мм, при этом относительная площадь сужающего устройства должна находиться в пределах 0,10<m<0,60.Труба Вентури состоит из входного патрубка , входного конуса , горловины и диффузора .

Во входном конусе и горловине выполнены кольцевые усредняющие камеры . Они сообщаются с внутренними полостями входного конуса и горловины с помощью нескольких отверстий , которые при наличии в измеряемой жидкости взвешенных частиц прочищают с помощью специальных приспособлений. В нижней части кольцевых камер устанавливают пробковые краны для спуска жидкости. Труба Вентури называется длинной , если наибольший диаметр выходного конуса равен диаметру трубопровода, или короткой , если указанный диаметр меньше диаметра трубопровода.

Измерение расходов, имеющих большое отношение Qmax/Qmin. Вследствие квадратичной зависимости между расходом и перепадом, расходомеры с сужающими устройствами могут измерять только расходы, у которых отношение максимального и минимального значений не превышает 3-4. При необходимости с помощью сужающих устройств можно измерять расходы, у которых диапазон измерения выходит за указанные пределы, в этом случае применяют или два сужающих устройства с отверстиями разной площади с подключением одного дифманометра, или одно сужающее устройство, к которому подключены два дифманометра на различные пределы измерения.

Применение двух сужающих устройств возможно путём параллельной или последовательной их установки. Оба эти способа имеют существенные недостатки, так как параллельная установка сужающих устройств требует достаточно длинного разветвления трубопровода, чтобы выдержать необходимые прямые участки, а последовательная связана с дополнительной потерей давления и прямым дополнительным участком между устройствами. При установке двух сужающих устройств должно быть предусмотрено переключение дифманометра (желательно автоматическое) с одного сужающего устройства на другое в зависимости от расхода.

В случае если используются два дифманометра с одним сужающим устройством, то предельный перепад одного из них принимается равным 0,09 от предельного перепада другого. При этом первый дифманометр измеряет расходы в пределах от 9 до 30% Qmax, а второй - в пределах 30-100% Qmax. Отношение максимального и минимального значений расходов равно 11. Сужающее устройство рассчитывается на Qmax и предельный перепад второго дифманометра. Дифманометры могут подключаться к сужающему устройству двумя способами: 1) поочерёдно в зависимости от расхода; 2) дифманометр на больший перепад подключен постоянно, второй дифманометр подключается при падении расхода до 30% от максимального. Каждый из вариантов можно реализовать путем автоматического переключения.

Использование местных сопротивлений трубопроводов и парциальных устройств для измерения расхода. Иногда, если не требуется высокая точность измерения, применения общепромышленных расходомеров технически и экономически нецелесообразно. В этих случаях может быть использован перепад давления, образующийся при протекании жидкости или газа через местное сопротивление, а так же парциальный метод.

Наиболее изученными местными сопротивлениями являются центробежные преобразователи расхода - закругленные участки трубопровода, например колено, создающие перепад давления на внешнем и внутреннем радиусах закругления в результате действия центробежных сил в потоке. Центробежный преобразователь расхода вместе с дифференциальным манометром, измеряющим создаваемый перепад давления, образует центробежный расходомер. Преимущество такого расходомера состоит в том, что не требуется вводить в трубопровод какие-либо дополнительные устройства. В качестве местного сопротивления для измерения расхода может быть также использован конический переход (конфузор), который можно рассматривать как входную часть трубы Вентури.

Парциальными называются расходомеры, в которых производится измерение определённой доли расхода основного потока. Измерительное устройство устанавливают в ответвлении основного трубопровода (в шунте). Жидкость или газ движется в шунте благодаря перепаду давления, создаваемому сужающим устройством или местным сопротивлением в основном трубопроводе. В качестве парциальных расходомеров могут быть использованы расходомеры переменного перепада давления, обтекания, электромагнитные. При измерении расхода парциальным методом соотношение между расходами в основном трубопроводе и в шунте должно быть постоянным на всём диапазоне измерения. В некоторых типах парциальных расходомеров, например в расходомерах, с ротаметром на шунте, допускается непостоянство соотношения расходов, в этом случае необходимо вводить нелинейную градуировочную шкалу расходомера на шунте.

Описанные в настоящем разделе устройства требуют индивидуальной градуировки вместе с прилегающими участками трубы.