4.3.1. Сущность измерения расхода по методу

переменного перепада давлений

Наиболее распространенным и изученным методом измерения расхода жидкости, пара и газа является метод переменного перепада давлений.

В состав комплекта 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 (тип ДД), вторичный прибор (контроллер).

Измерение расхода по методу переменного перепада давлений 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 наиболее часто применяется диафрагма.

Типы сужающих устройств, регламентированные РД 50-213-80

Диафрагма представляет собой тонкий диск с круглым концентрическим отверстием, которое имеет со стороны входа потока острую цилиндрическую кромку, а далее расточено под угол φ = 30…45°. Входная кромка диафрагмы не должна иметь закруглений, вмятин, зазубрин, заусенцев. Сужение потока начинается до диафрагмы в сечении А-А, затем, на некотором расстоянии за ней, благодаря действию сил инерции, поток сужается до минимального сечения В-В, а далее постепенно расширяется до полного сечения трубопровода (сечение С-С). Перед диафрагмой и за ней образуются зоны с вихревым движением, причем зона вихрей за диафрагмой больше, чем перед ней (рис.4.67) [3].

Рис.4.67. Характер потока и график распределения стати­ческого давления при установке диафрагмы в трубопроводе

Скорость потока начиная с сеченя А-А возрастает и достигает максимального значения за диафрагмой в сечении В-В. Затем, по мере расширения струи, скорость потока снижается и достигает в сечении С-С первоначального значения.

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. После прохождения сужающего устройства измеряемый поток продолжает сужаться. В самом узком сечении потока величина статического давления составляет значение р₂^'. 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. Еще меньше потери давления р_п в сопле Вентури, профиль которого близок к сечению потока, проходя­щего через сужение. 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.). Для установления зависимости расхода вещества от перепада давлений, возникающего на сужающем устройстве, используют практические зависимости [3]:

объемный 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.

Стандартная диафрагма – наибо­лее простое и распростра­ненное сужающее устройство (рис. 4.68). 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. Отбор статических давлений до и после диафрагмы про­изводится через кольцевые камеры или с помощью отдельных отверстий, объ­единенных в коллекторы.

Рис.4.68. Стандартная диафрагма

Стандартные сопла (рис.4.69) могут применяться без индивидуальной градуировки в трубопроводах диаметром D>50 мм при условии, что 0,05<m<0,65. 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 [3].

Рис.4.69. Стандартное сопло

Сопла Вентури могут применяться без индивидуальной гра­дуировки для диаметров трубопроводов D>50 мм. У сопла Вентури (рис.4.70) профильная входная часть выполняется такой же, как у обычного сопла. Цилиндрическая средняя часть непосредственно без сопряжения переходит в конус. 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.4.70. 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.

Ниже приведены схемы установки сужающих устройств (с диафрагмой, стандартным соплом и соплом Вентури) (рис. 4.71).

Рис. 4.71. Сужающие устройства

(а-диафрагма, б-стандартное сопло, в-сопло Вентури)

Дифманометр типа ДМ

Мембранный дифманометр ДМ (рис.4.72) является бесшкальным прибором с индукционным датчиком, работающим с вторич­ными дифференциально-трансформаторными приборами типа КСДЗ, ЭПИД, ЭИВ, ДС и др. Он предназначен для дистанционного измерения избыточных давлений, разрежений или перепадов дав­ления жидкостей, паров и газов, не разрушающих чувствительный элемент прибора. При этом величина измеряемого параметра пре­образуется дифманометром в пропорциональный электрический сигнал, передаваемый далее на вторичный прибор. Действие дифманометра основано на использовании деформа­ции чувствительного элемента прибора при воздействии на него разности давлений [5].

Рис.4.72. Схема мембранного дифманометра ДМ: 1-корпус; 2-перегородка; 3, 8-импульсные линии; 4-катушка;5-колпак;

6- сердечник; 7, 9-мембранные коробки

Чувствительным элементом дифманометра является мембран­ный блок, помещенный в корпусе 1 и включающий мембранные ко­робки 7 и 9, сваренные из четырех мембран, имеющих концентрические гофры. При наложении мембран профили их совпадают, что предохра­няет мембраны от разрушения при перегрузках. Внутренние полости коробок, заполненные дистиллированной водой или ее смесью с глицерином, сооб­щаются между собой через отверстие в перегородке 2. Мембраны изготовляются из нержавеющей стали с высоки­ми упругими свойствами или бериллиевой бронзы. Давление передается через импульсные линии 3 и 8. С цен­тром верхней мембраны свя­зан сердечник 6 дифферен­циально-трансформаторной ка­тушки 4, закрытой колпаком 5. Большее давление подается в нижнюю (плюсовую) каме­ру, а меньшее – в верхнюю (минусовую). Под воздейст­вием разности давлений в ка­мерах нижняя мембранная ко­робка сжимается, жидкость из нее поступает в верхнюю коробку, вызывая перемещение верхнего центра и связанного с ним сердечника индукционного дат­чика. Деформация продолжается до тех пор, пока силы, вызван­ные перепадом давления, не уравновесятся упругими силами мем­бранных коробок [5]. При перемещении сердечника 6 индукционного датчика измеряемая величина преобразуется в электрический сиг­нал и передается на вторичный прибор с электрическим входным сигналом. Для уменьшения погрешности вследствие изменения темпера­туры окружающей среды верхняя мембранная коробка дифмано­метра выполнена более жесткой, чем нижняя. Благодаря этому изменение температуры окружающей среды приводит в основном лишь к изменению объема нижней мембранной коробки, и сердеч­ник не получает дополнительного смещения. Мембранные дифманометры выпускаются на предельные пере­пады давления 16–250 МН/м² (160–2500 кгс/м²) и 40–630кН/м² (0,4–6,3 кгс/см²). Допускаемые статические давления до 25 МН/м² (250 кгс/см²) [5].

Источники возможных погрешностей комплекта – расходомера при измерении расхода методом переменного перепада давлений:

 погрешности установки и конструкции сужающих устройств:

- неправильный монтаж сужающих устройств (на непрямолинейных участках);

- сужающее устройство располагается не концентрично относительно оси трубопровода круглого сечения, т.е. его ось смещена от оси трубопровода на какое-то расстояние;

- безвозвратные потери давления на диафрагме (в случае, когда потери должны быть ограничены, применяют сопла или трубки Вентури);

- потеря давления в трубке Вентури возрастает с увеличением угла φ.

 погрешности дифманометров:

- основная погрешность дифманометра ДМПК-100 составляет ±1%;

- основная погрешность дифманометра ДП-50 составляет ±267Н/м² (2 мм рт. ст.);

 погрешность вторичного прибора.