1.3.1 Приборы, основанные на гидродинамических методах

Классификация расходомеров переменного перепада давления

Расходомером переменного перепада давления называются измерительный комплекс, основанный на зависимости от расхода перепада давления, создаваемого преобразователем расхода, установленным в трубопроводе, или элементом последнего.

Расходомеры переменного перепада давления имеют следующие разновидности, в зависимости от вида преобразователя расхода:

1 с сужающими устройствами;

2 с гидравлическим сопротивлением;

3 центробежные;

4 с напорными устройствами;

5 с напорными усилителями;

6 ударно – струйные.

1.3.1.1 Расходомеры с сужающими устройствами

Расходомеры с сужающими устройствами СУ основаны на измерении перепада давления, возникающего в результате преобразования в СУ части потенциальной энергии в кинетическую. Рассмотрим разновидности СУ.

Стандартные диафрагмы представляют собой тонкий диск с центральным круглым отверстием диаметром d, имеющим острую входную кромку. Диафрагма установлена строго концентрично оси трубопровода, имеющего диаметр D. Обозначим через А –А рисунок 1.28 сечение, от которого начинается сужение потока, а штриховой линией – границы потока, обусловленного проходом через отверстие диафрагмы.

Рисунок 1.28 - Прохождения потока через диафрагму

По инерции небольшого сужения поток достигает в сечении В –В. Затем поток начинает расширяться и вновь достигает стенок трубопровода в сечении С – С.

Рассматриваемый принцип измере­ния заключается в том, что при проте­кании потока через отверстие сужаю­щего устройства повышается скорость потока по сравнению со скоростью до сужения. Увеличение скорости, а сле­довательно, и кинетической энергии вызывает уменьшение потенциальной энергии и соответственно статического давления. Расход может быть опреде­лен по перепаду давления ∆p, изме­ренному дифманометром в соответст­вии с градуировочной характеристи­кой ∆p=f(Q). Использование рас­сматриваемого метода измерения тре­бует выполнения определенных усло­вий: характер движения потока до и после сужающего устройства должен быть турбулентным и стационарным; поток должен полностью заполнять все сечение трубопровода; фазовое состояние потока не должно изменять­ся при его течении через сужающее устройство; во внутренней полости трубопровода до и после сужающего устройства не образуются осадки и другие виды загрязнений; на поверх­ностях сужающего устройства не об­разуются отложения, изменяющие его геометрию; пар является перегретым, при этом для него справедливы все положения, касающиеся измерения расхода газа.

На рисунке 1.29 изображены разновидности сопла и диафрагм. Стандартные диафрагмы - а и б; стандартные сопла - в; сегментная диафрагма – г; эксцентричная диафрагма – д; кольцевая диафрагма – е.

Рисунок 1.29 - Разновидности диафрагм

Сужающие устройства для малых чисел Рейнольдса к этим устройствам относятся: двойная диафрагма, диафрагма с входным конусом, диафрагма с двойным конусом, сопло четверть круга, сопло полу круга, комбинированное сопло и цилиндрическое сопло.

Они отличаются друг от друга не только устройствами, но и областями чисел Re, в пределах которых у них сохраняются постоянство коэффициента α.

Двойная диафрагма – одно из первых сужающих устройств, предложенное и исследованное Вельцхольцем в 1936 года. Это устройство состоит из двух стандартных дисковых диафрагм, расположенных на расстоянии α = (0,3÷0,5)D друг от друга. Давление р₁ отбирается у передней плоскости первой вспомогательной диафрагмы, имеющей диаметр отверстия d₁, а давление р₂ – у задней плоскости второй основной диафрагмы, диаметр отверстия которой d рисунок 1.30.

Рисунок 1.30 - Двойная диафрагма

Двойная диафрагма по своим свойствам – промежуточная между стандартной диафрагмой и стандартным соплом, так как вспомогательная диафрагма при правильно выбранном расстоянии облегчает вход потока в отверстие основной диафрагмы. В связи с этим потеря давления на ней меньше, чем у стандартной сопла, а значение коэффициента расхода α меньше, чем у сопла, но больше чем у диафрагмы.

Двойные диафрагмы имеют постоянные значения d в области средних чисел Re и нередко применяются для измерения расхода вязких веществ.

Диафрагма с двойным конусом приведена на рисунке 1.31 диафрагма имеет конический вход с углом конуса Θ и конический выход с углом 45⁰.

Рисунок 1.31- Схема диафрагмы

Конусная диафрагма, состоит из конической части длиной b с углом входа Θ рисунок 1.32.

Рисунок 1.32 - Конусная диафрагма Куратова

Сопло четверть круга – одно из наиболее исследованных сужающих устройств, предназначенных для малых чисел Re. Возможные четыре разновидности этого сопла показаны на рисунке 1.33.

Рисунок 1.33 - Сопло четверть круга

Профиль сопла образуется дугой радиуса r. Во всех случаях, когда центр радиуса r находится в пределах диаметра трубы рисунок 1.33 (а – в), профиль сопла равен четвертой части окружности, соединяющейся по касательной с торцевой плоскостью сопла. При больших m, когда r > (D – d)/2, профиль сопла очерчен другой, которая образует угол с торцевой плоскостью сопла.

Имеются два типа цилиндрических сопел: несимметричное рисунок 1.34(а) и симметричное рисунок 1.34(б).

Рисунок 1.34 - Цилиндрические сопла: а – несимметричное; б – симметричное

Достоинство цилиндрического сопла – простота изготовления, недостаток – неизбежность в процессе эксплуатации притупления выходной острой кромки, в результате которого коэффициент расхода α будет возрастать и одновременно, как показали опыты будет возрастать и значение Re_min. Последнее приводит к уменьшению области постоянства α.

Комбинированное сопло, профиль которого показан на рисунке 1.35, является сочетанием сопла четверть круга на входе и цилиндрической части, имеющей длину z на выходе.

Рисунок 1.35 - Комбинированное сопло

Профиль комбинированного сопла имеет сходства с профилем стандартного сопла, но входная часть очерчена не двумя, а одним небольшим радиусом, а цилиндрическая часть значительно длиннее.

Наряду с рассмотренными диафрагмами и соплами к стандартным сужающим устройствам международный стандарт ИСО 5167, а также отечественные нормы относят так называемые расходомерные трубы: классические трубы Вентури и сопло Вентури. Характерный их признак – расходящийся конус – диффузор, расположенный на выходе после наименьшего сечения горловинытрубы. Диффузор отрезает мертвые зоны, имеющиеся на выходе у диафрагм и сопел, в которых вследствие вихреобразования происходит потеря энергии.

Диафрагма рисунок 1.36(а) пред­ставляет собой тонкий диск с круглым отверстием, ось которого располагает­ся по оси трубы Передняя (входная) часть отверстия имеет цилиндрическую форму, а затем переходит в коничес­кое расширение. Передняя кромка от­верстия должна быть прямоугольной (острой) без закруглений и заусениц. Стандартные диафрагмы устанавли­ваются на трубопроводах диаметром не менее 50 мм.

С

Рисунок 1.36 - Стандартные сужающие устройства:

а — диафрагма; б — сопло; в — сопло Вентури

опло рисунок 1.36(б) имеет спрофи­лированную входную часть, которая затем переходит в цилиндрический участок диаметром d (его значение входит в уравнения расхода). Торце­вая часть сопла имеет цилиндричес­кую выточку диаметром, большим d, для

предохранения выходной кромки цилиндрической части сопла от пов­реждения.

Сопло Вентури контур показан на рисунке 1.36 (в) имеет входную часть с профилем сопла, переходящую в ци­линдрическую часть, и выходной конус (может быть длинным или укорочен­ным). Минимальный диаметр трубо­провода для стандартных сопл Вен­тури составляет 65 мм. На рисунке 1.36 символами p₁ и р₂ отмечены точки от­бора давлений на дифманометр.

Между расходом и перепадом дав­ления в сужающем устройстве сущест­вует определенная квадратичная за­висимость, что позволяет дифманометры, измеряющие перепад давления, градуировать в единицах расхода. Такие дифманометры назы­ваются дифманометрами-расходомерами. Для получения равномерной шкалы расходомера в кинематическую или электронную схему дифмакометров или вторичных приборов включа­ются различные типы устройств, из­влекающих квадратный корень. Нали­чие таких устройств является одним из недостатков метода измерения рас­хода по перепаду давления.

Имеются три разновидности классических труб Вентури, обусловленные способом изготовления внутренней поверхности входного конуса (конфузора) и профиля пересечения его с горловиной.

1. Обработанные трубы Вентури. Применяют для трубопроводах небольших диаметров D – от 50 до 250 мм. Изготовляются литьем. Входной конус, горловины и входную цилиндрическую часть обрабатывают. Переходы между коническими и цилиндрическими элементами выполняют с закруглениями и без них.

2. Литые трубы Вентури. Применяют для трубопроводов средних диаметров – от 100 до 800 мм. Изготавливаются литьем в песочную форму или другими способами. Обрабатывают только горловину сопла, а места перехода между коническими и цилиндрическими сегментами закругляют.

3. Сварные трубы Вентури с входным коническим конусом из листовой стали. Применяют для трубопроводов больших диаметров – от 200 до 1200 мм. Обычно изготавливаются сваркой. В трубах малого диаметра горловину обрабатывают.

Достоинствами труб Вентури являются:

1. Очень малая потеря давления.

2. Возможность установки на трубопроводах, не имеющих длинных прямых участков.

3. Отсутствие влияния шероховатости трубопровода на коэффициент истечения.

4. Возможность измерения загрязненных сред.

5. Простота расчета вследствие независимости коэффициента истечения.

6. Возможность очень длительной многолетней работы благодаря хорошей износоустойчивости.