§ 4. Прилади змінного перепаду
Для автоматичного вимірювання витрат пару, газів і рідин використовують різноманітні типи витратомірів змінного перепаду. Принцип дії таких приладів, заснований на вимірювані перепаду тиску, який утворюється в результаті зміни швидкості потоку при проходженні вимірювального потоку через спеціальний пристрій.
Принцип роботи приладів змінного тиску пояснюється на рис.5. При протіканні рідини або газу через пристрій, що звужує і який має площу поперечного перерізу, яка значно менша за площу трубопроводу, частина потенціальної енергії тиску переходить у кінетичну енергію, при цьому середня швидкість потоку після звужуючого пристрою підвищується, а тиск зменшується. У такий спосіб при протіканні газу або рідини утвориться різниця тисків до і після пристрою, що звужує. Різниця цих тисків (перепад тисків) залежить від швидкості (витрати) речовини, що протікає. Величина тиску Р1 більша за величину тиску Р2 і умовно позначається знаком „+” – додатній тиск, відповідно Р2 знаком „-” – від’ємний тиск.
Рис. 5 Вимірювання витрат за допомогою звужуючого пристрою
Розмір перепаду тисків вимірюється спеціальними пристроями, які називаються диференціальними манометрами.
При проходженні реальних середовищ, що вимірюються через пристрій, що звужує, додатково виникають такі фізичні явища, як втрата тиску на в’язке тертя, зміна щільності й ін., що відповідним чином враховують при розрахунках пристроїв, що звужують.
До стандартних пристроїв, що звужують, відносяться діафрагми, сопла і трубки Вентурі. Найбільше поширеним типом пристроїв, що звужують, є діафрагми дискового нормального типу ДДН і діафрагми камерні нормального типу ДКН.
Нормальна діафрагма являє собою круглий металевий диск із центральним концентричним отвором, діаметр якого точно відповідає виконаному розрахунку стандартного пристрою, що звужує. Діафрагма повинна мати гострі прямокутні краї зі сторони входу вимірювального потоку рідини або газу. Максимально допустима похибка виготовлення внутрішнього діаметру діафрагми в залежності від розрахункових даних складає ± (0,001-0,005) мм.
Діафрагми встановлюють на прямолінійній горизонтальній або вертикальній ділянці трубопроводу для створення ламінарного потоку в вимірювальному середовищі. В залежності від схеми технологічних трубопроводів визначають прямі ділянки до і після діафрагми. Орієнтовно довжина прямої ділянки повинна складати: до діафрагми - не менше 10 діаметрів трубопроводу, після діафрагми - не менше 5 діаметрів трубопроводу. Для вимірюванні витрат рідини, патрубки для підключення манометрів встановлюють збоку перпендикулярно осі трубопроводу для запобігання похибки вимірювання від повітряних «подушок». В якості матеріалу діафрагм частіше використовують нержавіючу сталь марки Х18Н9Т, стійку в умовах агресивних середовищ.
Щоб уникнути додаткової похибки вимірювання перепаду тисків центр отвору діафрагми повинний точно лежати на осі трубопроводу. Таким чином, для вимірювання витрати приладами змінного перепаду тисків необхідно мати:
-звужуючий пристрій для створення перепаду тисків в потоці, що вимірюється;
-первинний датчик-дифференціальний манометр, що вимірює перепад на звужуючому пристрої, імпульсні сполучні лінії, що з'єднують звужуючий пристрій із диференціальним манометром, вторинний вимірювальний прилад.
Всі дифманометри змінного перепаду для вимірювання витрати мають нерівномірну (квадратичну) шкалу, у зв'язку з існуючою квадратичною залежністю між перепадом тисків і витрат:
,
де Q - об'ємна витрата, - коефіцієнт, що враховує відношення діаметрів трубопроводу й звужуючого пристрою і ступінь стискання потоку, - коефіцієнт, що враховує зміну щільності потоку при проходженні через звужуючий пристрій, - щільність газу або рідини, P1-P2 - перепад тисків на діафрагмі, F0 - площа внутрішнього отвору звужуючого пристрою.