6. Измерение расхода и количества жидкости, газа или пара

6.1. Общие сведения и единицы измерения расхода и количества вещества

Количество вещества, проходящее в единицу времени по каналу, называется расходом вещества. Количество и расход вещества выражают в объемных или массовых единицах измерения. Единицы объемного расхода – л/ч, м³/с, м³/ч и т.д., массового расхода – кг/c, кг/ч, т/ч и т.д.

Переход от объемных единиц расхода к массовым производится по формуле

Q_м = Q_об · ρ , (6.1)

где Q_м – массовый расход, кг/ч, Q_об – объемный расход, м³/ч, ρ – плотность вещества, кг/м³.

Для приведения объемного расхода сухого газа Q_об в рабочем состоянии к расходу Q⁰_об в нормальном состоянии используется зависимость

, (6.2)

где k – коэффициент сжимаемости газа, характеризующий отклонение его свойств от законов идеального газа. При промышленных измерениях нормальными условиями считаются температура T₀ = 20⁰C, p₀= 1 атм. Зависимость (6.2) позволяет получить сравнимые результаты измерений расхода газа, выраженного в единицах объема.

Приборы, измеряющие расход, называются расходомерами. Приборы, измеряющие количество вещества, называют счетчиками и весами. Для определения расхода и количества вещества применяются следующие методы измерений: переменного перепада давления, скоростной, объемный, весовой и др.

Метод измерения расхода по перепаду давления имеет большое практическое значение и основан на изменении статического давления среды, проходящей через искусственно суженное сечение трубопровода. Скоростной метод основан на определении средней скорости движения потока, объемный и весовой методы – на определении объема и массы вещества. Достоинства первых двух методов измерений – простота и компактность измерительных приборов, а последних двух – более высокая точность измерений.

Приборы для измерения расхода и количества вещества можно разделить на следующие группы [6]:

• расходомеры с сужающим устройством,

• скоростные расходомеры и счетчики,

• объемные счетчики,

• ротаметры,

• электромагнитные расходомеры,

• автоматические весы.

6.2. Пневмометрический метод измерения расхода. Трубки Пито

Измерение скорости в потоке жидкости или газа напорными трубками (пневмометрический метод) сводится к измерению динамического давления (скоростного напора), которое равно разности полного и статического давлений (см. рис. 26) и связано со скоростью соотношением, получаемым из уравнения Бернулли:

, (6.3)

откуда скорость невозмущенного потока в точке измерения равна

, (6.4)

где w – скорость движения газа или жидкости, м/с; ρ – плотность газа или жидкости в рабочих условия, кг/м³; p_п – полное давление в лобовой точке напорной трубки, Па; p_ст – статическое давление в невозмущенном потоке, Па.

Рис. 26. Измерение динамического давления

Таким образом, для определения скорости в данной точке потока необходимо измерить разность полного и статического давлений. Измерение полного давления может быть осуществлено напорной трубкой с отверстием на лобовом ее конце, а статическое давление – через одно или несколько отверстий в стенке трубы. Поскольку для определения скорости в данной точке потока нужно измерять только разность давлений, то обе трубки следует присоединить к микроманометру или жидкостному дифманометру (рис. 27).

Рис. 27. Схема измерения динамического давления: 1 – пневмометрическая трубка, 2 – микроманометр

Рассмотренный способ впервые был применен в 1732 г. Пито.

Измеряемое напорными трубками динамическое давление обычно небольшое, поэтому в качестве вторичных приборов применяются при малых скоростях микроманометры или жидкостные тягонапоромеры с наклонной трубкой, а при больших скоростях – жидкостные дифманометры.

Ошибки при измерении давлений обусловлены тем, что практически не представляется возможным совместить в одной точке отверстия для приема полного и статического давлений.

Пневмометрическая трубка измеряет скорость в той точке потока, в которую она установлена. Перемещая трубку по диаметру можно измерить распределение скоростей. Интегрирование полученного распределения скоростей позволяет найти среднюю по сечению скорость, а значит, и расход. Обычно пневмометрические трубки используются для измерения распределения скоростей.

Два способа нахождения средней скорости:

• по напорной трубке находят w_max, затем Re, и при помощи графика – w_ср (рис. 28);

• в круглой трубе при турбулентном течении и симметричном профиле скорости w_ср находится путем измерения динамического давления, устанавливая напорную трубку на расстоянии 0,12d от стенки.

Рис. 28. График для нахождения средней скорости потока в трубе

Широко применяется как в лабораторных, так и в промышленных условиях дифференциальная трубка Пито с полусферической головкой наконечника, снабженная державкой (рис. 29). В этой трубке полное давление потока передается через отверстие на лобовом конце наконечника трубки, статическое – через узкую прерывистую щель на поверхности наконечника. По каналам в теле цилиндрического наконечника и в державке трубки давления передаются к прибору, измеряющего разность p_п – p_ст.

Рис. 29. Дифференциальная трубка Пито