4. Расходомеры с напорными устройствами

Напорные устройства основаны на измерении динамического давления (напора) потока р_д или же давления, являющегося функцией р_д. Они разделяются на напорные трубки, напорные усреднители и напорные крылья. Из них только напорные усреднители сконструированы специально для целей измерения расхода. Остальные же, и в том числе основные напорные трубки, являются прежде всего преобразователями местной скорости потока, которые в некоторых случаях целесообразно применять также и для измерения расхода, например при недопустимости потери давления, создаваемой сужающим устройством, или затруднительности его установки. Напорные устройства часто применяются в газоходах некруглого сечения и при экспериментальных работах. Чувствительность всех напорных устройств резко увеличивается с ростом скорости измеряемой среды. При малых скоростях их применение малоцелесообразно.

Для возможности применения напорных устройств надо знать отношение скорости υ в месте установки трубки к средней скорости υ_с в трубопроводе. Для этого, в свою очередь, надо знать распределение скоростей по сечению трубопровода. Последнее при осесимметричном потоке определяется числом Re и степенью шероховатости трубы.

Среди всех типов напорных устройств основными и наиболее широко применяемыми являются напорные трубки. Трубка Г-образной формы с обтекаемым отверстием, направленным на встречу потоку, для измерения скорости течения жидкости получила название трубки Пито. Она воспринимает полное давление, равное сумме статического р_с и динамического р_д давления потока.

Для измерения динамического давления в закрытых каналах и в том числе трубах необходимо в дополнение к трубке Пито иметь еще трубку, воспринимающую только статическое давление, и дифманометр, измеряющий разность давлений в обеих трубках. В большинстве случаев обе эти трубки конструктивно объединяют в одно целое.

Чаще всего напорные трубки имеют конический, полусферический или полуэллипсоидальный конец (рис.57). у всех этих трубок перепад давления изменяется не более чем на ± 1,5 % при изменении угла θ вплоть до 14°. Диаметр отверстия для приема полного давления лежит в пределах (0,125÷0,4) d в зависимости от формы носовой части.

Перепад давления р, имеющий место в комбинированной трубке Пито, равен динамическому давлению р_д, иными словами, равен рv²/2. Скорость v, соответствующая этому перепаду, определяется из уравнения

v = k_т,

где k_т – коэффициент трубки, который для трубок, приведенных на рис. 57, практически равен единице при условии, что число Рейнольдса, отнесенное к диаметру d трубки, Re_d 500.

При необходимости учета сжимаемости газа предыдущую формулу надо умножить на коэффициент k_сж

v = k_сж k_т.

Здесь

k_сж = (1+)^-1,

где χ –показатель адиабаты газа; М – число Маха, М = v/c = .

Поправка на сжимаемость становится заметной только при больших скоростях. Так, для воздуха при нормальном давлении и температуре при v = 70 м/с эта поправка составляет около 0,5 %.

Для определения расхода газа с помощью дифференциальной трубки Пито служит формула:

Q = k_vk_сж k_т.

Здесь k_v = - отношение средней скорости v_c к скорости v в месте установки трубки.

Напорные трубки плохо пригодны для измерения малых скоростей потому, что динамическое давление резко падает с уменьшением скорости. Так, для воздуха при нормальных давлении и температуре р_д = 17Па при v = 5 м/с и р_д = 0,7Па при v = 1 м/с.

Отчасти в связи с этим, а также из-за удобства ввода возникли напорные трубки, перепад которых в 1,5 – 2 раза больше чем р_д. Они состоят из двух трубок, отверстие одной направлено навстречу потоку, а другой – в противоположную сторону. Подобные трубки подлежат обязательной индивидуальной градуировке. Учитывая это, их часто для удобства монтажа изготовляют в виде прямых цилиндрических трубок (без загнутых концов) обычно в общем чехле с отверстиями, направленными в противоположные стороны. Иногда только трубку, воспринимающую полный напор, делают в виде цилиндрического зонда, вводимого в трубу в диаметральном направлении и имеющего отверстие, направленное навстречу потоку.

Перепад давления в напорных усредняющих устройствах или усреднителях образуется в зависимости не от местного , но от некоторого среднего динамического давления потока.

В большинстве случаев ограничиваются усреднением динамического давления по одному из диаметров или даже радиусов. Напорное устройство состоит из двух цилиндрических трубок, пересекающих трубопровод или же кончающихся в центре его. Предпочтительнее первые. В одной из трубок просверлен ряд отверстий так, чтобы они находились в центре равновеликих кольцевых площадок. Эти отверстия направлены навстречу потоку и воспринимают полное давление последнего. Во второй трубке имеется либо аналогичный ряд отверстий, либо только одно отверстие, но расположенное под углом 90 или 180 к первому ряду.

Иногда вместо второй трубки ограничиваются отбором статического давления у стенки трубопровода через соответствующее отверстие в последней. Рекомендуются следующие размеры отверстий: d/D = 0,020,035 при скоростях воды 1,0 – 3,0 м/с соответственно.

Встречаются усредняющие трубки, у которых вместо двух рядов отверстий имеются две щели для приема давлений. Это можно делать при не очень высоких скоростях газа, когда число Маха не превосходит 0,2.

Усредняющие трубки дают перепад давления, зависящий не от средней скорости по площади усреднения, а от среднего квадрата скорости по этой площади. Тем не менее, в осесимметричном и слабо деформированном потоке они дают достаточно удовлетворительные результаты. Погрешность измерения расхода обычно не превосходит 2-3%.

Весьма своеобразным напорным устройством является напорное крыло. Оно состоит из тела, обычно имеющего возможность поворачиваться на некоторый угол, имеющего форму обтекаемой лопасти или крыла, расположенного под некоторым углом к направлению потока и снабженного отверстиями, ориентированными различным образом по отношению к потоку. При повороте крыла изменяется ориентация отверстий по отношению к потоку и, следовательно, изменяется измеряемый перепад давлений. Это позволяет приспосабливать напорное устройство к измерению потоков с малыми или большими скоростями. Данное устройство применяется редко.