1.1.4 Практическое использование сужающих устройств при измерении расхода веществ

Сужающие устройства (диафрагмы, сопла, сопла Вентури) наиболее часто применяются в комплекте с дифманометрами типа "Сапфир" или "Метран" для из­мерения расхода и количества жидкостей, газов и пара в круглых трубопроводах (при любой их ориентации в пространстве), диаметр которых, как указывалось выше, не меньше 50 мм для диафрагм и сопел и не мень­ше 65 мм для сопел Вентури, если их расчет, изготовление и установка выполнены в соответствии с нормативными требованиями.

В случае необходимости использования сужающего устройства на трубопроводах меньшего диаметра необходимо проводить индивидуаль­ную тарировку, т.е. зависимость G = f(∆P) определяется экспериментально. Стандартные диафрагмы применяются при соблюдении условия 0.05 ≤m≤0.64, а сопла Вентури — при условии 0.05 ≤m≤0.60. Тип сужаю­щего устройства выбирается в зависимости от условий применения, тре­буемой точности и возможной потери давления. Но во всех случаях точ­ность измерения расхода газов и пара при использовании сопел выше, чем при использовании диафрагм. Помимо этого, незначительное измене­ние или загрязнение входного профиля сопла в процессе эксплуатации мало изменяет его коэффициент расхода, α значительно большей сте­пени изменяет коэффициент расхода диафрагмы.

При использовании сужающих устройств необходимо соблюдать ряд условий, влияющих на погрешность измерений:

• сужающее устройство в трубопроводе должно устанавливаться стро­го соосно, неперпендикулярность не должна превышать 1°;

• смещение оси отверстия сужающего устройства относительно оси тру­бопровода на измерительном участке не должна превышать 0.005D₂₀/ (0.1+2.3m²);

• участок трубопровода длиной 2D₂₀ до и после сужающего устрой­ства должен быть строго цилиндрическим и с минимальной шерохо­ватостью. С этой целью эти участки обрабатываются на токарном станке вместе с установленным сужающим устройством;

• необходимо обеспечить установившееся турбулентное течение пото­ка перед и после сужающего устройства. Следует иметь в виду, что более существенное влияние имеет возмущение потока перед сужа­ющим устройством, чем за ним, поэтому регулирующие задвижки и вентили необходимо устанавливать после измерительного участка;

длина L, прямоугольного участка перед сужающим устройством за­висит от модуля сужающего устройства т, диаметра трубопровода при нормальных условиях D₂₀, в котором установлено сужающее ус­тройство, и типа местного сопротивления, расположенного перед измерительным участком. В табл. 1.1 приведены:

• относительные длины L₁/D₂₀ в зависимости от модуля m для некоторых типов мест­ных сопротивлений;

• длина прямолинейного участка после сужающего устройства зави­сит только от модуля m, при m = 0,05 L₂ = 4D₂₀, а при m = 0,64 L₂ = 8D,₀.

Отбор давлений P₁ и Р₂ осуществляется преимущественно через от­дельные цилиндрические отверстия (рис. 1.4, а) либо через две кольцеоб­разные камеры, каждая из которых соединяется с внутренней полостью трубопровода до и после сужающего устройства диаметральной щелью или рядом равномерно расположенных по окружности отверстий задан­ного диаметра (рис. 1.4, б). Конструкция отборных устройств для диаф­рагм и сопл одинакова.

Таблица 1.1

Местное сопротивление	m
	0,05	0,3	0,5	0,64
Колено или тройник	10	16	28	46
Группа колен в одной плоскости	14	22	36	50
Группа колен в различных плоскостях	34	44	62	80
Полностью закрытые задвижки	12	14	20	30
Гильза термометра диаметром d<0.03 D20	5	5	5	5

Сужающие устройства, снабженные кольцевыми камерами отбора давления, более надежны и удобны в эксплуатации, особенно при нали­чии местных пред включенных возмущений потока, так как камеры вы­равнивают давление по периметру трубы, что обеспечивает более точное и достоверное измерение перепада давления при сокращенных длинах измерительных участков трубопроводов.

Представленные на рис. 14, а, б схемы отбора давления (отбор дав­ления непосредственно от передней и задней плоскостей сужающего уст­ройства в нормативном документе (ГОСТ 8.563.1-97)) называются угло­вым способом отбора давления.

Дифманометры подключаются к точкам отбора давления до и после сужающего устройства импульсными трубками с внутренним диаметром не менее 8 мм. Допускаемая длина импульсных линий 50 м, но вследствие возникновения большой динамической погрешности не рекоменду­ется относить дифманометр на расстояние более 15 м.

Для точного измерения расхода необходимо, чтобы перепад давления на сужающем устройстве передавался и воспринимался дифманометром без искажений и с максимальной достоверностью и точностью. Для этого необходимо, чтобы, во-первых, давление, создава­емое столбами жидкости в обеих импульсных трубках, было одинаковым. Для этого при измерении расхода жидкостей необходимо исключить возможность накопления пузырьков газа в соединительных трубках, а при измерении расхода газа и пара — неравномерное накопление конденсата.

Рис. 1.4. Наиболее распространенные способы отбора давления при измерении расхода с помощью сужающих устройств: а) через отдельные отверстия; б) камеральный отбор

Для этого импульсные трубки должны быть либо строго вертикальными, либо с постоянным наклоном не менее 1:10, а на концах необходимо уста­навливать газо- или конденсатосборники. Во-вторых, импульсные трубки должны располагаться вплотную друг к другу, чтобы избежать неравно­мерности их нагрева или охлаждения, что может привести к неравенству плотности вещества, заполняющего их и, следовательно, к дополнитель­ной погрешности.

При измерении расхода пара требуется обеспечение равенства и по­стоянства уровней в импульсных трубках, что достигается установкой урав­нительных бачков.

При измерении расхода жидкости дифманометр рекомендуется ус­танавливать ниже сужающего устройства, а при измерении расхода газа — выше.

На рис. 1.5, а, б представлены наиболее предпочтительные схемы подключения дифманометров к сужающим устройствам при измерении расхода жидкости.

Рис. 1.5. Схемы подключения дифманометров при измерении

расхода жидкостей:

а) дифманометр ниже сужающего устройства;

б) дифманометр (ДМ) выше сужающего устройства;

1 — сужающее устройство, 2 — запорная (отсечная) арматура,

3 — сдувочная или продувочная арматура, 4 — газосборники,

5 —уравнивающий вентиль

При измерении расхода жидкости дифманометр устанавливается ниже сужающего устройства 1, чтобы избежать попадания в импульсные линии и камеры дифманометра газов, растворенных в жидкости. Дифманометры подключаются через группы запорных (отсечных) вентилей 2, но не к са­мой нижней точке трубопровода, а немного (5-7°) выше во избежание попадания и засорения импульсных линий осадками из протекающей жид­кости (рис. 1.5, а). В данном случае вентиль 3 предназначается для про­дувки импульсных линий, а уравнивающий вентиль 5 — для установки «пуля» дифманометра. Необходимо отметить, что как плюсовая, так и ми­нусовая камеры непосредственных дифманометров имеют специальные заглушки для их продувок, т.е. удаления газовых пробок, вносящих очень существенную погрешность в точность измерения расхода.

Если дифманометр все же приходится устанавливать выше сужаю­щего устройства (рис. 1.5, б), то в наивысших точках импульсных линий устанавливают газосборники 4 с продувочной арматурой 3. При установ­ке дифманометра выше сужающего устройства импульсные трубки под последним располагаются с U-образным уклоном, опускающимся ниже точек подключения не менее чем на 0,5-0,7 м для снижения возможности попадания газа из протекающей жидкости в импульсные линии.

Рис. 1.6. Схемы подключения дифманометров при измерении

расхода газа:

а) с установкой дифманометра выше сужающего устройства;

б) с установкой дифманометра ниже сужающего устройства; 1 — сужающее устройство, 2 — запорная (отсечная) арматура,

3 — сдувочная или продувочная арматура, 4 — конденсатосборники, 5 —уравнивающий вентиль

При измерении расхода газа (рис. 1.6) дифманометр преимущественно рекомендуется устанавливать (рис. 1.6, а) выше сужающего устройства 1, чтобы конденсат, образующийся в импульсных линиях, мог стекать в трубо­провод и, главное, не перекрывать их сечение, внося при этом существенную погрешность в точность измерения.

Соединительные (импульсные) линии нужно подключать через за­порные (отсечные) вентили 2 к верхней части сужающего устройства 1, их прокладку необходимо проводить, избегая горизонтальных или с от­рицательным уклоном участков, если невозможна строго вертикальная прокладка. Аналогичные требования должны выполняться и при установ­ке дифманометра ниже сужающего устройства.

Вся остальная арматура (вентили) выполняют функции, аналогич­ные измерению расхода жидкости.

При измерении расхода перегретого водяного пара соединительные (импульсные) линии, будучи неизолированными, оказываются заполнен­ными конденсатом. Очевидно, что во избежание накопления дополнитель­ной погрешности уровень конденсата и его температура должны быть оди­наковыми в обеих линиях независимо от расхода. Для стабилизации уров­ней конденсата в импульсных линиях около сужающего устройства уста­навливаются так называемые уравнительные конденсационные сосуды — горизонтально расположенные. Они изготавливаются двух разновиднос­тей: сосуд уравнительный конденсационный большой (для поплавковых дифманометров) и малый (для сильфонных и мембранных дифманомет­ров). Так как сечения этих сосудов велики, по сравнению с сечением импульсных линий, то незначительное вытекание конденсата из них незначи­тельно изменяет его уровень, так что перепад, измеряемый дифманометром ΔРд, практически равен перепаду ∆Рс в сужающем устройстве.

При измерении расхода пара дифманометр преимущественно рас­полагают ниже сужающего устройства 1 и уравнительных сосудов 2 (рис. 1.7) для облегчения удаления воздуха из импульсных линий.

Возможно расположение дифманометра выше сужающего ус­тройства, но в таком случае необходимо устанавливать газосборники рис. 1.7, б). Неупомянутая арматура выполняет те же функции, что и при измерении расхода жидкости или газа.

Рис. 1.7. Схема подключения дифманометра к сужающим

устройствам при измерении расхода пара и установке дифманометра

ниже (а) и выше (б) сужающего устройства

Подводя итог всему сказанному, приведем обобщающую характе­ристику расходомеров с сужающими устройствами, получившими широкое распространение благодаря следующим основным досто­инствам:

• сужающие устройства — достаточно дешевые и надежные средства измерения;

• сужающие устройства универсальны, так как могут применяться при измерении расхода фактически любых однофазных (в некоторых слу­чаях и двухфазных) сред в широком диапазоне давлений, темпера­тур, расходов и диаметров трубопровода;

• градуировочные характеристики могут быть определены расчетным путем;

• возможно использование однотипных дифманометров и вторичных приборов, индивидуальным для каждого расходомера является толь­ко сужающее устройство.

Наиболее существенными недостатками расходомеров на основе су­жающих устройств являются следующие:

• нелинейная зависимость между расходом и перепадом давления на сужающем устройстве, что не позволяет измерять расходы менее 30% от максимального из-за высокой погрешности измерений;

• необходимость индивидуальной градуировки (тарировки) при изме­рении расходов в трубах малого диаметра (D₂₀<50 мм) и при низких числах Рейнольдса (Re<2300);

ограниченное быстродействие расходомеров (инерционность) из-за наличия определенной длины импульсных трубок.