§ 2. Объемные расходомеры

Принцип действия объемных расходомеров основан на периодиче­ском или непрерывном отсчете порций измеряемого вещества прибо­ром, имеющим измерительную камеру определенного объема.

Расход за любой промежуток времени при объемном методе из­мерения является суммой измеренных объемов, отнесенной к опреде­ленному периоду времени:

где q—объем измерительной камеры прибора; n — число измерен­ных объемов; t₂—t₁ — промежуток времени, в течение которого про­изводились измерения.

Простейшим прибором для измерения объема является мерный бак или мерник. Мерник представляет собой сосуд любого попереч­ного сечения, имеющий устройство для измерения уровня вещества (мерная линейка, водомерная трубка со шкалой, поплавковое устройство и т. п.). Точность измерения объема жидкости мерником при прочих равных условиях зависит от цены деления шкалы, что определяется отношением высоты мерника к его диаметру. Чем это отношение больше, тем выше прочность измерения, так как с уве­личением отношения H/D уменьшается цена деления шкалы, а сле­довательно, погрешность в отсчете будет иметь меньшее абсолютное значение.

На рис. 7.1 показана схема работы шестеренчатого объемного счетчика типа СВШ с шестернями, размещенными внутри пустоте­лого закрытого корпуса на двух параллельных осях. Ось одной из шестерен вращает счетный механизм, расположенный снаружи крыш­ки. Поверхности шестерен должны возможно ближе прилегать к по­верхности корпуса, так как от этого зависит точность измерения. При протекании жидкости через измерительную камеру под дейст­вием разности давлений на входе и выходе возникает вращающий момент, обусловленный овальной формой шестерен. При каждом обороте шестерни подают определенный объем жидкости из входной полости 1 камеры в выходную 2. Следовательно, объем жидкости, протекающей через счетчик, равен произведению измерительного объема камеры на частоту вращения шестерен. Таким образом, из­мерение объема жидкости сводится к измерению частоты вращения.

За один оборот колес из измерительной камеры вытесняются четыре порции жидкости (на рисунке имеют серпообразную форму), которые и составляют измерительный объем камеры.

Т

акие счетчики предназначены для измерения воды, легких нефтепродуктов и масел. Калибр их составляет от 12 до 250 мм, предел измерения—от 0,01 до 250 м³/ч, погрешность—от ±0,5 до ±1,0% от измеряемого значения.

На таком же принципе, как и счетчики типа СВШ, работают ротационные газовые счетчики (рис. 7.2), в которых вместо шестерен на двух горизонтальных параллельных осях расположены два оваль­ных гладких ротора 2, соприкасающихся друг с другом и внутрен­ней поверхностью корпуса. Вал одного из роторов, выведенный на­ружу, приводит в движение счетный механизм 1.

Верхний предел измерения выпускаемых ротационных газовых счетчиков—до 600 м³/ч, погрешность ±2% от измеряемой величины.

§ 3. Расходомеры переменного перепада давления

Метод измерения расхода по переменному перепаду давления наиболее универсальный, так как позволяет измерять расход жид­костей газов и пара, протекающих в трубопроводах, практически при любых давлениях и температурах.

Измерение расхода связано с движением измеряемого вещества. Вследствие этого неизбежна взаимосвязь между массой вещества и ее энергетическим состоянием, характеризуемым переходом энер­гии покоя (запаса энергии), т. е. статического давления, в энергию движения — кинетическую энергию. Эта связь выражается в измене­нии статического давления, необходимого для придания потоку до­полнительной скорости при преодолении сопротивления на пути по­тока.

Для измерения расхода в трубопроводе на пути потока устанав­ливают сужающее устройство (дроссельный орган). Разность дав­лений до и после сужающего устройства служит мерой скорости по­тока в сужающем устройстве. Зная скорость потока и площадь по­перечного сечения потока, можно определить расход

где w — скорость потока в сужающем устройстве; Fo — площадь по­перечного сечения сужающего устройства.

Формула, определяющая зависимость между скоростью потока и разностью давлений, выводится с использованием уравнения энер­гии потока несжимаемой жидкости и условия неразрывности струи и имеет вид

где ξ — коэффициент, учитывающий место подключения импульсных трубок; μ—коэффициент сужения струи; m=d²/D²—отношение квадратов диаметров дроссельного органа и трубопровода; ρ — плот­ность жидкости; p₁ и p₂—давление до и после дроссельного органа. Подставив в формулу (7.2) значение w из (7.3), получим

Величину называют коэффициентом расхода, который учитывает неравномерное распределение скоростей по сечению по­тока, обусловленное вязкостью жидкости и трением ее о стенки тру­бопровода, форму сужающего устройства, а также тот факт, что дав­ление измеряют не в центре потока, а у стенок трубопровода. Этот коэффициент для различных типов сужающих устройств определяют опытным путем.

Уравнения расхода для несжимаемой жидкости в объемных Qv и массовых Qm единицах будут иметь вид

При измерении расхода сжимаемых сред (газов и паров) необ­ходимо в формулы (7.5) и (7.6) ввести коэффициент е, учитываю­щий расширение измеряемой среды:

Так как с понижением давления при прохождении сжимаемого вещества через сужающее устройство плотность вещества уменьша­ется, в формулах (7.7) и (7.8) принимается плотность вещества перед сужающим устройством.

Коэффициент расхода, определяемый опытным путем, зависит от числа подобия Re—величины, связывающей геометрические данные потока, силы инерции (кинетической) и силы вязкости (работы сил внутреннего трения жидкости):

где w — средняя скорость среды в трубопроводе, D — внутренний диаметр трубопровода; μ—коэффициент динамической вязкости; γ—коэффициент кинематической вязкости.

Параметр подобия Re — величина безразмерная.

При больших числах подобия коэффициенты равных органов становятся постоянными, т. е. не завис вязкости и плотности протекающего вещества.

Число подобия, при котором прекращается эта зависимость называется предельным числом подобия Rе_пред. Оно зависит от формы сужающего устройства и значения m. Геометрически подобные сужающие устройства имеют одно и то же значение Rе_пред.

Коэффициент расхода для данного сужающего устройства является постоянной величиной только при условии

Поэтому для определения исходного коэффициента расхода необхо­димо знать величину Re.

Вычислив постоянные величины и приведя к единице измерения расхода, получаем

где коэффициент С включает все величины, постоянные для данной установки и не изменяющиеся в процессе измерения.

В комплект установки для измерения расхода по переменному перепаду давления входят сужающее устройство, соединительные линии (импульсные трубки), дополнительные устройства (раздели­тельные сосуды, отстойники, конденсационные сосуды) и измеритель­ный прибор — дифференциальный манометр.

Существуют три типа нормализованных сужающих устройств:

диафрагмы, сопла и трубки Вентури. Основные геометрические раз­меры сужающих устройств и правила их установки регламентиро­ваны.

Вследствие простоты устройства и монтажа наиболее распро­странены сужающие устройства типа нормальной диафрагмы.

Рис. 7.3. Нормальная диафрагма (а) и схема (б)

Нормальная диафрагма (рис. 7.3,а) представляет собой тонкий металлический диск, имеющий концентрическое отверстие с острой кромкой и цилиндрической частью со стороны входа. Образующая цилиндрической части отверстия перпендикулярна к плоскости дис­ка, образующая конической части имеет угол наклона к плоскости диска 30—45°.

Для диафрагм диаметром d<150 мм кромка со стороны входа должна быть острой, без завалов и заусенцев. Для диафрагм диа­метром d>150 мм допускается легкая шлифовка входной кромки наждачной бумагой. Толщина нормальной диафрагмы должна быть 0,1D, длина цилиндрической части отверстия—0,02D. Диаметр от­верстия цилиндрической части диафрагмы изготавляется с до­пуском ±0,001d.

Нормальные диафрагмы могут быть камерные (см. рис. 7,3а, вы­ше оси) и с отдельными сверлениями (ниже оси). Изготовляют их из нержавеющей стали марки Х17 (для среды с температурой +400 °С) и из стали марки Х18Н9Т (для среды с температурой свы­ше +400°С).

Диафрагма 1, установленная между фланцами трубопровода (рис. 7.3,6), крепится двумя кольцевыми камерами 2 и 3. Камеры снабжены кольцевыми выточками, сообщающимися с сечением тру­бопровода до и после диафрагмы за счет зазоров. Кольцевые выточ­ки специальными сверлениями соединены с трубками 4. Правила монтажа комплекта устройств для измерения расхода по перемен­ному перепаду давления регламентированы РД 50-213—80.