Измерение расхода жидкостей и газов

В технологических процессах водопроводно-канализационных сооружений наиболее ответственными являют­ся измерения количества и расхода жидкостей и газов.

Приборы, измеряющие количество и расход жид­костей и газов, называют расходомерами. Их можно разделить на два класса: 1) расходомеры, измеряющие количество жидкости, пара или газа косвенным путем посредством измерения величин, являющихся функцией количества среды, которая протекает через трубо­провод, например перепада давления, скорости, уровни и др.; 2) расходомеры, измеряющие количество жидкости, пара или газа, протекающих через трубопровод, путем непосредственного измерения их объема или массы.

Каждый из этих классов в свою очередь подразде­ляется на группы приборов, отличающиеся как по принци­пу действия, так и в конструктивном отношении. На­пример, расходомеры, измеряющие расход по методу перепада давления, подразделяются на расходомеры с переменным перепадом давления и с постоянным перепадом давления.

Расходомеры в зависимости от типа показывают: 1) величину мгновенного расхода в каждый данный мо­мент (м /с, м /ч и т. п.); 2) количество жидкости или газа как сумму мгновенных расходов за любой промежуток времени (м , л и т.п.). Имеются приборы, одновремен­но показывающие и записывающие обе указанные ве­личины.

Объем воздуха и газов можно измерять: 1) при фактических параметрах (температуре и давлении), которые измеряемая среда имеет во время измерений; 2) при параметрах, приведенных к нормальным ус­ловиям (температура 0° и давление 760 мм рт. ст.). При измерении объема в нормальных условиях пред­ставляется возможным сравнить результаты измере­ний, полученные на различных объектах.

При измерении количества влажного воздуха или газа необходимо учитывать влажность измеряемой среды. С этой целью вводится поправочный коэффициент, зависящий от величины относительной влажности.

Измерение расхода методом переменного перепада давления в сужающих устройствах (диафрагмах, соплах, расходомерных трубах) для многих случаев является единственно приемлемым. Ввиду высокой точности и удобства этот способ получил большое распространение.

Под сужающим первичным прибором, являющимся измерительным элементом, входящим в комплект расходо­мера, понимается приспособление, установленное в трубо­проводе и создающее в нем при протекании жидкости или газа искусственный перепад давления.

Измерение расхода методом сужения потока состоит в следующем. Если на пути движения потока жидкости или газа в трубопроводе поставить диафрагму, сопло или трубу Вентури, то в месте сужения потока часть потен-

циальной энергии переходит в кинетическую и статическое давление жидкости падает, а затем почти полностью восстанавливается в последующих сечениях при расшире­нии потока. Невосстанавливающаяся потеря давления возникает вследствие расходования части потенциальной энергии на преодоление сил трения и на вихреобразованиe в мертвых зонах перед проходом и после прохода потока через суженное сечение. Изменение давления среды при прохождении ею сужающего устройства, т. е. перепад давления, служит мерой скорости потока, а следовательно, его расхода.

Для вывода основного уравнения расхода жидкости, протекающей через сужающее устройство, рассмотрим два сечения потока: I — перед сужающим устройством и II — в месте наибольшего сужения струй (рис 63).

Рис. 63. Принцип действия расходомера с переменным перепадом давления

Предположим, что давление остается постоянным по своему сечению и трение в трубопроводе отсутствует. Тогда уравнение Бернулли будет иметь вид

(1)

где и — статическое давление соответственно в сечениях I и II; и — средняя скорость течения в сечениях I и II; — плотность измеряемой жидкости; g — ускорение силы тяжести.

Из условия неразрывности потока имеем

, (2)

где и – площади поперечных сечений трубопровода I и II.

Решая совместно уравнения (1) и (2), найдем скорость:

.

Тогда расход будет

.

Полученное уравнение расхода не учитывает, что скорости распределяются по сечению потока неравномер­но вследствие влияния вязкости жидкости и трения ее о трубопровод и сужающее устройство, что перепад давления измеряется непосредственно у торцов сужаю­щего устройства и что вместо площади сечения пото­ка обычно пользуются площадью отверстия сужаю­щего устройства . Если учесть перечисленные откло­нения введением одного обобщающего коэффициента, называемого коэффициентом расхода, получим основ­ное уравнение для определения расхода жидкости, протекающей через сужающее устройство:

где

.

Для сужающих устройств соотношения размеров, исходные коэффициенты расхода, поправочные множите­ли к ним и правила установки нормируются «Методи­ческими указаниями по измерению расхода стандартными сужающими устройствами РД-50г213-80».

Диафрагмы, сопла и трубы Вентури. Из дроссельных или сужающих устройств для измерения расхода наиболь­шее распространение получили диафрагмы.

Нормальная диафрагма (рис. 64,а) представляет собой плоский диск, имеющий круглое концентрическое отвер­стие истечения с острой прямоугольной кромкой со стороны входа и коническим расширением со стороны выхода потока.

Рис. 64. Сужающие устройства:

а – нормальная диафрагма; б – нормальное сопло

Применяют две разновидности нормальной диа­фрагмы. В одном случае для отбора давления устраивают кольцевую камеру, в другом для этой цели просверливают отверстия. Иногда для отбора давления просверливают три отверстия по окружности трубы, соединяют их снаружи трубы общей трубкой, из которой и производят отбор дав­ления.

Имеется ряд спе­циальных конструкций диафрагм, к числу кото­рых относятся конце­вые, устанавливаемые на конце трубопровода (при входе или выхо­де); сегментные, приме­няемые для измерения расхода загрязненных жидкостей и газа; пря­моугольные, использу­емые для измерения расхода в прямоугольных трубопроводах; сдвоенные, применяемые при малых расходах и числах Рейнольдса ниже предельных.

В тех случаях, когда необходимо уменьшить без­возвратную потерю давления, вместо диафрагмы приме­няют сопло. Конструкция нормального сопла изображена на рис. 64,6.

Трубы Вентури благодаря своему профилю, прибли­жающемуся к естественной форме струи, вызывают наи­меньшую безвозвратную потерю давления — в пределах 10...20% перепада вместо 40...80% при диафрагмах. Увеличивая за этот счет перепад давления, можно значи­тельно повысить точность измерений. Существенным недостатком труб Вентури является их громоздкость, усложняющая установку.

На точность измерений расхода большое влияние оказывает длина прямых участков трубопровода до и после сужающего устройства. При наличии местных сопротивлений, искажающих поток, необходимая мини­мальная длина прямых участков увеличивается. Между расширенным или суженным концом перехода и дрос­сельным прибором должен быть прямой участок трубо­провода с постоянным диаметром в среднем не менее 15d до прибора и 5d после него.

Создаваемый сужающим устройством перепад давле­ния воспринимается дифманометром, градуированным в единицах расхода.

Наиболее широкое применение при производственных измерениях расхода имеют поплавковые и мембранные дифманометры. Широкое применение имеют также колокольные, сильфонные, а также дифманометры типа кольцевых весов. При использовании для измерения расхода пневмометрических трубок в качестве дифманометров ввиду малой величины перепада обычно применяют микроманометры.

Дифманометры-расходомеры изготовляют на различ­ные предельные значения перепада давления.

Выбор того или другого типа дифманометра следует производить в строгом соответствии с местными ус­ловиями измерений, т. е. с учетом всех особенностей и требований, предъявляемых технологическим процессом к измерению расхода.

Выбор шкалы следует производить таким образом, чтобы основная часть измерений укладывалась в бли­жайшую к верхнему пределу треть шкалы. В этом случае будет достигнута наиболее высокая точность измерений. Начальные 30...35% шкалы прибора считают обычно нерабочей зоной из-за малой точности измерений.

Измерение расхода методом постоянного перепада давления основано на том, что в качестве переменной величины, пропорциональной измерению расхода, прини­мается не перепад давлений, а переменная площадь отверстия сужающего органа. Расходомеры с постоянным перепадом давления, основанные на этом принципе, дают прямолинейную зависимость между расходом и переменной величиной — площадью отверстия прибора.

В расходомерах этого типа имеется подвижный элемент, который перемещается потоком среды и открывает проходное сечение на большую или меньшую величину. Перепад давления до и после подвижного элемента остается при этом постоянным. Перемещение подвижного элемента, пропорциональное расходу, тем или иным способом передается на шкалу, градуированную в единицах расхода.

В качестве расходомеров постоянного перепада обычно используют ротаметры. Они широко используются для из­мерения расхода растворов хлора, аммиака и коагулянта.

Ротаметр представляет собой вертикальную конусную стеклянную или металлическую трубку, внутри которой находится ротор (поплавок), свободно перемещающийся по всей длине трубки. Поток измеряемого вещества поднимает ротор до тех пор, пока сила, возникающая вследствие перепада давления, который образуется в зазоре между ротором и внутренней поверхностью конусной трубки, не уравновесится весом ротора. После прекращения поступательного движения ротор благодаря наличию косых канальцев на верхней кольцевой части приходит во вращательное движение и центрируется в середине потока, не соприкасаясь со стенками трубки.

Промышленность выпускает стеклянные ротаметры типа PC с пределом измерения 0,25...3000 л/ч, а также ротаметры, имеющие устройства для передачи показаний нa расстояние. Эти устройства могут быть пневмати­ческие (ротаметр типа РПД) или электрические с дифференциально-трансформаторной системой передачи (ро­таметр типа РЭ).

Ротаметр РПД состоит из ротаметрической части и пневматического датчика, который соединяется со вторичным прибором. Укрепленные на сердечнике поплавка магниты образуют магнитную муфту, с помощью которой передвижение поплавка воздействует на узел «сопло-заслонка» датчика.

Ротаметр типа РЭ (старое обозначение РЭД) (рис. 65) представляет собой сталь­ной корпус 1, внутри которого имеются камера 2 и коническая труба 5, установлен­ная расширением вверх. В верхнюю часть корпуса впая­на направляющая трубка 5. Другой конец трубки имеет глухую пробку 7, предназна­ченную для ее очистки. На трубку 5 насажена индук­ционная катушка 8, которая закрыта кожухом 9. В верх­нюю часть кожуха ввернута регулировочная гайка 6, вра­щением которой производят перемещение индукционной катушки при тарировке рота­метра. Внутри конической трубки 3 расположен попла­вок 4 со стержнем 12. Стер­жень пропущен через упор­ную шайбу 11 и направляю­щую трубу. На верхнем конце стержня закреплен плунжер 10 индукционного дат­чика. Поток жидкости через штуцер поступает в каме­ру 2 и далее через упорную шайбу 11 в коническую трубу 3. Под действием напора жидкости дисковый по­плавок 4 перемещается вверх и увлекает за собой плун­жер индукционного датчика. Перемещение плунже­ра приводит к разбалансу дифференциально-трансфор­маторной схемы, и на вторичный прибор поступает сигнал, пропорциональный измеряемому расходу. Ве­личина хода поплавка ограничена упорной шайбой 11.

Ротаметр градуируется по воде. При измерении расхо­да другой жидкости необходимо произвести перерасчет шкалы вторичного прибора.

Рис. 65. Схема ротаметра типа РЭ

Измерение расхода жидкости по методу переменного уровня широко применяется для контроля расхода в открытых каналах. Для этой цели в каналах устраивают суженные лотки. Колебания уровня в лотке прямо пропорциональны расходу жидкости. Измерение произво­дится с помощью чувствительных уровнемеров, градуи­рованных в единицах расхода.

Международной организацией по стандартизации ре­комендуется применять для измерения расхода лотки Вентури (рис. 66).

Рис. 66. Измерительный лоток Вентури

Расчет лотков Вентури при известном максимальном расходе Q (м /ч) можно производить по формуле

,

где h — уровень жидкости в мерном створе, мм; b — ши­рина горловины лотка, м; С — коэффициент расхода; а — коэффициент, учитывающий влияние скорости в ка­нале перед лотком.

Более просто вместо расчета можно подобрать для конкретных условий нормализованный лоток Вентури, используя табл. 8 и 9. По заданному расчетному расходу Q подбирают ширину лотка из табл. 8, а затем по табл. 9 определяют все остальные размеры лотка, указанные на чертеже (рис. 66).

При использовании метода переменного уровня для измерения расхода следует руководствоваться «Правила­ми измерения расхода жидкости при помощи водо­сливов и лотков РДП-99-77».

В зависимости от расположения дифманометра ниже или выше лотка возможны две схемы подключения дифманометра (рис. 67).

Линеаризация показаний расходомера переменного уровня может осуществляться также путем соответствую­щего профилирования водосливного отверстия в открытом лотке.

Рис. 67. Схема измерения расхода в лотке Вентури:

а – с пневматическим контролем уровня; б – гидравлическим контролем уровня; 1 – лоток; 2 – измерительная камера; 3 – приборное помещение; 4 – дифманометр; 5 – пьезотрубка; 6 – отстойник; 7 – уравнительный сосуд

На рис. 68 показана схема пропорционального щелевого расходомера переменного уровня. В измерительной камере 2 пневматическим путем кон-

Рис. 68. Общая схема щелевого расходомера переменного уровня:

1 – подающий патрубок; 2 – измерительная камера; 3 – кожух; 4 – крышка; 5 – пьезотрубка; 6 – регулировочная гайка для установки пьезотрубки; 7 – фигурная щель; 8 – водосливная стенка; 9 – отводящий патрубок; 10 – контрольный стаканчик; 11 – манометр; 12 – редуктор давления воздуха; 13 – фильтр очистки воздуха ; 15 – дифманометр

тролируется уровень жидкости. Подпор жидкости создается пере­городкой 8 с профилированным отверстием в ней 7. Серийно такие расходомеры выпускаются на расходы от 10 до 250 м /ч. Они пригодны для измерения расхода агрессивных жидкостей и сточных вод. Методика расчета щелевых расходомеров разработана во ВНИИВОДГЕО JI. В. Лобачевым.

Электромагнитные (индукционные) расходомеры, вы­пускаемые серийно, начали получать широкое применение для измерения расхода загрязненных жидкостей и осадка сточных вод. Они не создают в трубопроводе дополнитель­ной потери напора и не требуют длинных прямых участков трубопровода.

Действие этих расходомеров основано на изменении пропорционально расходу электродвижущей силы, инду­ктированной в потоке электропроводной жидкости под действием магнитного поля.

На рис. 69 показана принципиальная схема электромагнитного расходомера.

Рис. 69. Принципиальная схема индукционного расходомера:

1 – трубопровод; 2 – электромагнит; 3 – источник питания; 4 – электроды: 5 – усилитель; 6 – вторичный прибор; 7 – линия связи

Трубопровод 1, по которому протекает проводящая жидкость, расположен между по­люсами магнита 2 перпендикулярно направлению силовых линий магнитного поля. Под действием магнитного поля ионы, находящиеся в жидкости, определенным образом перемещаются и отдают свои заряды измерительным электродам 4, создавая на них ЭДС, пропорциональную скорости течения жидкости. ЭДС, усиленная усилите­лем 5, воздействует на измерительный прибор 6.

Датчики расходомеров выпускают на условные про­ходы от 80 до 1000 мм.

Проведенными во ВНИИВОДГЕО исследованиями выявлена возможность применения для измерения расхо­да в трубах большого диаметра (до 1500 мм) систем водоснабжения ультразвуковых расходомеров. Принцип работы такого расходомера основан на изменении скорости распространения ультразвука по направлению потока жидкости в трубе и против него.

Основными преимуществами ультразвуковых расходомеров являются простота конструкции и возможность монтажа их на действующих трубопроводах.

Ведутся исследования по применению шариковых расходомеров в трубах небольшого (до 300 мм) диаметра. Принцип работы такого расходомера основан на увле­чении закрученным потоком жидкости свободно плаваю­щего шара. Частота вращения шара, пропорциональная расходу жидкости, фиксируется бесконтактным узлом съема сигнала.

Приборы могут применяться без дополнительной та­рировки для измерения расхода загрязненной среды.

Парциальные расходомеры позволяют измерять боль­шие расходы жидкости с помощью сравнительно простых приборов.

Действие парциальных расходомеров в отличие от рассмотренных ранее основано на измерении не всего расхода, а лишь части его. На рис. 70 представлена схема парциального водомера, являющегося комбинацией скоростного крыльчатого водомера и колена, выполняю­щего функцию сужающего органа. Расход воды q через ответвление трубопровода пропорционален величине основного потока Q. Поэтому количество воды, проте­кающей по трубопроводу, можно определить путем умножения показаний скоростного водомера на постоян­ный коэффициент. Колено создает перепад давления, необходимый для преодоления сопротивления ответвления. Диаметр обводной трубки и перепад на колене подбирают так, чтобы через обводную трубку протекало около 1% всей массы воды.

На обводной трубке устанавливают пробковые краны для возможности отключения водо­мера. Парциальные расходомеры тарируют после уста­новки на месте измерений при пяти — восьми различных расходах.

Для контроля расхода воды в системах водоснабже­ния широко применяют скоростные расходомеры (крыльчатые и спиральные).