Измерение расхода с учетом перепада давления

1.3. Обзор способов измерения для определения расхода по перепаду давления.

1.3.1.Измерение расхода на основе метода переменного перепада давления

     Для измерения расхода жидкости, газа и пара, протекающих по трубопроводам, широкое применение получили расходомеры  с сужающим устройством. Принцип  действия их основан на изменении  потенциальной энергии измеряемого  вещества при протекании через искусственно суженное сечение трубопровода. Расходомер состоит из сужающего устройства, устанавливаемого в трубопроводе и  служащего для местного сжатия струи (первичный преобразователь), дифферинциального  манометра, предназначенного для измерения  разности статических давлений протекающей  среды до и после сужающего  устройства (вторичный прибор) и  соединительных линий (двух трубок) связывающих  между собой оба прибора. При  прохождении потока через сужающее устройство происходит изменение потенциальной  энергии вещества, часть которой  вследствие местного сжатия струи и  соответствующего увеличения скорости потока преобразуется в кинетическую энергию. Изменение потенциальной  энергии приводит к появлению  разности статических давлений (перепада давления), который определяется при  помощи дифманометра. Так как согласно закону сохранения энергии суммарная  энергия движущейся среды уменьшается  только на величину потерь, то попеременному  перепаду давлений может быть определена кинетическая энергия потока при  его сужении, а по ней – средняя  скорость и расход вещества. Для  измерения расхода среды получили распространение три вида нормализованных  сужающих устройств: расходомерная  диафрагма, расходомерное сопло  и сопло Винтури, имеющие посередине круглое отверстие.

     Недостаток  этого метода состоит в том, что  скорость потока оказывается пропорциональной квадратному корню из перепада давлений, т. е. эти приборы являются нелинейными. Эти преобразователи также не могут быть использованы для измерения расхода газа, поскольку их принцип действия основан на том факте, что вещество является несжимаемым при прохождения узких участков в трубопроводе. Газы, к сожалению, сжимаемые вещества, поэтому требуется вносить соответственные коррекции в показания приборов.

     Расходомеры переменного перепада давления, в  зависимости от вида преобразователя  расхода делятся на:

• Расходомеры с сужающими устройствами;
• Расходомеры с гидравлическим сопротивлением;
• Центробежные расходомеры;
• Расходомеры с напорными устройствами;
• Расходомеры напорными усилителями;
• Ударно-струйные расходомеры.

    Наибольшее  распространение получили расходомеры  с сужающими устройствами. Они  измеряют скорость потока вещества, которая  увеличивается при прохождении  через сужающее устройство, установленное  в трубопроводе. При этом происходит частичный переход потенциальной  энергии давления в кинетическую энергию скорости, из-за чего давление перед местом сужения будет больше, чем за суженным сечением. Обычно с  помощью таких расходомеров измеряется расход в трубопроводах с диаметром 50-1600 мм.

    При выборе сужающего устройства необходимо учитывать следующее. Потери давления в сужающих устройствах увеличивается  в следующей последовательности: труба Вентури, длинное сопло  Вентури, короткое сопло Вентури, сопло, диафрагма. Изменение или загрязнение  входного отверстия сужающего устройства в процессе эксплуатации влияет на коэффициент расхода диафрагмы  в большей степени, чем на коэффициент  расхода сопла.

    Диафрагма представляет собой тонкий диск 1 с круглым отверстием, ось которого располагается по оси трубы. Передняя (входная) часть отверстия имеет цилиндрическую форму, а затем переходит в коническое расширение. Передняя кромка должна быть прямоугольной (острой) без закруглений и заусениц.

Рис.1 - Расположение диафрагмы в трубе, вид в разрезе

1 - кольцевые  камеры, 2 - диафрагма, 3 - отдельные отверстия  для отбора давления, 4 - выводы импульсных трубок 

    При измерении расхода загрязнённых жидкостей и особенно газов у  стандартной диафрагмы, установленной  на горизонтальной трубе, могут образовываться отложения. Чтобы не допустить это  применяют сегментные и эксцентричные  диафрагмы. Сегментные диафрагмы представляют собой кольцо, в которое вварен диск с вырезанным в его нижней части сегментом или сектором. Кольцо зажимается между фланцами трубопровода. Кромка диафрагмы со стороны потока должна быть острой. Отверстия сегментной и эксцентричной диафрагм располагают  в нижней части сечения трубы, а выводы импульсных трубок - в верхней  части трубопровода вне пределов отверстия. Они могут применяться  для измерений расхода жидкостей, из которых выделяются газы; в этом случае отверстия истечения располагают  вверху. Сегментные диафрагмы могут  устанавливаться на трубопроводах  диаметром от 50 до 1000 мм.

    При измерении малых расходов, перепад  давления на диафрагме может быть не достаточен для организации измерения. В таких случаях возможен вариант с установкой двух диафрагм с разным диметром и отбором разницы давлений до первой и после второй.

    Диафрагмы занимают первое место среди сужающих устройств по стоимости, простоте изготовления и монтажа.

    Сопла. В случае измерения расхода газа, сопла могут устанавливаться  на трубопроводе диаметром не менее 50 мм, в случае измерения расхода  жидкости - не менее 30 мм. На рисунке  вверху показан отбор статических  давлений через кольцевые камеры, внизу - через отдельные отверстия.

Рис. 2 - Схематичное расположение сопло в трубе

1-кольцевые камеры,2- сопло, 3- отдельные отверстия для  отбора давления, 4- выводы импульсных трубок 

    Профиль входной части сопла образуется двумя дугами окружности, из которых  одна касается торцевой поверхности  сопла со стороны входа, а другая - цилиндрической поверхности отверстия. Сопряжение обеих дуг происходит почти без излома.

    Сопло Вентури устанавливают на трубопроводах  диаметром от 65 до 500 мм. Сопло Вентури  состоит из профильной входной части, цилиндрической средней части (горловины) и выходного конуса. Профильная часть  выполняется так же, как у нормального  сопла для соответствующих значений m. Цилиндрическое отверстие должно переходить в конус без радиусного сопряжения. Сопло Вентури может быть длинным или коротким. У первого наибольший диаметр выходного конуса равен диаметру трубопровода, у второго он меньше диаметра трубопровода. Перепад давления следует измерять через кольцевые камеры. Заднюю (минусовую) камеру соединяют с цилиндрической частью сопла Вентури с помощью радиальных отверстий.

    Труба Вентури устанавливается в трубопроводах диаметром от 50 до 1400 мм. Труба Вентури состоит из входного патрубка 1, входного конуса 4, горловины 5 и диффузора 6.Во входном конусе и горловине выполнены кольцевые усредняющие камеры 2. Они сообщаются с внутренними полостями входного конуса и горловины с помощью нескольких отверстий 3, которые при наличии в измеряемой жидкости взвешенных частиц прочищают с помощью специальных приспособлений. В нижней части кольцевых камер устанавливают пробковые краны для спуска жидкости. Труба Вентури называется длинной, если наибольший диаметр выходного конуса равен диаметру трубопровода, или короткой, если указанный диаметр меньше диаметра трубопровода.

Рис. 3 - Труба Вентури

    Иногда, если не требуется высокая точность измерения, применения промышленных расходомеров нецелесообразно. В этих случаях  может быть использован перепад давления, образующийся при протекании жидкости или газа через местное сопротивление.

Рис.4.

    Наиболее  изученными местными сопротивлениями  являются центробежные преобразователи  расхода . Другими словами это закругленные участки трубопровода, например колено, создающие перепад давления на внешнем и внутреннем радиусах закругления в результате действия центробежных сил в потоке. Центробежный преобразователь расхода вместе с дифференциальным манометром, измеряющим создаваемый перепад давления, образует центробежный расходомер. Преимущество такого расходомера состоит в том, что не требуется вводить в трубопровод какие-либо дополнительные устройства. В качестве местного сопротивления для измерения расхода может быть также использован конический переход который можно рассматривать как входную часть трубы Вентури.

    Расходомеры с гидравлическим сопротивлением основаны на измерении перепада давления, создаваемым  этим сопротивлением. Для того чтобы  перепад давления был пропорционален расходу, в расходомерах данного  типа стремятся создать ламинарный режим потока. Т. е. такой поток, при котором жидкость или газ будут перемещаться слоями без перемешивания и пульсаций. Преобразователями обычно является капиллярная трубка или пакет таких трубок, как показано на рисунке. Расходомеры с гидравлическим сопротивлением применяются редко, в основном для измерения малых расходов.  

Рис.5. Расходомеры с напорным устройством

    Напорное  устройство-преобразователь расхода  жидкости (газа), в котором создается  перепад давления, зависящий от динамического  давления в одной или нескольких точках поперечного сечения потока.

Рис.6.

    Расходомер  с напорным устройством – это  расходомер переменного перепада давления, принцип действия которого основан  на помещении в трубопровод Г-образной трубки (трубка Пито), направленной изгибом  на поток. Трубка воспринимает полное давление в трубопроводе равного сумме динамического (зависит от скорости потока) и статического давления трубопровода.

    Недостатком данного метода является то, что  он применим только в трубопроводах  большого диаметра.

    Расходомер  с напорным усилителем- расходомер переменного перепада давления, в  котором сочетаются напорное и сужающее устройства. Перепад давления создается  напорным усилителем как в результате перехода кинетической энергии струи  в потенциальную, так и в результате перехода потенциальной энергии  струи в кинетическую.

Рис.7

    Чаще  всего комбинируют: диафрагму с  трубкой Пито (рисунок), а так же трубку Пито с трубкой Вентури, Это  делается при небольших скоростях  газовых потоков, если перепад давления очень маленький (действия одной  трубки Пито не достаточно).

    Расходомеры ударно-струйные основаны на принципе измерения перепада давления, возникающего в процессе удара струи о твердое  тело непосредственно или через  слой измеряемого вещества. Они применяются  для измерения малых расходов жидкости и газа. 
 
 

1.3.2.Измерение расхода на основе метода постоянного перепада давления.

    Расходомеры постоянного перепада относятся  к средствам измерений, называемыми  расходомерами обтекания. Они основаны на измерении вертикального перемещения чувствительного элемента, зависящего от расхода среды и приводящего одновременно к изменению площади проходного отверстия расходомера таким образом, что разность давлений на чувствительный элемент (перепад давлений) остается практически постоянной. Противодействующей силой в расходомерах этого вида является сила тяжести чувствительного элемента, выполненного в виде поплавка или поршня.

    Преимущества  расходомеров обтекания:

1. Высокая надежность;
2. Большой диапазон измерений;
3. Относительно маленькая погрешность;
4. Простота конструкции;
5. Простота  в эксплуатации.

    Во  всех расходомерах  между подвижным телом и стенками трубы остается  проходное сечение.  Поэтому  нужно учитывать, что на тело будет действовать не только давление потока, но и сила вязкого трения, последняя зависит от вязкости вещества и формы тела.

     В расходомерах постоянного перепада давления обтекаемое тело перемещается вертикально, а сила сопротивления потоку  возникает за счет  веса подвижного тела. В качестве тела обтекания в таких расходомерах может применяться: поплавок, поршень. Приборы устанавливаются в вертикальных трубопроводах с восходящим потоком измеряемой среды.

     Виды  расходомеров постоянного перепада давления:

• поплавковые расходомеры;
• поршневые расходомеры (золотниковые расходомеры);
• ротаметры.