Расходомеры с сужающими устройствами

Измерение расхода по переменному перепаду давления

Измерение расхода

Расход – количество вещества, проходящее через сечение трубопровода в единицу времени.

Количество вещества можно измерять либо в единицах массы [килограмм (кг), тонна (т)], либо в единицах объема [кубический метр (м³), литр (л)].

Производится измерение либо массового расхода Q _м (единицы кг/с, кг/ч, т/ч и т.д.), либо объемного расхода Q о (единицы м³/с, л/с, м³/ч и т.д.).

Переход от объемных единиц к массовым и обратно производят по формуле

Q _м = Q _оr,

где r – плотность вещества, кг/м³.

Единицы массы дают более полные сведения о количестве или расходе вещества, чем единицы объема, так как объем вещества, особенно газов, зависит от давления и температуры. При измерении объемных расходов газов для получения сопоставимых значений результаты измерения приводят к определенным, так называемым нормальным, условиям. Такими нормальными условиями принято считать температуру t _н = 20 °C, давление p _н = 101325 Па (760 мм рт. ст.) и относительную влажность y = 0. В этом случае объемный расход обозначается Q _н и выражается в объемных единицах (например, м³/ч, но не нм³/ч).

В соответствии с ГОСТ-15528 измерительный прибор, служащий для измерения расхода вещества, называется расходомером, а прибор для измерения количества вещества – счетчиком количества или счетчиком. В каждом конкретном случае к этим терминам следует добавлять наименование контролируемой среды.

Существует большое разнообразие методов измерения расхода и конструктивных разновидностей расходомеров и счетчиков.

Наибольше распространение получили следующие разновидности расходомеров:

- переменного перепада давления;

- постоянного перепада давления;

- тахометрические;

- электромагнитные;

- ультразвуковые

- вихревые;

- вихреакустические;

- резонансные или кориолисовы.

Метод измерения расхода по переменному перепаду давления в сужающем устройстве основан на зависимости перепада давления в неподвижном сужающем устройстве, устанавливаемом в трубопроводе, от расхода измеряемой среды. Это устройство является первичным преобразователем расхода. Создаваемый в сужающем устройстве перепад давления измеряется дифманометром, шкала которого градуируется в единицах расхода. При необходимости дистанционной передачи показаний дифманометр должен быть снабжен преобразователем, который линией связи соединяется с вторичным прибором, градуированным в единицах расхода.

Рассматриваемый принцип измерения заключается в том, что при протекании потока через отверстие сужающего устройства повышается скорость потока по сравнению со скоростью до сужения. Увеличение скорости, а следовательно, и кинетической энергии вызывает уменьшение потенциальной энергии и соответственно статического давления. Расход может быть определен по перепаду давления D p, измеренному дифманометром в соответствии с градуировочной характеристикой D p = f (Q).

Использование рассматриваемого метода измерения требует выполнения определенных условий:

- характер движения потока до и после сужающего устройства должен быть стационарным, должны быть предусмотрены прямые участки до и после сужающего устройства;

- поток должен полностью заполнять все сечение трубопровода;

- фазовое состояние потока не должно изменяться при его течении через сужающее устройство; пар должен быть перегретым, при этом для него справедливы все положения, касающиеся измерения расхода газа;

- во внутренней полости трубопровода до и после сужающего устройства не образуются осадки и другие виды загрязнения;

- на поверхностях сужающего устройства не образуются отложения, изменяющие его геометрию.

Сужающие устройства условно подразделяются на стандартные и нестандартные. Стандартными называются сужающие устройства, которые изготовлены и установлены в соответствии с руководящим нормативным документом РД-50-213-80. Градуировочная характеристика стандартных сужающих устройств D p = f (Q) может быть определена расчетным путем без индивидуальной градуировки.

Градуировочные характеристики нестандартных сужающих устройств определяются в результате индивидуальной градуировки.

В качестве сужающих устройств используются диафрагмы, сопла и, значительно реже, сопла Вентури. Диафрагма (рис. 9.1, а) представляет собой тонкий диск (толщина 2,5¸15 мм) с отверстием круглой формы, ось которого располагается по оси трубы. Передняя (входная) часть отверстия имеет цилиндрическую форму, а затем переходит в коническое расширение. Передняя кромка отверстия должна быть прямоугольной без закруглений и заусениц. Стандартные диафрагмы устанавливаются на трубопроводах диаметром не менее 50 мм.

Рис. 9.1. Стандартные сужающие устройства:

а – диафрагма; б – сопло; в – сопло Вентури

Сопло (рис. 9.1, б) имеет спрофилированную входную часть, которая затем переходит в цилиндрический участок диаметром d. Торцевая часть сопла имеет цилиндрическую выточку диаметром, большим d, для предохранения выходной кромки цилиндрической части сопла от повреждения.

При измерении расхода газа стандартные сопла устанавливаются на трубопроводах диаметром не менее 50 мм и при измерении расхода жидкостей на трубопроводах диаметром не менее 30 мм.

Сопло Вентури (контур показан на рис. 9.1, в) имеет входную часть с профилем сопла, переходящую в цилиндрическую часть, и выходной конус (может быть длинным или укороченным). Минимальный диаметр трубопровода для стандартных сопл Вентури составляет 65 мм. На рис. 9.1 символами p ₁ и p ₂ отмечены точки отбора давлений на дифманометр.

На рис. 9.2 показаны профиль потока, проходящего через диафрагму, а также распределение давления вдоль стенки трубы (сплошная линия) и по оси трубы (штрихпунктирная линия).

После сечения A струя сужается и, следовательно, средняя скорость потока возрастает. Вследствие инерции струя продолжает сужаться и на некотором расстоянии после диафрагмы, место наибольшего сужения находится в сечении B. Увеличение скорости на участке АВ сопровождается уменьшением статического давления от первоначального значения p_a до минимального значения p_b.

Рис. 9.2. Характер потока и распределение статического

давления при установке в трубопроводе диафрагмы

После сечения B начинается расширение струи, которое заканчивается в сечении C. Этот процесс сопровождается уменьшением скорости и увеличением статического давления. В сечении C скорость примет первоначальное значение (как в сечении A), но давление p_c будет меньше первоначального на p_n, называемое потерей давления в сужающем устройстве. Наличие потери давления вызвано потерей энергии потока в мертвых зонах, находящихся за диафрагмой, из-за сильного вихреобразования в них.

Выражение для массового расхода имеет вид

, (9.1)

где S 0 – площадь отверстия сужающего устройства,  a – коэффициент расхода, r – плотность.

Для объемного расхода выражение имеет вид

. (9.2)

Формулы (9.1) и (9.2) справедливы для несжимаемых жидкостей. При измерении расхода газа или пара плотность r среды изменяется при прохождении через сужающее устройство вследствие изменения давления. Это учитывается введением в уравнения расхода поправочного множителя на расширение измеряемой среды e. Тогда уравнения для массового Q _м и объемного Q _о расхода принимают вид:

, (9.3)

. (9.4)

Выражения (9.3) и (9.4) являются основными уравнениями расхода для расходомеров с сужающими устройствами. Они пригодны для сжимаемых и несжимаемых сред, причем для последних e = 1. Использование этих формул предполагает, что значения r, S ₀, p ₁ и p ₂ не должны зависеть от расхода. Тогда они могут быть записаны в виде:

, (9.5)

где k _м и k _о – постоянные коэффициенты.

Между расходом и перепадом давления в сужающем устройстве существует определенная квадратичная зависимость, что позволяет дифманометры, измеряющие перепад давления Δ p = p ₁ – p ₂, градуировать в единицах расхода. Такие дифманометры называются дифманометрами-расходомерами. Для получения равномерной шкалы расходомера в кинематическую или электронную схему дифманометров или вторичных приборов включаются различные типы устройств, извлекающих квадратный корень.

Ограничением применения метода является суженный диапазон измерения каждого конкретного расходомера, охватывающий обычно интервал 30¸100 % максимального измеряемого расхода Q _в.п (в.п – верхний предел измерения). Это означает, что использовать конкретный расходомер для измерения расходов в интервале 0¸30 % его шкалы не рекомендуется, так как здесь не гарантируется достаточная точность измерения. Это вызвано тем, что в начале шкалы резко увеличивается относительная погрешность измерения перепада давления Δ p. Действительно, при уменьшении расхода от Q _в.п, например до 0,25 Q _в.п, в соответствии с (9.5) перепад давления в сужающем устройстве уменьшится в 16 раз, а при расходе 0,1 Q _в.п – в 100 раз, при этом относительная погрешность измерения перепада также увеличивается соответственно в 16 и 100 раз. Точность расходомера обычно гарантируется только в пределах шкалы 30¸100 %.

Диапазон измерения расхода – 4¸25000 м³/ч. Погрешность метода составляет 1,5¸2,0 %.

Достоинства расходомеров с сужающими устройствами:

1) сужающие устройства простые, дешевые и надежные средства измерения расхода;

2) сужающие устройства универсальны, т.е. могут применяться для измерения расхода практически любых однофазных (иногда и двухфазных) сред в широком диапазоне давлений, температур, расходов и диаметров трубопровода;

3) градуировочная характеристика стандартных сужающих устройств может быть определена расчетным путем, поэтому отпадает необходимость в образцовых расходомерных установках;

4) возможность использования для различных условий измерения однотипных по устройству дифманометров и вторичных приборов; индивидуальным для каждого расходомера является только сужающее устройство.

Недостатки расходомеров с сужающими устройствами:

1) нелинейная зависимость между расходом и перепадом, что не позволяет измерять расходы менее 0,3 Q _в.п из-за возрастания погрешности измерения;

2) необходимость индивидуальной градуировки сужающих устройств при измерении расходов в трубах малого диаметра;

3) ограниченная точность, причем погрешность измерения колеблется в широких пределах (1,5¸3 %) в зависимости от состояния сужающего устройства, диаметра трубопровода, постоянства давления и температуры измеряемой среды;

4) ограниченное быстродействие (инерционность) из-за наличия длинных импульсных трубок и в связи с этим трудности при измерении быстроменяющихся расходов.

5) потери давления на сужении.

Дата добавления: 2014-01-04