Расходомеры переменного перепада давления.

Наиболее распространенным методом измерения расхода жидкостей, пара, газов является метод переменного перепада давления (гидравлического сопротивления). Он основан на измерении потенциальной энергии вещества, протекающего через местное сужение в трубопроводе. В качестве сужающих устройств используют диафрагмы и сопла (рис. 4.1.1).

Диафрагма представляет собой тонкий диск с отверстием , центр которого находится в центре трубопровода. При установке диафрагмы перед ней происходит сужение потока жидкости. Пройдя диафрагму, поток продолжает сужаться (по инерции) до минимального сечения , после чего, постоянно расширяясь, заполняет все пространство трубопровода. Перед диафрагмой и после нее образуются зоны завихрения.

Перед сужением давление потока возрастает, затем падает, снижаясь до минимальной величины на меньшем сечении струи. В дальнейшем давление достигает почти первоначального значения, отличаясь от него на величину , вызванной трением и завихрениями потока.

Таким образом, при прохождении потока через диафрагму происходит переход части энергии из потенциальной в кинетическую. При этом скорость потока возрастает, а давление падает. Разность давлений и является мерой расхода протекающей через диафрагму среды.

В соплах, конфигурация которых повторяет характер сжатия струи (особенно сопло Вентури), потери на завихрение существенно ниже, а, следовательно, меньше и остаточная потеря давления .

На рис. 4.1.1 выделены два сечения: I – до сужения и II – в месте максимального сужения струи. Из общего уравнения сохранения энергии

можно представить:

(уравнение Бернулли).

Принимая во внимание уравнение неразрывности струи

и учитывая, что плотность вещества до и после сужающего устройства остается постоянной (), получим:

; ;

.

Скорость в месте максимального сужения:

.

Объемный расход:

.

Представим:

,

где –коэффициент степени сжатия струи;

m –модуль сужающего устройства, .

Тогда:

,

где – разность давлений, измеренных непосредственно у торцов сужающего устройства.

Обозначив , получим:

.

Массовый расход:

.

Коэффициент расхода зависит, как это экспериментально установлено, от , и числа Рейнольдса, т.е.:

Для газов и паров необходимо учитывать изменение плотности при изменении давления.

При этом принимают, что процесс сжатия и расширения протекает адиабатически (без выделения тепла).

,

где –показатель адиабаты.

Для определения объема и массового расхода вещества в формулах вводится коэффициент .

; (4.1.1)

. (4.1.2)

На основе полученных уравнений определяют диаметр условного прохода сужающего устройства и параметры дифманометров.

Из рассмотренных выражений для и можно сделать вывод, что между расходом и перепадом существует квадратичная зависимость, графически изображаемая параболой.

Это приводит к тому_, что при малых расходах от предельных значений существенно возрастает погрешность измерений.

Шкала прибора получается неравномерной. Для ее линеаризации в звене передаточного механизма дифманометров применяют профильное лекало, что позволяет получить равномерную шкалу во всем диапазоне измерений.

Выражения (4.1.1) и (4..1.2) можно представить в следующем виде, принимая расход в часах:

;

,

где –диаметр сужающего устройства.

Это выражение справедливо при измерении расходов газов.

Если измеряемая среда – жидкость или газ, который может конденсироваться, то .

Как уже отмечалось, на выбор параметров сужающего устройства влияет число , которое можно выразить в виде:

,

где – динамическая вязкость, – кинематическая.

При меньших значениях увеличиваются силы трения. При малых значениях не происходит сужение струи, которое начинается лишь при . С возрастанием сужение увеличивается до .

Зависимость исходного коэффициента расхода (значение, принятое в первом приближении) от модуля диафрагмы и числа представлена на графике рис. 4.1.2.

При значениях измерений производить нельзя. В диапазоне необходимо вводить поправку на вязкость.

Оптимальным является условие во всем диапазоне измерений.

В качестве сужающих устройств используются нормальные и специальные диафрагмы и сопла.

Нормальные диафрагмы изготовляются в соответствии с установленными требованиями и не требуют индивидуальной градуировки.

Кромка диафрагмы должна быть острой и расточена под углом 30– 45°.

Отбор давлений осуществляется либо с помощью кольцевых камер, либо через отдельные отверстия.

Модуль диафрагмы (при ): , толщина ее не должна превышать . Материал диафрагмы: для воды – латунь, бронза; для водяного пара – сталь X17 и X18Н9Т.

При камерном отборе давлений обеспечивается выравнивание, что позволяет получить более высокую точность измерений. Сужающие устройства устанавливают в трубопроводах таким образом, чтобы обеспечивался линейный участок до места их установки и после до .

Помимо стандартных диафрагм в качестве сужающих устройств применяются стандартные сопла для измерения расхода перегретого пара, а также агрессивных жидкостей. Их применение целесообразно при . По сравнению с диафрагмами они менее чувствительны к коррозии, загрязнению и обеспечивают более высокую точность измерений.

При условии, что и мм, они могут применяться без индивидуальной градуировки. Профильная часть сопла должна выполняться с плавным сопряжением дуг.

Конструкция сопла Вентури аналогична обычному соплу. Отличие составляет непосредственный переход цилиндрической части в коническую. При этом имеется две его модификации: длинная и короткая. В первой коническая часть заканчивается диаметром трубопровода, во второй .

Отбор давления осуществляется кольцевой камерой с группой радиальных отверстий.

Применяют сопла Вентури в случаях, когда потери давления на трение и завихрение играют существенную роль.

В практике иногда необходимо измерять расход при малых значениях . Как уже отмечалось, применение дисковых диафрагм, а также и сопел не позволяет осуществить такие измерения.

Решить этот вопрос возможно с применением так называемых сдвоенных диафрагм, сопла с профилем «четверть круга» и диафрагмы с двойным скосом.

Установка двух диафрагм способствует возникновению в сужающем устройстве турбулентного режима. Это позволяет осуществлять измерения при значительно меньших, чем у дисковых диафрагм. Здесь также меньше потери давления на трение. Расчет ведется по наименьшему диаметру.

Сопло «четверть круга» обеспечивает постоянство числа Re в достаточно широком диапазоне. Применяются также диафрагмы с двойным скосом.

Для определенных жидкостей и влажных газов применяются так называемые сегментные диафрагмы, представляющие собой кольцо с вырезанными в нижней части сегментам. Такая конструкция позволяет исключить образование осадка и конденсата перед сужающим устройством.

Дифманометры, работающие в комплекте с диафрагмами и соплами, выбираются на предельный перепад из следующего ряда: 1, 0; 1, 6; 2, 5; 4, 0; 6, 3× 10ⁿ. Максимальный расход жидкости должен отвечать следующему ряду чисел: 1, 0; 1, 25; 1, 6; 2, 0; 2, 5; 3, 2; 4, 0; 5, 0; 6, 3; 8, 0 и т.д.