Витратоміри змінного та постійного перепаду тиску

Первинні вимірювальні перетворювачі (ПВП) витрати змінного та постійного перепаду тиску відносяться до дросельних перетворювачів, тобто, перетворювачів, які дещо звужуютьють основний потік рідини або газу в трубопроводі. Принцип дії таких перетворювачів ґрунтується на законі стаціонарного руху ідеальної рідини Данила Бернуллі: «Якщо зменшити поперечний переріз труби, то швидкість руху рідини або газу в цьому місці зростає, а тиск зменшується», тобто, виникає різниця тисків ( р) в речовині в місцях до звуження та відразу після звуження.

Суть закону в тому, що під час протікання речовини через звужуючий пристрій частина потенційної енергії потоку переходить у кінетичну, при цьому середня швидкість потоку в звуженому перетині підвищується, а тиск зменшується. Різниця цих тисків ( р) залежить від швидкості речовини і буде тим більша, чим більша витрата речовини, що протікає.

В залежності від того, як використовується різниця тисків ( р), ПВП, що грунтуються на законі Бернуллі, ділять на змінного та постійного перепаду тиску. В ПВП змінного перепаду тиску для визначення витрати речовини використовують звужуючий пристрій (діафрвгму, сопло), який не змінює своє положення, і вимірюють дифманометром різницю тисків до та після звужуючого пристрою. В ПВП постійного перепаду тиску в якості звужуючого пристрою використовується поплавок, який змінює своє положення в спеціальній коніній трубці, що забезпечує постійність різниці тисків під і над поплавком.

Мірою витрати є висота зависання поплавка у трубці.

Закон описують два рівняння Бернуллі.

Перше рівняння - це рівняння зберігання енергії рухомої рідини:

+ = + ; (7.4)

Друге – це рівняння нерозривності течії:

* * = * * , (7.5)

де у обох формулах: та - абсолютні статичні тиски до і після звуження,

Па; та - середні швидкості речовини до і після звуження, м/с; та - поперечний переріз потоків, при чому - в найбільш звуженому місці, м ; та густина речовини, кг/м .

Одним з найбільш поширених методів вимірювання витрати рідини, газу та пари є метод змінного перепаду тиску, оснований на вимірюванні різниці тисків, яка створюється будь-яким звужуючим пристроєм, встановленим в трубопроводі на шляху руху речовини. Таким чином, під час протікання речовини утворюється різниця тисків до і після звужуючого пристрою.

На рис.7.6 показано профіль руху потоку через діафрагму, завихрення, а також розподіл тиску по довжині трубопроводу.

Рис. 7.6. Профіль руху потоку речовини через діафрагму.

Потік F звужується перед діафрагмою, проходить діафрагму і по інерції ще зменшується в перерізі на певній віддалі за діафрагмою, а вже потім зростає в перерізі і поступово заповнює весь переріз трубопроводу. Перед діафрагмою і за нею утво­рюються зони з вихровим зустрічним рухом відносно основного потоку. Завихрення за діафрагмою значно більші, ніж перед нею. Тиск потоку перед діафрагмою дещо зростає за рахунок підпору перед діафрагмою.

Основу дросельних вимірювальних перетворювачів (витратомірів змінного

перепаду тиску) складає безпосередньо звужуючий пристрій (діафрагма), який має спеціальні виводи в кутах (до і після діафрагми) для під’єднання імпульсних трубок, що забезпечують відведення тисків Р та Р на входи дифманометра, який є вторинним приладом витратоміра. Відповідно, стаціонарні тиски та дещо відрізняються від тисків Р та Р місць відведення, але ця відмінність легко компенсується поправочним коефіцієнтом. Так як густина речовини до і після звужування не змінюється ( = = , то отримуємо систему рівнянь:

{ Р - Р = ( - ) (7.6)

{ * = * .

Система рівнянь справедлива, якщо не перевищує швидкості розповсюження звуку в речовині. Розв’язуючи систему відносно швидкості отримуємо:

= () , (7.7)

і, відповідно, можемо визначити об’ємну витрату , визначивши добуток швидкості на переріз потоку:

= (м /с). (7.8)

В перетворювачах змінного перепаду тиску замість перерізу потоку використовують площину звужувального пристрою, тому формула об’ємної витрати приймає вид:

= , (7.9)

де - постійний коефіцієнт витрати для даної речовини, що залежить від діаметру трубопроводу, який визначає , і типу звужуючого пристрою, а також фізичних властивостей потоку (так званого числа Рейнольдса , яке є основною характеристикою протікання (течії) рідини).

Витратоміри змінного перепаду тискує найпоширенішими при вимірюванні витрати рідини, пари і газу. Типи звужучих пристроїв, які використовуються для зменшення поперечного перерізу труби, показані на рис.7.5. В якості звужуючих пристроїв, крім діафрагм, використовуються нормальні сопла (рис. 7.5 в, м, н), подовжені та короткі сопла Вентурі (рис. n, c, m) і нестандартні

пристрої з гідравлічним опором (крани, клапани, заслінки, теплообмінники та ін.).

Комплект такого витратоміра включає в себе звужувальний пристрій, з’єднувальну (імпульсну) лінію, диференційний манометр (дифманометр) з тим або іншим передавальним перетворювачем і вторинний прилад.

Рис. 7.5. Типи звужуючих пристроїв: у верхньому рядочку показані типи діафрагм та нормальних сопел, а в нижньому – сопла Вентурі.