Измерители потока на потокорезистивных элементах

Наиболее распространенным методом измерения расхода жидких и газообразных (парообразных) сред является метод сужения потока основанный на использование потокорезистивных элементов.

Этот метод отличается сравнительной простотой и обеспечивает достаточно высокую точность измерения, в большинстве случаев удовлетворяет требованиям (основная приведенная погрешность 2 – 3 %).

Метод сужения потока реализуется в двух вариантах: при переменном перепаде давления и при постоянном перепаде давлений.

При измерении расхода по переменному перепаду давления, применяют устройство, вызывающее местное сужение потока.

Рисунок 10.2 – Схема устройства для измерения расхода жидкостей и газов методом сужения потока: а – измерительная система; б – график изменения давлений; в – график изменения скоростей

В качестве сужающего устройства может быть использована, например, диафрагма 1, которая с помощью фланцев устанавливается в трубопроводе 3, где в направлении стрелок движется поток измеряемой среды.

Поскольку диаметр d проходного сечения сужающего устройства меньше внутреннего диаметра D трубопровода, возникает явление сжатия потока, в результате чего его скорость V возрастает, а статическое давление Р падает. Здесь приняты следующие обозначения: Р₁ – статическое давление измеряемой среды перед сужающим устройством, – то же на удалении от сужающего устройства (давление невозмущенного потока); Р₂ – статическое давление за сужающим устройством; – минимальное статическое давление в сжатом сечении потока.

В рассматриваемом варианте метода измерения расхода в качестве меры расхода используется перепад давлений на сужающем устройстве. Как видно из рис. 10.2 б, этот перепад при прочих одинаковых параметрах потока зависит от расположения точек отбора сравниваемых между собой статических давлений: до – и после сужающего устройства. Если давление Р₁ и Р₂ отбирать в непосредственной близости от кромок диафрагмы, то перепад давлений

.

В результате вихреобразования в потоке и действия сил внутреннего трения давление Р₂ за сужающим устройством полностью не восстанавливаются до первоначальной величины . Остаточная потеря давления

характеризует гидравлическое сопротивление служащего устройства.

Основные расчетные зависимости между перепадом давлений DР (Pа) на сужающем устройстве и значением расхода Q₀ (m³/s), Q_м (kg/s) определяются уравнениями расхода

где – плотность измеряемой среды перед сужающим устройством, kg/m³;

F₀ – площадь проходного сечения сужающего устройства;

– коэффициент расхода;

Е – поправочный коэффициент (коэффициент сжимаемости), учитывающий расширение измеряемой среды в результате снижения ее давления при протекании через сужающее устройство. Для несжимаемых сред – жидкостей Е = 1.

Для измерения расхода к сужающему устройству подключают дифманометр в комплекте с соответствующими вторичными приборам.

Зависимость между перепадом давлений и расходом, согласно приведенным выше уравнениям, нелинейная, поэтому вторичные приборы расходомеров либо снабжаются специальным устройством извлечения квадратного корня, либо эта функция передается центральному вычислительному устройству.

В основе определения коэффициентов и Е находится эксперимент. В качестве стандартных (нормализованных) сужающих устройств приняты диафрагмы, сопла, сопла Вентури и трубы Вентури.

Расчет размеров стандартного сужающего устройства производится пользователем исходя из верхних пределов и перепада давлений дифманометра, физических свойств измеряемой среды и диаметра трубопровода по методике, изложенной в работе: Правила измерения расхода газов и жидкостей стандартными служащими устройствами: РД 50-213-80-М; Издательство стандартов, 1982 – 319 с.

На выбор рационального типа сужающего устройства оказывает влияние ряд факторов, из которых наиболее существенна требуемая точность измерения, допустимая остаточная потеря давления, максимальный расход.

У диафрагм загрязнение входной кромки способно вызвать значительные изменения коэффициента расхода и внести неопределенную погрешность в результат измерения.

При одинаковых расходах и передачах давлений сопла и трубы Вентури обеспечивают более высокую точность измерения. При одних и тех же значениях и , сопла и трубы Вентури дают возможность измерения большего расхода, чем диафрагмы. Остаточная потеря давления последовательно снижается в направлении от диафрагмы к трубе Вентури. Вместе с тем диафрагма по сравнению с другими сужающими устройствами характеризуется наибольшей простотой.

При отклонении температуры Т, давления Р измеряемой среды, а также влажности газа необходимо введение поправок, которое осуществляется либо использованием специальных дифманометров, либо путем расчетов выполняемых ЭВМ в составе АСУ ТП.

Таблица 10.1

Сужающее устройство	Схема	Пределы диаметров трубопроводов
Диафрагма с угловым отбором перепада давлений		³ 50
Диафрагма с фланцевым отбором перепада давлений		50 ¸ 760
Сопло		50 (для газа) 30 (для жидкости)
Сопло Вентури		65 – 500
Труба Вентури		50 – 1400

Измерение расхода при постоянном перепаде давления характеризуется тем, что мерой расхода является переменная площадь проходного сечения устройства, которое вызывает местное сужение потока измеряемой среды.

Принципы измерения расхода при постоянном перепаде давлений реализуется в ряде устройств расходомеров, такие как поршневые расходомеры и ротаметры.

В расходомерах постоянного перепада давления вес поршня уравновешивается силой, возникающей в результате перепада давления на проходном отверстии прибора. Площадь сечения этого отверстия изменяется в зависимости от положения поршня.

Рисунок 10.3 – Устройство поршневого расходомера

Поршень, в свою очередь, непосредственно связан с индукционным датчиком.

Поплавковый ротаметр представляет собой конструкцию, внутри которой находится поплавок конической или сферической формы. Под действием потока жидкости или газа поплавок поднимается в конической полости до момента уравновешивания веса поплавка (рис. 10.4).

Рисунок 10.4 – Устройство поплавкового ротаметра

В стеклянных поплавковых ротаметрах отчет показаний прибора производится непосредственно по шкале, нанесенной на трубке ротаметра.