Сущность измерения расхода по методу переменного перепада давления

Наиболее распространенным и изученным методом измерения расхода жидкости, пара и газа является метод переменного перепада давлений. Измерение расхода по этому методу основано на измерении потенциальной энергии (статического давления) веще­ства, протекающего через местное сужение в трубопроводе. В измерительной технике сужающими устройствами (первич­ными преобразователями) служат диафрагмы, сопла и сопла Вентури. Из этих трех типов сужающих устройств наиболее часто применяется диафрагма [1].

Диафрагма (рис.1) представляет собой тонкий диск, установленный в трубопроводе так, чтобы его отверстие было концентрично внутреннему контуру сечения трубопровода. Сужение потока начинается до диафрагмы, затем на некотором расстоянии за ней благодаря действию сил инерции поток сужается до минимального сечения, а далее постепенно расширяется до полного сечения трубопровода. Перед диафрагмой и за ней образуются зоны с вихревым движением, причем зона вихрей за диафрагмой больше, чем перед ней.

Рис 1. Характер потока и график распределения стати­ческого давления при установке сужающего устройства в трубопроводе

Давление струи около стенки трубопровода несколько воз­растает из-за подпора перед диафрагмой и понижается до мини­мума за диафрагмой в наиболее узком сечении струи. Далее по мере расширения струи давление потока около стенки снова повышается, но не достигает прежнего значения. Потери части давления р_п объясняется главным образом потерей энергии на трение и завихрения.

Разность давлений (p'₁— p'₂)является перепадом, зависящим от расхода среды, протекающей через трубопровод.

Характер потока и распределение давления одинаковы во всех типах сужающих устройств. Вследствие того что струя, протека­ющая через сопло, почти не отрывается от его профилированной части, потери на завихрения возникают в основном за соплом, поэтому остаточная потеря давления р_п в сопле по сравнению с диафрагмой меньше. Еще меньше потери давления р_п в сопле Вентури, профиль которого близок к сечению потока, проходя­щего через сужение.

При измерении расхода по методу переменного перепада давления протекающее вещество должно целиком заполнять все сечение трубопровода и сужающего устройства; поток в трубопро­воде должен быть практически установившимся; фазовое состоя­ние веществ не должно изменяться при прохождении через су­жающее устройство (жидкость не должна испаряться, пар должен оставаться перегретым и т. п.) [1].

Для установления зависимости расхода вещества от перепада давлений, возникающего на сужающем устройстве, используют практические зависимости:

-объёмный расход ,

-массовый расход ,

где Q - объемный расход вещества; Q_м - массовый расход вещества;

a - коэффициент расхода вещества; F₀ - площадь отверстия диафрагмы; r - плотность измеряемого вещества; Р₁ - давление вещества непосредственно у стенки трубопровода до сужающего устройства.;

Р₂ - давление вещества непосредственно у стенки трубопровода после сужающего устройства.

3.6.1. Типы сужающих устройств, регламентированные РД 50-213-80

Стандартная диафрагма - наибо­лее простое и распростра­ненное сужающее устройство (рис. 2). Она применяется без индивидуаль­ной градуировки для трубопрово­дов диаметром D> 50 мм при условии, что 0,05<m<0,7. Величина m - это так называемый модуль сужающего устройства:

m=S₀/S₁, где S₀=площадь отверстия диафрагмы; S₁=площадь поперечного сечения трубопровода.

Диафрагма представляет собой тонкий диск с круглым концентрическим отверстием, которое имеет со стороны входа острую цилиндрическую кромку, а далее расточено под угол φ = 30…45°. Входная кромка диафрагмы не должна иметь закруглений, вмятин, зазубрин, заусенцев; она должна быть острой [1].

Стандартные сопла (рис.3.) могут применяться без индивидуальной градуировки в трубопроводах диаметром D>50 мм при условии, что 0,05<m<0.65.

Рис.3. Стандартное сопло

Профильная частть оверстия сопла должна быть выполнена с плавным сопряжением дуг. При изготовлении сопла необходимо обращать внимание на гладкость его входной части, отсутствие конусности в цилиндрической части. Выходная кромка цилиндри­ческой части отверстия должна быть острой, без заусенцев, фаски или закругления. Для изготовления сопел обычно используют те же материалы, что и для диафрагм [1].

Сопла Вентури могут применяться без индивидуальной гра­дуировки для диаметров трубопроводов D>50 мм. У сопла Вентури (рис. 4) профильная входная часть выполняется такой же, как у обычного сопла.

Цилиндрическая средняя часть непосредственно без сопряжения переходит в конус [1]. Сопла Вентури могут быть длинными и короткими. У длинного сопла Вентури наибольший диаметр выходного конуса равен диаметру трубопровода, а у короткого - меньше диаметра трубопровода. Угол конуса должен удовлетворять условию 5° <φ < 30°.

Измерение перепада давления производится через кольцевые камеры, причем задняя (минусовая) камера соединяется с цилин­дрической частью сопла Вентури с помощью группы радиальных отверстий. Короткие сопла Вентури получили большее распространение, так как они дешевле в изготовлении и монтаже, а потеря давления в них почти такая же, как и в длинных.

Рассмотрим комплект - расходомер, входящий в данную установку.

Нормальная диафрагма(рис.5)представляет собой тонкий металличе­ский диск с отверстием, концентричным оси трубопровода. Отвер­стие имеет со стороны входа потока острую цилиндрическую кром­ку, а затем расточку на конус под углом 30—45°. Отбор статических давлений до и

Рис.5. Нормальная диафрагма

после диафрагмы про­изводится через кольцевые камеры или с помощью отдельных отверстий, объ­единенных в коллекторы. Схема уста­новки диафрагмы на трубопроводе приведена на рис. 5. [1]

Мембранный пневматический компенсационный дифманометр ДМПК-100(рис. 6)представляет собой первичный бесшкальный прибор, предназна-ченный для непрерыв­ного преобра-зования измеряемого перепада давле-ния в пропорциональные значения давления сжа­того воздуха и передачи их на расстояние. Действие дифмано-метра основано на принципе компенсации сил.

Дифманометр типа ДМ

В гидростатическом уровнемере и дифманометре типа ДМ измерение уровня жидкости H постоянной плотности r сводится к измерению давления, создаваемого столбом жидкости с изменением высоты уровня, т. е. р = Нρg.

Мембранный дифманометр ДМ (рис.7) является бесшкальным прибором с индукционным датчиком, работающим с вторич­ными дифференциально-трансформаторными приборами типа КСДЗ, ЭПИД, ЭИВ, ДС и др. Он предназначен для дистанционного измерения избыточных давлений, разрежений или перепадов дав­ления жидкостей, паров и газов, не разрушающих чувствительный элемент прибора. При этом величина измеряемого параметра пре­образуется дифманометром в пропорциональный электрический сигнал, передаваемый далее на вторичный прибор [4].

Действие дифманометра основано на использовании деформа­ции чувствительного элемента прибора при воздействии на него разности давлений. Чувствительным элементом дифманометра является мембран­ный блок, помещенный в корпусе 1 и включающий мембранные ко­робки 11 и 12, сваренные из четырех мембран, имеющих концентрические гофры.

При наложении мембран профили их совпадают, что предохра­няет мембраны от разрушения при перегрузках. Внутренние полости коробок, заполненные дистиллированной водой или ее смесью с глицерином, сооб­щаются между собой через отверстие в перегородке 2.

Мембраны изготовляются из нержаве-ющей стали с высоки­ми упругими свойствами или бериллиевой бронзы.

Давления передаются через импульсные линии 3 и 10, на которых установлены два за­порных вентиля 6 и 7 и урав­нительный вентиль 8. С цен­тром верхней мембраны свя­зан сердечник 9 дифферен­циально-трансформаторной ка­тушки 4, закрытой колпаком 5.

Большее давление подается в нижнюю (плюсовую) каме­ру, а меньшее - в верхнюю (минусовую). Под воздейст­вием разности давлений в ка­мерах нижняя мембранная ко­робка сжимается, жидкость из нее поступает в верхнюю коробку, вызывая перемещение верхнего центра и связанного с ним сердечника индукционного дат­чика. Деформация продолжается до тех пор, пока силы, вызван­ные перепадом давления, не уравновесятся упругими силами мем­бранных коробок. При перемещении сердечника 9 индукционного датчика измеряемая величина преобразуется в электрический сиг­нал и передается на вторичный прибор.

Для уменьшения погрешности вследствие изменения темпера­туры окружающей среды верхняя мембранная коробка дифмано­метра выполнена более жесткой, чем нижняя. Благодаря этому изменение температуры окружающей среды приводит в основном лишь к изменению объема нижней мембранной коробки, и сердеч­ник не получает дополнительного смещения.

Мембранные дифманометры выпускаются на предельные пере­пады давления 16—250 МН/м² (160—2500 кгс/м²) и 40—630кН/м² (0,4—6,3 кгс/см²).

Допускаемые статические давления до 25 МН/м² (250 кгс/см²).

Вторичный самопишущий прибор ПВ4.2Э(рис. 8) предназначен для не­прерывной записи и показания одного параметра, величина кото­рого пропорциональна давлению сжатого воздуха в пределах 19,6—98 кН/м² (0,2—1 кгс/см²) [7]. Стрелка вторичного прибора ПВ4.2Э совмещена с регистрирующим пером 6. Показания записываются на ленточной диаграмме 7, приводимой в движение синхронным двигателем ДСМ-2. Длина шкалы прибора и ширина поля записи показаний диаграммы 100 мм. Скорость движения диаграммы 20 мм/ч. Ос­новная допустимая погрешность прибора не превышает ±1%.

3.8. Источники возможных погрешностей комплекта – расходомера при измерении расхода методом переменного перепада давлений

Источники возможных погрешностей:

· погрешности установки и конструкции сужающих устройств:

- неправильный монтаж сужающих устройств (на непрямолинейных участках);

- сужающее устройство располагается не концентрично относительно оси трубопровода круглого сечения, т.е. его ось смешена от оси трубопровода на какое-то расстояние;

- безвозвратные потери давления на диафрагме (в случае, когда потери должны быть ограничены, применяют сопла или трубки Вентури);

- потеря давления в трубке Вентури возрастает с увеличением угла φ.

· погрешности дифманометров:

- основная погрешность дифманометра ДМПК-100 составляет ±1%;

- основная погрешность дифманометра ДП-50 составляет ±267Н/м² (2 мм рт. ст.);

· погрешность вторичного самопишущего прибора ПВ4.2Э равна 1%