|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
|
|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
Расходомеры переменного перепада давления
В состав измерительного комплекса (ИК) расходомера входят:
линейный участок трубопровода – измерительный трубопровод (ИТ); сужающее устройство того или иного типа (СУ); дифманометр (обычно – деформационный с выходным тензометрическим, емкостным или пьезометрическим преобразователем); импульсные трубки, соединяющие отверстие для отбора импульса давления до СУ и после него.
Отверстие для отбора давления – круглое отверстие в стенке измерительного трубопровода (далее – ИТ) или корпуса камеры СУ, служащее для передачи давления к средству измерений. Отверстие для отбора давления располагают на входе СУ (далее – перед СУ) и на выходе СУ (далее – за СУ). Давление среды в ИТ – давление, измеренное в месте расположения отверстия для отбора давления перед СУ. Перепад давления на СУ – разность между статическими давлениями среды, измеренными через отверстия для отбора давления перед и за СУ, если они расположены на одной высоте. Если отверстия для отбора давления расположены на разных высотах, то учитывают и статическое давление, обусловленное разностью высот расположения этих отверстий. Отверстие или горловина СУ – круглое отверстие в СУ, имеющее минимальное поперечное сечение, соосное ИТ. Метод переменного перепада давлений является наиболее старым ( 30-е годы прошлого столетия) методом измерения расхода жидкости, пара и газа. Принцип действия его основан на зависимости разности давлений до и после СУ от объёмного расхода gо .
Измерение расхода по этому методу основано на изменении потенциальной энергии (статического давления) вещества, протекающего через местное сужение в трубопроводе. Сужающее устройство (диафрагма, рис.2.2) представляет собой тонкий стальной диск, установленный в трубопроводе так, чтобы отверстие в диске было концентрично сечению трубопровода. Сужение потока начинается до диафрагмы; затем на некотором расстоянии за ней благодаря действию сил инерции поток сужается до минимального сечения (диаметр Давление потока около стенки трубопровода несколько возрастает из-за подпора перед диафрагмой и снижается до минимума за диафрагмой в более узком сечении потокf. Далее, по мере расширения струи, давление потока около стенки снова повышается, но не достигает прежнего значения. Потеря части давления
III IV
Рис. 2.2. Эпюра потока и график распределения статического давления при установке сужающего устройства в трубопроводе: I -сечение потока на расстоянии L1 от СУ; II – сечение потока в месте наибольшего сужения потока; III, IV – сечения потока до и после СУ (в местах отбора импульса); L – длина трубопровода; Р1 – давление в трубопроводе до СУ (сечение III); Р2 – давление после СУ (сечение IV); Рz /' – давление в наибольшем сужении потока, минимальное давление (сечение II); Рп – потери напора на трение и завихрения потока Изменение давления потока по оси трубопровода практически совпадает с изменением давления около его стенки, за исключением участка перед диафрагмой и непосредственно в ней, где давление потока по оси трубы снижается (штриховая линия). Разность давлений Характер потока и распределение давления одинаковы во всех типах сужающих устройств. Так как струя, протекающая через сопло, почти не отрывается от его профилированной части, потери на завихрения возникают в основном за соплом, поэтому остаточная потеря давления Вывод уравнения расхода для случая, когда в трубопроводе установлена диафрагма, основан на двух уравнениях: уравнении Бернулли (2.1); уравнении неразрывности потока (2.2). При этом принимаются следующие допущения: по трубопроводу протекает несжимаемая жидкость; плотность среды до и после сужения остается неизменной; потери энергии потока на трение и завихрения малы. Из закона сохранения энергии для стационарного потока следует, что сумма потенциальной и кинетической энергии до и после СУ равны (уравнение Бернулли):
Используя в решении этого уравнения условие неразрывности потока несжимаемой среды (массовый или объёмный расход до СУ и после – величина постоянная), получим:
 ; (2.2)
где Подставим значение скорости потока v1из уравнения (2.1), получим: uD = ( d / D )2 • Ud = b 2 • Ud Подстановка полученного выражения в уравнение (2.1) и разрешение его относительно скорости потока ud приводит к теоретическому уравнению расхода несжимаемой среды: где p1 – давление на входе в СУ; uD - скорость течения потока в ИТ; ud – скорость течения потока в отверстии СУ; p1 – давление на входе в СУ; p2 – давление на выходе из СУ; r – плотность несжимаемой жидкости; Е - коэффициент скорости входа, равный:
Действительный массовый расход получается меньше рассчитанного по теоретическому уравнению расхода, что корректируется коэффициентом истечения С и дополнительно коэффициентом расширения e для сжимаемых сред. Тогда уравнение расхода принимает вид Значения С и e определены в результате экспериментальных исследований, проведенных на гидравлически гладких трубопроводах при равномерном распределении скоростей потока по сечению трубопровода и развитом турбулентном режиме течения этого потока. Решение уравнений расхода для СУ, значение коэффициента истечения которых зависит от числа Рейнольдса, может быть найдено методом последовательных приближений. Таким образом, теоретические методы расчета коэффициента истечения сложны и не обеспечивают достаточной точности, поэтому значения С стандартизованы и приведены в нормативных документах. Наличие местных гидравлических сопротивлений (трубопроводной арматуры, отводов и т.д.) и применение шероховатых трубопроводов приводит к искажению распределения скорости по их сечению. Для выравнивания распределения скоростей по сечению ИТ, неравномерность которого обусловлена наличием местных сопротивлений, применяют прямые участки трубопроводов определенной длины. Влияние шероховатости невозможно исключить подобным конструктивным путем. Поэтому влияние шероховатости ИТ на значение коэффициента истечения корректируют с помощью поправочного коэффициента на шероховатость внутренней поверхности ИТ – K ш. Влияние на коэффициент истечения притупления входной кромки отверстия диафрагмы, обусловленного ее износом, корректируют с помощью поправочного коэффициента на притупление входной кромки отверстия диафрагмы K п. Таким образом, полное уравнение массового расхода примет вид
qm ~ = C ~ EK ш K п e ( p d 2 / 4) (2 r D р)1/2,
где ЕС = a – коэффициент расхода. Международный стандарт не рассматривает случаи влияния на коэффициент истечения шероховатости внутренней поверхности ИТ и степени притупления входной кромки диафрагмы. Введение коэффициентов, учитывающих влияние шероховатости внутренней поверхности ИТ и степени притупления входной кромки диафрагмы, расширяет область применения СУ. Значение объемного расхода, приведенного к стандартным условиям, может быть определено из уравнения: qс = q т / r. Порядок определения массового расхода: находят b по уравнению (2.2); вычисляют С~; рассчитывают коэффициент шероховатости Кш; вычисляют массовый расход при С = С~ по уравнению
qm~ = C~EKшKп e ( p d2 / 4) (2 r D р)1/2;
рассчитывают Re при массовом расходе qm~ по уравнению определяют КRe; находят число Рейнольдса по уравнению Re = Re ~ K Re; вычисляют действительное значение массового расхода Физические свойства контролируемой среды могут быть определены путем непосредственных измерений (ГОСТ 8.586.2-2005) или косвенным путем по нормативным документам (ГОСТ 30319.0 - ГОСТ 30319.3 и др.) или по справочникам Государственной службы стандартных справочных данных (ГСССД). Число Рейнольдса характеризует отношение силы инерции к силе вязкости потока
Показатель изоэнтропии (адиабаты) k является термодинамической характеристикой потока сжимаемых сред, отображающей термодинамический процесс, происходящий без теплообмена с окружающей средой. Показатель изоэнтропии равен отношению относительного изменения давления к соответствующему относительному изменению плотности при обратимом адиабатическом (изоэнтропическом) процессе. Для газов и паров вместо показателя изоэнтропии могут быть использованы значения отношений удельных теплоемкостей при постоянных давлении и объеме в случае, если отсутствуют официальные данные о значениях k. Коэффициент истечения С – отношение действительного значения расхода жидкости к его теоретическому значению. Экспериментально коэффициент истечения определяют на несжимаемой среде по измеренным значениям qm,, r, Dр, d и D из уравнения
В общем случае коэффициент истечения зависит от типа СУ (потери энергии на нем), места расположения отверстий для отбора давления, от относительного диаметра отверстия СУ, числа Рейнольдса, неравномерности распределения скоростей по сечению (вызванной местными сопротивлениями и шероховатостью трубопровода), остроты входной кромки (у диафрагм) и т.д. Для геометрически подобных СУ и при гидродинамическом подобии потоков среды значения C одинаковы. Геометрическое подобие различных СУ характеризуют равенством отношений одних и тех же геометрических размеров СУ к диаметру ИТ. Гидродинамическое подобие потоков (независимо от рода среды) характеризуют равенством чисел Рейнольдса. Значения С, рассчитанные по уравнениям аппроксимации для СУ различных типов, приведены в приложении А[2]. Коэффициент, учитывающий изоэнтропическое расширение газа за СУ, называют коэффициентом расширения. Экспериментально коэффициент расширения определяют на сжимаемой среде по измеренным значениям q m, r, Dр, d и D, а также по известному значению С из уравнения
Коэффициент расширения зависит от отношения перепада давления к давлению на входе в СУ, показателя изоэнтропии, типа СУ и относительного диаметра отверстия СУ. Он равен единице для несжимаемой среды и меньше единицы для сжимаемой среды. Поправочный множитель
для диафрагм
для сопел
По номограммам поправочный коэффициент Среднее значение перепада подсчитывают по формуле где Для всех значений Коэффициент расхода В общем случае коэффициент расхода для сужающих устройств выражается зависимостью для диафрагм
для сопел
где В общем случае шероховатость повышает коэффициент расхода; влияние этой поправки возрастает c уменьшением диаметра трубы (рис. 2.3).
Рис. 2.3. Зависимость исходного коэффициента расхода диафрагм от m = (β )1/2 К стандартным сужающим устройствам относятся диафрагмы камерные и бескамерные, сопла ИСА 1932 и трубы Вентури. Стандартная диафрагма (далее – диафрагма) – диск с круглым отверстием, имеющий острую прямоугольную входную кромку. Сопло ИСА 1932 - СУ с круглым отверстием, имеющее на входе плавно сужающийся участок с профилем, образованным двумя сопрягающимися дугами, переходящий в цилиндрический участок на выходе, называемый «горловиной». Расходомерная труба Вентури (далее – труба Вентури) – СУ с круглым отверстием, имеющее на входе конический сужающийся участок, переходящий в цилиндрический участок, соединенный на выходе с расширяющейся конической частью, называемой «диффузором». Сопло Вентури – труба Вентури с сужающимся входным участком в виде сопла ИСА 1932. В соответствии со стандартом ГОСТ 8. 586. 1-5.-2005 понятие модуль СУ ( m = ( d / D )2 заменено на термин «относительный диаметр отверстия СУ».
Относительный диаметр отверстия СУ ( b = d / D. Диафрагма (рис. 2.4, рис. 2.5) представляет собой тонкий стальной диск, установленный в трубопроводе так, чтобы отверстие в диске 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 (диаметр
Рис.2.4. Фланцевый и трехрадиусный способы отбора импульса Давления на диафрагме Давление потока около стенки трубопровода несколько возрастает из-за подпора перед диафрагмой и снижается до минимума за диафрагмой в наиболее узком сечении потока. Далее, по мере расширения струи, давление потока около стенки снова повышается, но не достигает прежнего значения. Потеря части давления
Рис. 2.5. Диафрагма камерная
Изменение давления потока по оси трубопровода практически совпадает с изменением давления около его стенки, за исключением участка перед диафрагмой и непосредственно в ней, где. давление потока по оси трубы снижается. Разность давлений Характер потока и распределение давления одинаковые во всех типах сужающих устройств. Так как струя, протекающая через сопло, почти не отрывается от его профилированной части, потери на завихрения возникают в основном за соплом, поэтому остаточная потеря давления Из трех типов сужающих устройств наиболее часто применяют диафрагму. При измерении расхода по методу переменного перепада давлений протекающее вещество должно полностью заполнять все сечение трубопровода и СУ; поток в трубопроводе должен быть практически установившимся; фазовое состояние веществ не должно изменяться при прохождении их через сужающее устройство (жидкость не должна испаряться, пар должен оставаться перегретым и т. п.).
Рис. 2.6. Труба Вентури
С другой стороны, следует учитывать, что при значительном
Рис. 2.7. Сопло нормальное
а) б)
Рис. 2.8. Диафрагмы: а – камерные: 1 – корпус плюсовой кольцевой камеры; 2 – корпус минусовой кольцевой камеры; 3 – диафрагма; 4 – уплотнительная прокладка; 5 – патрубок; б – бескамерные: 1 – диафрагма; 2 – ушко
Рис. 2.9. Зависимость потерь давления в различных сужающих устройствах: 1–диафрагма; 2 – сопло; 3 – короткое сопло Вентури; 4 – длинное сопло Вентури Основные правила соединения сужающих устройств с дифманометром: дифманометр и СУ связаны двумя соединительными трубками. Обычно применяют медные, алюминиевые, стальные и пластмассовые (из винипласта или полиэтилена). В трубках не должно быть горизонтальных участков, где могут накапливаться воздух, газы или влага, поэтому трубки прокладывают с уклоном. Существенное значение имеют диаметр и длина соединительных трубок. При малых диаметрах трубки легко засоряются, в них образуются водяные пробки или воздушные пузыри. Вследствие повышенного сопротивления трубок увеличивается время запаздывания дифманометра. Слишком большие диаметры нежелательны из-за громоздкости проводки и увеличения расхода металла, а при измерении расхода газа – из-за увеличения времени запаздывания дифманометра. Рекомендуется применять трубки с внутренним диаметром 10–12 мм, но не менее 8 мм. Длина соединительных трубок зависит от расстояния между сужающим устройством и дифманометром. С увеличением длины соединительных трубок возрастает запаздывание в передаче импульсов, усложняются поддержание герметичности и удаление воздуха или влаги из трубок. В процессе работы соединительные трубки необходимо периодически продувать для очистки и удаления из них воздуха (в случае измерения расхода пара) или влаги (при измерении расхода газа). Для этой цели у дифманометров рекомендуется устанавливать продувочные отводы с вентилями. Соединительные трубки должны быть защищены от действия источников теплоты и от возможного замерзания. Трубки соединяют накидными гайками, резьбовыми муфтами и фланцами. Такие соединения допускают быструю разборку при чистке трубок. В длинных линиях необходимо иметь несколько разборных соединений, желательно вблизи мест изгибов, где чаще необходима чистка. Соединения пайкой трубок из цветных металлов и сваркой стальных трубок можно применять только в случае, если нет опасности засорения. В частных случаях для обеспечения правильности измерения перепада давлении и создания условий, гарантирующих надежную и бесперебойную работу дифманометра, приходится вводить некоторые вспомогательные устройства, устанавливаемые обычно в соединительных трубках между СУ и дифманометром. Тип этих устройств зависит от рода измеряемой среды (жидкость, газ, пар), ее свойств и характеристик (агрессивность, загрязненность и т. п.). При измерении расхода воды и неагрессивных невязких жидкостей дифманометр рекомендуется устанавливать ниже СУ (рис.2.10). Такой способ установки исключает возможность попадания воздуха или газа из протекающей по трубопроводу жидкости в соединительные трубки и дифманометр. Если из измеряемой жидкости легко выпадают осадки, то перед дифманометром необходимо устанавливать отстойные сосуды; если необходимо располагать дифманометр выше сужающего устройства, то рекомендуется вначале направить трубки вниз (рис. 2.11), а затем вести их вверх.
Рис. 2.10. Схемы соединения СУ с дифманометром при измерении расхода воды и неагрессивных жидкостей: а – для чистой жидкости, б – для жидкости, содержащей взвешенные частицы; 1 – дифманометр; 2 – СУ; 3– запорные вентили; 4 – соединительные трубки; 5 – отстойные сосуды
Направленные вниз U-образные вертикальные участки трубок предохраняют от попадания воздуха или газа в соединительные линии. Горизонтальные ветви обеих линий должны иметь уклон и располагаться на одном уровне, чтобы отрицательное давление, создаваемое столбами жидкости в вертикальных ветвях, было равно для обеих ветвей. В верхних точках системы необходимо устанавливать газосборники с вентилями для продувки. При измерении расхода горячих жидкостей ( Уравнительные сосуды должны иметь достаточный объем, чтобы температура воды в них изменялась незначительно. При измерении расхода агрессивных жидкостей для защиты дифманометра и соединительных трубок применяют мембранные устройства, разделительные сосуды и подают защитный газ через соединительные трубки. Такие схемы используют и при измерении расхода вязких жидкостей, загрязненных сред и т. п. Схема установки дифманометра с применением разделительных сосудов показана на рис. 2.12. При непрерывной продувке газом продуваемый газ (воздух, азот) должен иметь большее давление, чем в производственном трубопроводе. Через обе соединительные трубки должно проходить одинаковое количество газа. Скорость продувки контролируют по количеству пузырьков газа с помощью контрольных стеклянных стаканчиков (установленных в линиях соединительных трубок) или ротаметров. Оптимальный расход газа на продувку каждой трубки 50–200 л/ч.
Рис. 2.11. Схемы соединения СУ с дифманометром при измерении расхода воды и неагрессивных жидкостей: а – для чистой жидкости; 6 – для жидкости, содержащей взвешенные частицы; 1 – дифманометр; 2 – сужающее устройство; 3 – запорные вентили; 4 – соединительные трубки; 5 – отстойные сосуды; 6 – газосборники
При измерении расхода воздуха или неагрессивного газа дифманометр рекомендуется устанавливать выше сужающего устройства; при этом конденсат, образовавшийся в соединительных трубках, стекает в трубопровод.
Если дифманометр приходится устанавливать ниже СУ, то в соединительных трубках накапливается конденсат, который может закупорить трубки и исказить результаты измерений. Чтобы избежать этого, необходимо в нижних точках соединительных линий устанавливать ловушки конденсата. Соединительные линии на всем протяжении должны иметь односторонний уклон, причем при установке дифманометра ниже СУ должен быть обеспечен уклон трубок к ловушкам со стороны и сужающего устройства, и дифманометра. При необходимости (при очень длинной трассе) устанавливают несколько ловушек. Ловушки изготовляют из отрезка трубы диаметром 50–100 мм, емкостью примерно 1000 см3; для периодического выпуска конденсата ловушки снабжают сливным отверстием, закрываемым пробкой или вентилем. При измерении расхода агрессивных, загрязненных или запыленных газов необходимы также мембранные устройства или разделительные сосуды. При измерении расхода пара для защиты дифманометра от действия высокой температуры соединительные трубки заполняют водой. Для этого в непосредственной близости от СУ устанавливают конденсационные (уравнительные) сосуды, которые вместе с участками соединительных линий между сосудами и дифманометром заполняют конденсатом. Дифманометр следует устанавливать ниже СУ, так как в этом случае отпадает необходимость в установке газосборников для удаления из трубок воздуха, выделившегося из паропровода или случайно попавшего в них. Оба конденсационных сосуда, а также боковые отверстия в них должны находиться на одной высоте. Давление у СУ целесообразно измерять на среднем диаметре трубопровода. В этом случае обеспечивается постоянство и равенство высот столбов конденсата в соединительных трубках до сужающего устройства и после него. Трубки, соединяющие СУ с конденсационными сосудами, на участках вблизи сосудов нужно располагать горизонтально и на одном уровне. Конденсационные сосуды должны иметь достаточный объём для того, чтобы при любом колебании расхода уровень конденсации всегда находился в пределах объёма сосудов. При необходимости установки дифманометра выше СУ в верхних точках системы устанавливают газосборники с продувочными вентилями для сбора и удаления воздуха, выделившегося в соединительных трубках. При наличии взвешенных частиц в паре в нижних точках соединительных линий устанавливают отстойные сосуды.
|
Последнее изменение этой страницы: 2019-03-30; Просмотров: 1082; Нарушение авторского права страницы
), 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.
определяется потерей энергии на трение и завихрения.
является перепадом давления, зави сящим от расхода проте кающей через трубопро вод среды. 
в сопле Вентури, профиль которого близок к сечению потока, проходящего через сужение. Из трех типов сужающих устройств наиболее часто применяют диафрагму. При измерении расхода по методу переменного перепада давлений протекающее вещество должно полностью заполнять все сечение трубопровода и сужающего устройства; поток в трубопроводе должен быть практически установившимся; фазовое состояние веществ не должно изменяться при прохождении их через СУ (жидкость не должна испаряться, пар должен оставаться перегретым и т. п.). Теория и основные уравнения метода переменного перепада давлений одинаковы для всех видов СУ, различаются лишь некоторые коэффициенты в уравнениях, определяемые опытным путём.
(2.1)
- относительный диаметр сужающего устройства.
– перепад давления на СУ.
(2.3)
, учитывающий изменение плотности среды (газа или пара) при прохождении через сужающее устройство, определяют по экспериментальным формулам: 
; 
.
дается для отдельных значений 
. Практически при измерении расхода это отношение изменяется в определенных пределах; поэтому при расчете сужающего устройства приходится использовать некоторое среднее значение 
которое соответствует среднему расходу 
.
, 
– верхний предел измерений дифманометра.
возникает дополнительная по грешность, обусловленная отклонением действительных значений 
от расчетного значения 
. 
зависит от геометрической формы сужающего устройства и физических свойств потока измеряемой среды. Для определения коэффициента расхода используют теорию подобия, так как для всего многообразия потоков определить 
экспериментально практически очень трудно. Экспериментально установлено, что коэффициент расхода зависит от характера движения только до определенного значения числа Рейнольдса, выше которого он определяется только величиной т.
и к исходному коэффициенту расхода вносят две поправки – на шероховатость трубы и на затупление (неостроту) входной кромки: 
; 
, 
– множитель, учитывающий влияние шероховатости внутренней поверхности трубопровода; К3 – множитель, учитывающий притупление входной кромки диафрагмы.
) равен отношению диаметра отверстия (или горловины) СУ ( d ) к внутреннему диаметру ИТ перед СУ ( D ) при рабочей температуре среды: 
может увеличиться отношение 
а это вызовет увеличение погрешности при определении коэффициента 
. Следует стремиться к тому, чтобы отношение 
для диафрагм при измерении расхода газа было меньше 0, 2, а при измерении расхода пара – меньше 0, 03. В этом случае погрешность в определении 
не будет превышать ±0, 5 %. При измерении расхода пара соплами погрешность определения 
равна нулю, если 
< (0, 1...0, 2); поэтому измерение расхода пара соплами целесообразнее, чем диафрагмами.
; 5 – длинное сопло Вентури 
> 120 °С) необходимо включать в соединительные линии уравнительные сосуды, заполненные водой. Оба сосуда и боковые отверстия в них должны находиться на одной высоте. 
