Архив рубрики: ТЕХНИКА ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА

7.9. Центробежные расходомеры

Центробежный расходомер (рис. 75) представляет собой 360-градус­ное колено (т. е. полную окружность) трубопровода, в верхней части которого на внешней и внутренней (по радиусу кривизны) стенках от­бирают давления р2 ир! соответственно. Ранее применялись и 90-градус­ные колена, но они не обеспечивали достаточной точности измерений, поэтому в настоящее время рекомендовано применять 360-градусные колена.

Принцип действия центробежных расходомеров основан на том, что при движении среды по криволинейному участку трубопровода появля­ются центробежные силы, создающие перепад давлений между точками с разными радиусами кривизны (где кривизна больше, там и центробеж­ная сила больше и больше давление на стенку).

Полученные из условия равенства гидростатической и центробежной сил, действующих на элемент объема среды, текущей по криволинейно­му участку трубопровода (с радиусом кривизны его геометрической оси ■Ко) рабочие уравнения измерений центробежных расходомеров имеют вид:

для капельных жидкостей

*"            ;                   (7.32)

7.9. Центробежные расходомеры

Рис. 75. Центробежный расходомер с круговым коленом

ДЛЯ газов

In

(7.33)

гдег — внутренний радиус (см. рис. 77) трубопровода; р0 = 1/2 (pi +р2) ; ^ — корректировочный коэффициент, зависящий от вязкости измеряе­мой среды и шероховатости трубопровода; f — коэффициент, характери­зующий степень неиэотермичности процесса сжатия газа в цилиндричес­ком колене.

При Рг/Pi < 2 как для жидкостей, так и для газов с достаточной для практики точностью можно использовать формулу (7.32).

Как показали широкие экспериментальные исследования американ­ских прибористов В. Лансфорда, Д. Картеля и др., коэффициенты i^, f при прямолинейном участке трубопровода перед 360-градусным коле­ном расходомера, большем 2R0, стабильны и мало (на 1,0—1,5 %) отли­чаются от единицы в весьма широком диапазоне изменения вязкости из­меряемой среды и ее расхода, что может быть объяснено малостью сил трения по сравнению с центробежными силами.

Отмеченное обстоятельство позволяет сделать вывод о возможности косвенной (расчетной) градуировки центробежных расходомеров с кру­говым коленом по результатам измерений технологически качественно выдержанных геометрических параметров /?о и г. При этом их основная погрешность может быть „уложена" в ±2,0—2,5 % верхнего предела из­мерений, что соответствует точности расходомеров с сужающими уст­ройствами.

Существенным достоинством центробежных расходомеров является и малая степень влияния пульсационных характеристик потока на их по­казания. Действительно, так как давления pi ир2
отбираются в одном

сечении потока (а не в разных, как у сужающих устройств) постоянные по сечению пульсационные составляющие будут компенсироваться при измерении разности давлений.

Простота и надежность центробежных расходомеров позволяет при­менять их в сложных эксплуатационных условиях, характерных для тех­нологических процессов в нефтяной, газовой и химической промышлен­ности.

7.6. Оптические (лазерные) расходомеры

К числу сравнительно новых, но быстро развивающихся методов из­мерения локальных скоростей потока и расхода относятся методы, осно­ванные на применении оптических квантовых генераторов—лазеров (ОКГ). Достоинствами этих методов являются: бесконтактность, высо­кая чувствительность, малая инерционность, большой диапазон измере­ний скоростей и расходов независимо от физических свойств измеряе­мой среды (как жидкостей, так и газов), за исключением требования ее прозрачности в диапазоне длин волн, излучаемых квантовыми генерато­рами.

Наиболее перспективно применение оптических методов в экспери­ментальной гидродинамике, особенно в области турбулентных явлений, изучение которых традиционными способами (например, с помощью тер­моанемометров) уже не дает желаемых результатов вследствие малой точности приборов и, главное, вносимых ими искажений в изучаемую структуру потока.

Кроме того, лазерные расходомеры используют при измерении рас­хода агрессивных, высоко- и низкотемпературных (криогенных) жид­костей и газов.

Б настоящее время распространение получили две конструктивные разновидности оптических (лазерных) расходомеров,, отличающихся ле­жащими в их основе физическими явлениями: расходомеры, основанные на эффекте рассеяния света движущимися частицами (допплеровские расходомеры), и расходомеры, основанные на эффекте Физо-Френеля — увлечения света движущейся средой.

Б оптическом расходомере (назовем его сокращенно ДИС), реализу­ющем первый эффект, излучение лазера, рассеянное движущимися в по­токе естественными или искусственно введенными частицами, приобре­тает частотный сдвиг, пропорциональный осредненной скорости частиц.

Принципиальная схема ДИС показана иа рис. 70. Прибор работает следующим образом. Световой поток, излучаемый газовым лазером 1, делится расщепителем 2 на два параллельных пучка равной интенсивнос­ти, которые линзой 3 фокусируются в исследуемой области среды, дви­жущейся по трубопроводу 4. В области пересечения лучей возникает пространственная интерференционная картина из чередующихся светлых и темных полос. Перемещающиеся в этой области частицы перекрывают светлые полосы, в результате чего рассеянный частицами свет модулиру­ется частотой, пропорциональной скорости движения частиц.

Рассеянный свет улавливается приемной оптической системой 5 и на­правляется на фотодетектор 7. Выделение и регистрация.частотного сиг­нала (пропорционального скорости движения частиц) осуществляется анализатором спектра или автоматической следящей системой 8. Диа­фрагма 6 предохраняет фотодетектор от фонового излучения.

7.6. Оптические (лазерные) расходомеры

Рис. 70. Принципиальная схема лазерного измерителя скоростей

Для создания рассеивающих центров (зоны движущихся частиц) в жидкостях в настоящее время чаще всего используют полистироловые шарики диаметром 0,5—1,0 мкм, добавляемые в поток с объемной кон­центрацией 0,002—0,02 %. Для получения сигнала требуемой интенсив­ности в газах достаточно 0,15 • 10~3
кг/м3 взвешенных примесей и аэро­золя. Эффективным способом получения рассеивающих центров в газах является способ распыления жидкостей (например, воды).

Основными источниками методических погрешностей ДИС являют­ся: неравномерность профиля скоростей потока; турбулентные пульса­ции скоростей; неоднородность рассеивающих частиц и их „проскальзы­вание" (несовпадение скоростей) относительно основного потока.

Эти погрешности совместно с аппаратурными обусловливают сум­марную погрешность измерений расхода с помощью ДИС порядка 1,5— 2,0%.

Принципиальная схема расходомера, реализующего эффект Физо-Френеля, показана на рис. 71. Основным элементом расходомера являет­ся гелиево-неоновый лазер, резонатор которого образован зеркалами 1, 4, 5, расположенными в вершинах треугольника, и активным элементом 9. Лазер генерирует две встречные волны, бегущие по замкнутым опти­ческим путям. Поток жидкости или газа, движущийся на некотором участке резонатора по трубопроводу 2 с прозрачными окнами 3, создает различные по знаку приращения оптических путей встречных волн лазера за счет составляющей проекции вектора скорости потока на направление луча. Вследствие этого различны и частоты встречных волн.

Часть энергии встречных лучей выводится из резонатора и зеркалами б, S направляется на фотодетектор 7, в цепи которого появляется фото-ток разностной частоты биений, пропорциональной скорости потока, ос-редненной по пути луча.

Инструментальная погрешность описанных расходомеров определя­ется, в основном, погрешностью измерения частоты биений. Нестабиль­ность частоты биений вызывается механическими вибрациями, изменени­ем температуры окружающей среды, а также процессами, происходящи­ми в плазме ОКГ. Известны „Физо-Френелевские" расходомеры, основ­ная погрешность которых не превосходит 0,5 % верхнего предела измере­ний.

7.6. Оптические (лазерные) расходомеры

7.6. Оптические (лазерные) расходомерыгч- Г : / ^ \    i

7.6. Оптические (лазерные) расходомеры 

7.6. Оптические (лазерные) расходомеры7.6. Оптические (лазерные) расходомеры

Рис. 71. Принципиальная схема фи-зо-френелевого   лазерного  расхо­домера

7.6. Оптические (лазерные) расходомеры— Методические погрешности зтих расходомеров обусловливаются не­постоянством показателя преломления измеряемой среды и отличием скорости, осредненной по длине луча, от действительной средней скорос­ти потока (аналогично, как у рассмотренных выше ультразвуковых рас­ходомеров) .

Особенно перспективны данные расходомеры для измерения расхода газов, поскольку частота выходного сигнала при показателях преломле­ния, близких к единице (что характерно для большинства газов), про­порциональна массовому расходу.

7.7. Измерение расхода методом контрольных „меток"

Если создать в потоке измеряемой среды какую-либо „метку" (ка­кой-либо отличительный признак части потока, за перемещением которо­го можно проследить) и измерять время tM, за которое эта „метка" пройдет определенный фиксированный путь LM, то, считая, что скорость перемещения „метки" v равна скорости потока, получим

v = 4*~-                                (7:28)

Расходомеры, основанные на этом методе измерений (рис. 72), со­стоят из устройства, периодически создающего ту или иную „метку" по­тока; устройства, фиксирующего момент прохождения „метки", и при­бора, измеряющего продолжительность перемещения „метки" на фикси­рованное расстояние LM.

На основании формулы (7.28) уравнение измерений зтих приборов будет иметь вид

7.6. Оптические (лазерные) расходомеры

(7.29)

Рис. 72. Схема измерения расхода ме­тодом контрольных „меток"

где sf — коэффициент, зависящий от распределения скоростей по сечению потока и числа Рейнольдса.

Погрешности измерения при данном методе не нормируются. Метод, как правило, используется в лабораторных условиях для измерения рас­хода газа при сверхвысоких скоростях, т. е. там, где другие методы трудно применить.

R контрольному вопросу № 13

Действительно, „закрутка" потока, вызванная сопротивле­нием первой турбинки, оказывает тормозящее действие на вто­рую.

7.8. Расходомеры, основанные на явлении ядерного магнитного резонанса (ЯМР-расходомеры)

Поляризованные в постоянном магнитном поле атомные ядра боль­шинства элементов, помещенных в переменное осциллирующее поле, при угловой частоте осциллирующего поля, равной угловой скорости прецес­сии (колебаний относительно среднего положения) ядер (ларморовой частоте), взаимодействуют с ним, поглощая часть его энергии. При этом изменяется намагниченность ядер, т. е. суммарный магнитный момент ядер в единице объема вещества.

Это явление — явление взаимодействия поляризованных ядер с резо­нансным осциллирующим полем называется ядерным магнитным резо­нансом.

Существует несколько принципов построения расходомерных уст­ройств, основанных на ядерном магнитном резонансе. Во-первых, явле­ние ядерного резонанса используется для создания „меток" в потоке жидкости.

Схема ЯМР-расходомера, работающего на принципе контрольных „меток", показана на рис. 73. Жидкость проходит через магнитное поле, создаваемое магнитом 1 и поляризуется (ядра жидкости ориентируются

 

 

if*

г

 

L

С

 

 

и

 

 

1      8

 

5

^

1

 

 

 

 

 

 

 

 

относительно силовых линий по­ля, что обусловливает ее намагни­ченность). Протекая через катуш­ку 2, на которую подается от ге­нератора 5 переменное напряже­ние резонансной частоты, поляри­зованные ядра жидкости поглоща­ют часть энергии осциллирующего поля, создаваемого катушкой, и жидкость деполяризуется. При пе­риодическом   отключении   тока,

Рис. 73. Схема ЯМР-расходомера, рабо-   питающего катушку 2, в потоке тающего на принципе контрольных меток   жидкости на выходе из катушки

будут создаваться пакеты поляризованных молекул. Эти молекулы, пройдя фиксированное расстояние L, попадают в катушку 3, которая также питается переменным напряжением резонансной частоты. В момен­ты протекания поляризованных молекул через осциллирующее поле ка­тушки 5 в ее цепи будет возникать сигнал ядерного магнитного резонан­са, фиксируемый измерительной схемой 4. Таким образом, в данном случае измерение расхода сводится к измерению времени между момен­том отключения напряжения от катушки 2 и моментом появления сигна­ла ядерного магнитного резонанса в схеме 4, связанной с катушкой 3. Уравнение измерений расходомеров данного типа не отличается от урав­нения измерений метода контрольных „меток" (98).

Другой принцип работы ЯМР-расходомеров основан на зависимости амплитуды сигнала ядерного резонанса А от скорости течения жидкости v, открытой индийским ученым Сурианом

(7.30)

где Ао — амплитуда сигнала ядерного резонанса в неподвижной жидкос­ти; tp — постоянное для данной жидкости время продольной релаксации ядер; / — длина датчика, создающего резонансное поле.

Пользуясь выражением (7.30), рабочее уравнение данного типа ЯМР-расходомеров можно представить в виде

Q=K(^—l),                                 (7.31)

где постоянная К — lF/tp; F — калибр расходомера.

Принципиальная схема такого расходомера показана на рис. 74. Учас­ток трубопровода помещен в сильное поляризующее поле. На концах участка монтируется датчик ядерного магнитного резонанса, на катушку которого подается переменное напряжение резонансной частоты. Поляри­зованная жидкость, протекая через датчик, дает сигнал ядерного резонан­са, амплитуда которого зависит от расхода жидкости. Подобное устрой­ство можно применять для измерения расхода жидкостей с большим ко­личеством ядер (например, жидкости, содержащие водород или фтор), обеспечивающим достаточно большой сигнал ядерного резонанса. Кон­центрация ядер должна сохраняться постоянной, в противном случае бу­дет изменяться чувствительность прибора. Концентрация ядер пропор­циональна плотности, а следовательно, погрешность показаний прибора зависит от всех факторов (температуры, давления, концентрации и т. п.), влияющих на плотность измеряемой среды. Кроме того, погрешность показаний существенным образом зависит от качества стабилизации пи­тающего напряжения и наличия внутренних (схемных) и внешних (вы­зываемых турбулентностью потока) шумов. При аппаратурном подавле­нии этих шумов (что ведет к большой сложности измерительной схемы) погрешность ЯМР-расходомеров при их градуировке на реальной измерят емой среде может быть сведена к погрешности порядка 0,5—1,0% верх­него предела измерений.

7.6. Оптические (лазерные) расходомерыРис. 74. Схема амплитудного ЯМР-расходо-мера

 

К достоинствам ЯМР-расходомербв (значительно окупающим их конструктивную сложность) относят: высокую чувствительность и ма­лый нижний диапазон измерений; бесконтактность измерений; нечув­ствительность к перемене ориентировки трубопровода в пространстве; линейность шкалы и возможность использования их в системах контро­ля и регулирования в связи с малой инерционностью и электрическим выходным сигналом датчика в виде напряжения низкой частоты.

В настоящее время ЯМР-расходомеры применяются в основном при лабораторных исследованиях, в биологии и медицине (для измерения расхода крови).

7.5. Ультразвуковые расходомеры

Принципиальная схема ультразвукового расходомера приведена на рис. 69. Звуковые колебания высокой частоты (20 кГц и выше), созда-

ваемые электроакустическим вибратором (излучателем) И1, проходят через текущую по трубопроводу среду и регистрируются приемником

П1, отстоящим от излучателя на

вшам         расстояние L. Если v — скорость

Vпотока среды, а с — скорость

звука в данной среде, то про-

должительность
распространения

                                          звуковой волны по направлению

движения потока от излучателя Ш до приемника Ш

Рис. 69. Принципиальная схема ультразву-      j-j =       -^        _    (j 24)

кового расходомера               с + v

Продолжительность  же рас­пространения   звуковой   волны против   движения    потока   от    излучателя   И2   до   приемника П2

тг
= -£— .                         (7.25)

Не трудно убедиться, что на основании формул (7.24) и (7.25) разность т2
—Ti, измеряемая электронно-счетной схемой,

7.5. Ультразвуковые расходомеры7.5. Ультразвуковые расходомерыПриняв во внимание, что v2/c2 пренебрежимо мала по сравнению с единицей (например, для жидкостей, у которых с = 1000—1500 м/с, a v не превосходит 6—8 м/с, v2/c2
< 6 • 10~s), и выразив скорость потока через расход, получим уравнение измерений ультразвуковых расходо­меров

Ат^Ър-^-Q,                           (7.27)

где F — площадь сечения потока; <р — коэффициент, учитывающий рас­пределение скоростей по сечению потока.

Существуют различные способы и различные измерительные схемы для определения Дт:

1) измерение разности фазовых сдвигов ультразвуковых волн, на­
правляемых по потоку и против него;

2) измерение разности частот повторения коротких импульсов или
пакетов ультразвуковых колебаний, направляемых одновременно по по­
току и против него;

3) измерение разности длительности прохождения коротких импуль­
сов, направляемых одновременно по потоку и против него.

Кроме того, имеется самостоятельный метод определения расхода, основанный на измерении смещения потоком ультразвуковой волны, на­правляемой перпендикулярно к направлению движения среды.

Основные трудности практического использования ультразвуковых расходомеров связаны с тем, что, во-первых, скорость распространения звука зависит от физико-химических свойств измеряемой среды (ее температуры, давления, концентрации и т. п.) и, во-вторых, она несоиз­меримо больше скорости движения этой среды. Первое из отмеченных обстоятельств приводит к необходимости применения в ультразвуковых расходомерах специальных методов и средств компенсации влияний свойств среды, второй — к необходимости использования дифференци­альных схем измерений (для выделения „слабого" полезного сигнала). И то, и другое обусловливает большую сложность измерительной аппара­туры.

Кроме того, показания ультразвуковых расходомеров зависят от числа Рейнольдса. Это объясняется тем, что они измеряют не действитель­ную среднюю скорость потока, а среднюю скорость по линии ультразву­кового луча. Соотношение между этими скоростями является функцией числа Рейнольдса.

Несмотря на это, ультразвуковые расходомеры все более широко применяют в нефтехимической, пищевой и других отраслях промышлен­ности, при гидравлических исследованиях и испытаниях гидромашин. Достоинствами их являются:

возможность бесконтактного измерения любых сред, в том числе и неэлектропроводных;

достаточно высокая точность приборов при их индивидуальной гра­дуировке и использовании специальных средств автокомпенсации наибо­лее существенных помех (известны ультразвуковые расходомеры, ос­новная погрешность которых не превышает 0,3 % верхнего предела изме­рений) ;

высокая надежность чувствительных элементов (излучателей и при­емников ультразвуковых колебаний), представляющих собой круглые пластинки кварца или титаната бария, устанавливаемые снаружи трубо­провода или защищенные от непосредственного контакта с измеряемой средой металлическим (пластмассовым) звукопроводом;

высокое быстродействие, позволяющее измерять пульсирующие рас­ходы с частотой пульсаций до 10 000 Гц.

Чувствительность ультразвуковых расходомеров зависит от отноше­ния v]c. Чем больше зто отношение, тем больше чувствительность прибо­ра и тем меньше погрешности измерений. Из сказанного следует, что дан­ные приборы более пригодны для измерения расхода газов, чем жидкос­тей, так как значение v/c у газов значительно больше. Однако в настоя­щее время ультразвуковые расходомеры преимущественно применяются для измерения расхода жидкостей. Это объясняется тем, что акустичес­кое сопротивление (рс) газов мало. Поэтому ультразвуковым колебани­ям в газе трудно сообщить энергию, необходимую для переноса волны от излучателя до приемника, поскольку количество энергии, отбираемой средой от излучателя, пропорционально акустическому сопротивлению среды.

Кроме того, коэффициент поглощения звука для газов значительно больше, чем для жидкостей.

7.4. Электромагнитные расходомеры

Принцип действия. Уравнение измерений. В проводнике, пересекаю­щем силовые линии магнитного поля, индуцируется ЭДС, пропорцио-

нальная скорости движения проводника. При этом направление тока, возникающего в проводнике, перпендикулярно к направлению движения проводника и направлению магнитного поля.

Это известный закон электромагнитной индукции — закон Фарадея.

Если заменить проводник потоком проводящей жидкости, текущей между полюсами магнита, и измерять ЭДС, наведенную в жидкости по закону Фарадея, можно получить принципиальную схему электромагнит­ного расходомера (рис. 68), предложенную еще самим Фарадеем.

7.4. Электромагнитные расходомеры

Рис. 68. Принципиальная схема электро­магнитного расходомера: I _ трубопровод;  2 — полюса магнита; 3 — электроды для съема ЭДС; 4 — элек­тронный усилитель; 5 — отсчетная систе­ма; 6 — источник питания магнита

Индуцируемую разность потенциалов Е на электродах 3 определяют по уравнению электромагнитной индукции

Е = -KBDv

ср>

(7.21)

где В — магнитная индукция в зазоре между полюсами магнита; Vq, — средняя скорость потока жидкости; D — внутренний диаметр трубопро­вода; К — коэффициент, зависящий от вида магнитного поля.

Для случая постоянного магнитного поля К = \. Если же магнитное поле изменяется во времени t с частотой/, то К = sin 2-nft.

Магнитное поле создается источником питания б магнита (см. рис. 68). ЭДС, снимаемую с электродов, при помощи электронного усилите­ля 4, преобразуют в усиленный электрический сигнал, регистрируемый отсчетной системой 5.

Выражая в уравнении (7.21) среднюю скорость потока через объем­ный расход измеряемой среды, получим уравнение измерений электро­магнитных расходомеров:

для случая постоянного магнитного поля

£"=-4

(2;

(7.22)

для случая переменного магнитного поля

В sin 2-nft

а

(7.23)

Таким образом, электромагнитные расходомеры могут быть выпол­нены как с постоянными, так и с электромагнитными, питаемыми пере­менным током частотой / Эти электромагнитные расходомеры имеют свои достоинства и недостатки, определяющие области их применения.

Метрологические характеристики и область применения электромаг­нитных расходомеров. Погрешность данных приборов определяется в ос­новном погрешностями их градуировки (определения постоянной вели­чины С = AKBj-nD) и измерения разности потенциалов Е. Однако элект­рохимические процессы в потоке жидкости, различные помехи и навод­ки, непостоянство напряжения питания и другие, не позволяют пока по­лучить той потенциально высокой точности измерений расхода, которая вытекает из принципа действия данного типа расходомеров. Так, изго­товляемые в СССР электромагнитные расходомеры, несмотря на инди­видуальную градуировку, (на высокоточных расходомерных стендах) и весьма совершенные средства измерения Е имеют класс точности 1,0— 2,5%.

Существенным и основным недостатком электромагнитных расхо­домеров с постоянным электромагнитом, ограничивающим их примене­ние для измерения слабопульсирующих потоков, является поляризация измерительных электродов, при которой изменяется сопротивление пре­образователя, а следовательно, появляются существенные дополнитель­ные погрешности. Поляризацию уменьшают, применяя электроды из спе­циальных материалов (угольные, каломелиевые) или специальные по­крытия для электродов (платиновые, танталовые).

Б расходомерах с переменным магнитным полем явление поляриза­ции электродов отсутствует, однако появляются другие эффекты, также искажающие полезный сигнал.

Во-первых, это трансформаторный эффект, когда на витке, образуе­мом жидкостью, находящейся в трубопроводе, электродами, соедини­тельными проводами и вторичными приборами наводится трансформа­торная ЭДС, источником которой является первичная обмотка системы возбуждения магнитного поля. Трансформаторные помехи могут дости­гать 20—30 % полезного сигнала. Для их компенсации в измерительную схему прибора вводят специальные дополнительные устройства.

Во-вторых, имеет место емкостный эффект, возникающий из-за большой разности потенциалов между системой возбуждения магнитно­го поля и электродами и паразитной емкости между ними (соединитель­ные провода и т. п.). Средством борьбы с этим эффектом является тща­тельная экранировка.

В-третьих, может иметь место эффект влияния изменения частоты питающего систему возбуждения магнитного поля тока. Компенсируют этот эффект установкой специальных стабилизирующих устройств, что усложняет измерительные схемы и уменьшает надежность приборов.

Тем не менее электромагнитные расходомеры широко применяют в металлургической, биохимической и пищевой промышленности, в строи­тельстве и руднообогатительном производстве, в медицине, так как они малоинерционны по сравнению с расходомерами других типов. Расходо-

меры незаменимы в тех процессах автоматического регулирования, где
запаздывание играет существенную роль, или при измерений быстро ме­
няющихся расходов. ,                      :

Первичные преобразователи электромагнитных расходомеров не имеют частей, выступающих внутрь трубопровода (электроды устанавли­ваются заподлицо со стенкой трубопровода), сужений, лли изменений профиля. Благодаря этому гидравлические.потери на приборе минималь­ны. Кроме того, преобразователь расходомера и технологический трубо­провод можно чистить и стерилизовать без демонтажа. Поэтому зти рас­ходомеры используют в биохимической и пищевой промьшшенности, где доминирующими являются требования к стерильности измерений среды. Отсутствие полых углублений исключает застаивание и коагулирование измеряемого продукта.

На показания электромагнитных расходомеров не влияют взвешен­ные в жидкости частицы и пузырьки газа, осесимметричное (а в каналах специальной формы любое) изменение профиля распределения скорос­тей потока, а также физико-химические свойства измеряемой жидкости (вязкость, плотность, температура и т. п.), если они не изменяют ее электропроводность.

Электромагнитные расходомеры можно монтировать в любом поло­жении на расстояниях, равных не менее 20 диаметров трубопровода пос­ле местных сопротивлений, нарушающих осесимметричное течение сре­ды, и не менее восьми диаметров до местных сопротивлений.

Конструкция первичных преобразователей позволяет применять но­вейшие изоляционные, антикоррозийные и другие покрытия, что дает возможность измерять расход агрессивных и абразивных сред.

Отмеченные преимущества и обеспечили достаточно широкое распро­странение электромагнитных расходомеров, несмотря на их относитель­ную конструктивную сложность и необходимость тщательного каждо­дневного технического ухода (подрегулировка нуля, поднастройкаит.п.).

Электромагнитные расходомеры применяют для измерения очень малых (3 • 10~9 м3/с) расходов (например, для измерения расхода кро­ви по кровеносным сосудам) и больших расходов жидкостей (3 м3/с). Причем диапазон измерения расходомера одного типоразмера достигает значения 10:1, т. е. достаточно велик.

Электромагнитные расходомеры непригодны для измерения расхо­да газов, а также жидкостей с электропроводностью менее 10~3— 10~5 сим/м (10~5-10~7
Ом"1-см"1), например, легких нефтепродуктов, спиртов и т. п. Применение разрабатываемых в настоящее время специ­альных автокомпенсирующих устройств позволит существенно снизить требования к электропроводности измеряемых сред и создать электро­магнитные расходомеры для измерения расхода любых жидкостей, в том числе и нефтепродуктов.

7.1. Расходомеры переменного перепада давления. Принцип действия. Уравнения измерений

Принцип действия расходомеров данного типа, объединенных еди­ным методом измерений, основан на измерении перепада давления, обра­зующегося в результате местного изменения скорости потока жидкости, газа или пара.    •

Метод переменного перепада давления один из наиболее старых и изученных методов измерения расхода. Это, а также возможность кос­венной градуировки и поверки стандартизованных первичных преобразо­вателей — сужающих устройств, реализующих метод, их простота и на­дежность, серийный выпуск вторичных преобразователей — дифманомет-ров обусловило его чрезвычайно широкое (преимущественное по сравне­нию с другими) использование в практике промышленных измерений расхода. И вместе с тем в основе этого чисто гидродинамического метода лежат столь сложные физические процессы деформации потоков, столь большое число неконтролируемых факторов влияет на характер этих процессов, что применение его в настоящее время ограничено областями, где требуется относительно низкая точность измерений, хотя возможнос­ти его „метрологического совершенствования" далеко не исчерпаны.

Рассмотрим идеальную физическую картину явлений, лежащих в ос­нове метода измерения расхода по перепаду давления на сужающем уст­ройстве.

На рис. 55 показана форма потока несжимаемой жидкости, протека­ющей через диафрагму. Выделим в трубопроводе два сечения: I-I — пе­ред сужающим устройством там, где поток еще не меняет своей конфи­гурации, и II—II — в месте наибольшего сжатия потока, находящемся на некотором расстоянии от внешнего (по ходу потока) торца диа­фрагмы.

Обозначим F — площадь поперечного сечения трубопровода, м2; ^о — площадь отверстия диафрагмы, м2; т= Fo/F — относительная пло­щадь сужающего устройства; Fх — площадь сечения потока в месте его наибольшего сжатия, м2.

7.1. Расходомеры переменного перепада давления. Принцип действия. Уравнения измерений

л

Рис. 55. Форма потока жидкости, проте­кающей через диафрагму

Для сечений /—/ и П-П горизонтального установившегося потока несжимаемой жидкости плотностью р уравнение Бернулли будет иметь вид

pvi

Pi  -/?2i

(7.1)

а уравнение неразрывности

^"cPl = ^i»cp2 = ^’ ^о^срг,         (7.2)

где у! = Fi/Fq — коэффициент сжатия потока, зависящий от вида сужа­ющего устройства; vcpj и v^ — средние скорости потока в сечениях /-/ и II-II соответственно; р\ и р2 — абсолютные давления в сечениях /-/ и II-II соответственно.

Решая совместно уравнения (7.1) и (7.2), получим выражение для средней скорости потока в сечении II-II

7.1. Расходомеры переменного перепада давления. Принцип действия. Уравнения измерений7.1. Расходомеры переменного перепада давления. Принцип действия. Уравнения измерений7.1. Расходомеры переменного перепада давления. Принцип действия. Уравнения измеренийОбъемный расход можно выразить через среднюю скорость потока

 ‘.                         (7-4)

2

Подставив в выражение (7.4) значение средней скорости vcp , опре­деленное по формуле (7.3), найдем уравнение измерений расхода идеаль­ной несжимаемой жидкости в единицах объема (м3/с) и массы (кг/с) :

bv

м=

 V

(7.5) (7.6)

При течении реальных измеряемых сред возникают дополнительные (не учтенные в приведенных выше формулах) физические явления, на­пример, потери давления на вязкостное трение, вихревые сопротивления, неравномерное распределение скоростей, изменение плотности и т. п.

Учитывая эти обстоятельства, а также несовпадение мест реального отбо­ра давлений с базовыми сечениями /-/ и II-II (обычно перепад давления измеряется в углах, образованных стенками трубы с торцами диафраг­мы) , для получения уточненных общих уравнений расхода правые части формул (7.5) и (7.6) умножают на скоростной коэффициент £, характе­ризующий распределение скоростей по сечению выходящего из сужающе­го устройства потока, и коэффициент е, учитывающий изменение плот­ности потока газа или пара при течении через сужающее устройство.

Тогда уравнения расхода

приобретают вид

7.1. Расходомеры переменного перепада давления. Принцип действия. Уравнения измерений7.1. Расходомеры переменного перепада давления. Принцип действия. Уравнения измеренийM=aeFoy/2p(p1-p2) , (7.8)

где а =

v/ Г-

Эти уравнения являются общими для всех расходоме­ров переменного перепада давления и пригодными для сжимаемой и несжимаемой сред. Для несжимаемой среды е=1.

Коэффициент а, входя­щий в уравнения (7.7) и (7.8), называется коэффициентом расхода. Этот коэффициент зависит от относительной пло­щади т сужающего устройст­ва. С его помощью учитывают сложные гидродинамические явления, происходящие в по­токе при изменении его кон­фигурации.

Не принимая во внимание действие сил тяжести на поток (при течении измеряемой сре­ды по трубе с дозвуковыми скоростями такая идеализация допустима), на основании соображений, приведенных в предыдущей главе, можно ут­верждать, что явления, происходящие в установившемся, слабо пульси­рующем и невращающемся потоке, однозначно определяются критерием подобия Рейнольдса. А если это так, то и коэффициент а, учитывающий эти явления, функционально зависит от числа Рейнольдса.

На рис. 56 показаны графики изменения исходных (для условий ус­тановившегося, не пульсирующего и не вращающегося потока, при от-

сутствии близко расположенных местных сопротивлений) коэффициен­
тов расхода нормальных диафрагм для различных значений т в зависи­
мости от чисел Рейнольдса.      о

Как видно из рисунка, коэффициенты расхода остаются постоянны­ми для одних и тех же т при Re, больших некоторых предельных значе­ний Renp, т. е. там поток приобретает автомодельный характер. Наличие автомодельной области (Re > Renp) позволяет градуировать сужающие устройства, для которых составлены таблицы значений а косвенным расчетным методом.

Естественно, если условия, при которых определены а, изменяются в процессе эксплуатации расходомера с сужающим устройством (напри­мер, если появляются существенные пульсации или вращательное движе­ние потока, нет достаточных длин прямых участков перед расходоме­ром) , то исходные коэффициенты расхода необходимо корректировать, вводя соответствующие поправки или внося коррективы на точность из­мерений расхода.

Как следует из уравнений (7.7) и (7.8), расход (QилиМ) и перепад давления (Лр = pt — p2) функционально связаны квадратичной парабо­лической зависимостью. Отсутствие линейной пропорциональности меж­ду объектом измерения (Др) и измеряемым параметром (Q или М) яв­ляется основным методическим недостатком расходомеров переменного перепада давления.

Из приведенных выше методических предпосылок следует, что для
измерения расхода жидкостей, газов и паров по перепаду давления необ­
ходимы три устройства, объединенные общим понятием расходомер пе­
ременного перепада:             ‘

устройство, создающее перепад давления в потоке измеряемой сре­ды за счет местного изменения скорости потока или по значению (сужа­ющие устройства), или по направлению (изогнутые участки трубы);

измерительный прибор — дифманометр, измеряющий перепад дав­ления;

соединительное устройство, передающее перепад давления от потока к дифманометру.

Иногда к ним добавляются еще вторичный преобразователь, преоб­разующий показания дифманометра в электрический, пневматический или частотный сигнал, и вторичный прибор для регистрации этого сиг­нала.

Стандартные типы сужающих устройств. В настоящее время наибо­лее распространены стандартные сужающие устройства трех типов: нор­мальная диафрагма, нормальное сопло и труба (сопло) Вентури.

Нормальная диафрагма. При угловом отборе давления применяют нормальные диафрагмы двух видов — плоские (рис. 57) и камерные (рис. 58).

Нормальная диафрагма представляет собой тонкий диск с отверсти­ем, концентричным оси трубы, с острой прямоугольной кромкой со сто­роны входа потока.

7.1. Расходомеры переменного перепада давления. Принцип действия. Уравнения измерений

 

7.1. Расходомеры переменного перепада давления. Принцип действия. Уравнения измерений

Рис. 58. Камерная диафрагма

Рис.   57.  Плоская  диафрагма

Соосность установки, диафрагмы, острота входной кромки, форми­рующей определенный характер течения измеряемой среды через отвер­стие диафрагмы , ее прямоугольность и технологический допуск на входной диаметр диафрагмы d определяют возможность и точность кос­венной (расчетной) градуировки расходомеров переменного перепада с нормальными диафрагмами. Поэтому к этим параметрам диафрагмы предъявляют весьма высокие требования. Так, допустимое отклонение оси отверстия диафрагмы от оси трубы не должно превышать 0,015 D (D/d-1), где D — диаметр трубопровода.

Диаметр отверстия диафрагмы d не должен отличаться от расчетного более чем на + (0,001-0,05) % при т < 0,45 и на +(0,005-0,05) % при т > 0,45. Этим обеспечивается геометрическое подобие диафрагм.

Закругление, смятие или затупление входной кромки диафрагмы не допустимы, что обеспечивает идентичность характера течения измеряе­мых сред через однотипные диафрагмы.

Давления у плоской диафрагмы отбирают с помощью отдельных сверлений. Для усреднения давлений просверливают несколько отверс­тий, равномерно распределенных по окружности трубы в плоскостях от­бора давлений. Выходящие из отверстий трубки объединяются двумя сборными коллекторами, от которых давления передаются к дифмано-метру.

Давления у камерных диафрагм отбирают из камер, соединенных с трубой кольцевыми щелями.

Преимуществом камерных диафрагм является отоор действитель­ных средних давлений и в связи с этим несколько менее жесткие требо­вания к длине прямолинейных участков трубопровода до и после диа­фрагмы; недостатком — необходимость специальных уплотнительных устройств для герметизации камер.

Нормальное сопло. Нормальное сопло (рис. 59) выполняют в виде насадка, имеющего входную сходящуюся часть, образованную дугами окружностей с радиусами г\ иг2, равными 0,2d и d/Ъ и цилиндрическую часть диаметром d и длиной 0,3с?.

Выходная кромка сопла, как и у диафрагмы, должна быть острой, без закруглений и заусенцев. Она предохранена на выходе нишей.

7.1. Расходомеры переменного перепада давления. Принцип действия. Уравнения измерений

7.1. Расходомеры переменного перепада давления. Принцип действия. Уравнения измерений

 

Рис.  59. Нормальное сопло

Рис. 60. Нормальная труба Вентури

Давления также можно отбирать или при помощи камер и кольце­вых щелей (рис. 59, а) или через отдельные отверстия (рис. 59, б).

Нормальная труба (сопло) Вентури. Существуют нормализованные расходомерные трубы Вентури четырех конструктивных разновиднос­тей: трубы Вентури с сопловым и коническим входами, с длинным и ко­ротким диффузорами.

На рис. 60 изображена труба Вентури с сопловым входом (сопло Вентури) с длинным (снизу) и коротким (сверху) диффузорами.

Входная часть трубы до места отбора минусового (меньшего) давле­ния имеет тот же профиль, что и нормальное сопло. Длина цилиндричес­кой части составляет обычно (0,5-0,7) с?. Угол входного конуса диффу­зора должен быть менее 30°.

Плюсовое (большее) давление отбирают как с помощью кольцевой камеры, так и с помощью отдельных сверлений; минусовое — с по­мощью отдельных сверлений.

Наличие стандартных сужающих устройств трех типов объясняется относительными эксплуатационными преимуществами и недостатками каждого из них. Так, диафрагмы технологически просты и в области т < 0,3 имеют меньшие предельные числа Реинольдса (Re^), чем сопла и трубы Вентури. Кроме того, коэффициенты расхода диафрагм менее подвержены влиянию искажения профиля скоростей и пульсаций потока. В то же время потери давления в соплах и трубах Вентури (особенно в последних) значительно меньше, чем у диафрагм. Кроме того, точность измерения расхода газов и пара с помощью сопел в области диаметров трубопроводов, меньших 300 мм, выше, чем при использовании диа­фрагм (в связи с большим постоянством коэффициента сжимаемости е при применении сопел). Надежность сопел и труб Вентури, связанная с изменениями коэффициента расхода а при износе или загрязнении вход­ного профиля сужающего устройства, значительно выше, чем у диафрагм.

Метрологические характеристики и область применения расходоме­ров переменного перепада давления. Измерения расхода по переменному перепаду давления, создаваемому сужающими устройствами, относятся к косвенным.

Рабочей формулой измерений расходомеров данного типа в самом общем виде является

Q = kcbkMReecPkt yf^P,               (7.9)

где к — числовой коэффициент; а^ — исходный коэффициент расхода, значения которого для нормализованных сужающих устройств приводят­ся в соответствующих таблицах (например, в таблицах РД 50—213—80); кш
— поправочный множитель на шероховатость трубопровода; &0′ — поправочный множитель на остроту кромки у диафрагм; кце — попра­вочный множитель на вязкость измеряемой среды, который вводится в случае, если число Реинольдса в трубопроводе несколько меньше пре­дельного числа Реинольдса для данного типа и относительной площади сужающего устройства; kt — поправочный множитель на расширение су­жающего устройства.

На основании формулы (7.9) по закону сложения средних квадрати-ческих погрешностей относительная средняя квадратическая погреш­ность измерения расхода Oq при соблюдении условий нормальной экс­плуатации (при осесимметричном потоке с нормальной эпюрой скорос­тей и при отсутствии существенных пульсационных и вращательных со­ставляющих скоростей)

I—————————————————- %

°Q = V    < + <, + 40 + a*Re   +
°е  + °it +  Т~ °1р + 4" °*   •    (7’Ш)

Средняя квадратическая погрешность табличного значения исходно­го коэффициента расхода (экспериментальная погрешность при его оп-

ределении) зависит от относительной площади сужающего устройства. Значения этой погрешности для различных типов сужающих устройств колеблются в пределах от 0,2 до 0,7 %.

Значения средних квадратических погрешностей о^ш, о^о, OfcRe со­ответствующих поправочных множителей (погрешности их эксперимен­тальной оценки) зависят от типа сужающего устройства, его относитель­ной площади, диаметра трубопровода, чисел Рейнольдса и колеблятся от 0 (при наиболее благоприятных условиях) до 1,5 %.

Напомним, что предельные значения погрешностей определения ко­эффициента сжатия е составляют 4 (1 — S) % для диафрагм и 2 (1 — S) % для сопел и труб Вентури.

Как правило, закон распределения действительных значений погреш­ностей определения е в пределах указанных допусков для однотипных сужающих устройств неизвестен и в этом случае, приняв его равноверо­ятным, найдем ое
= 2,3(1—5) % для диафрагм и о’е = 1,2(1—5) %для со­пел и труб Вентури.

Следовательно, максимальные значения средней квадратической по­грешности определения е (при S = 0) соответствуют 0етах = 2,3 % для диафрагм, Оетах = 1,2 % для сопел и труб Вентури, а минимальные (при S = 0,75) aemjn = 0,58 % и а^ = 0,3 % соответственно.

Далее, оа является средней квадратической погрешностью определе­ния диаметра отверстия сужающего устройства.

В соответствии с принятыми нормами максимальная допускаемая погрешность измерения диаметра сужающего устройства равна ±0,1 %

Тогда, приняв, как и в предыдущем случае, равновероятное распре­деление погрешностей в пределах допуска, получим а^ = 0,06 %.

Средняя квадратическая погрешность определения коэффициента расширения сужающего устройства ак обычно мала по сравнению с дру­гими составляющими (даже при Т = 723 К akf = 0,02 %), поэтому, как правило, ею можно пренебречь. Среднюю квадратическую погрешность измерения перепада давления определяют по формуле

V3    (Др)

 кл,

где (йр) ср — среднее расчетное значение перепада давления, обычно при­нимаемое равным 4/9 (Др)тах; Sjjj, — максимальная приведенная по­грешность дифманометра, определяемая его классом точности.

Формула также получена для условий равновероятного распределе­ния погрешностей в пределах допуска для однотипной совокупности дифманометров.

Для обычных эксплуатационных дифманометров при соблюдении требований к их установке и обслуживанию S^ = 1,0-1,5 % и для диф­манометров со вторичными приборами 5^ = 2,0—2,5 %. Следовательно, °Др колеблется в пределах от 1,3 до 3,2 %.

Средняя квадратическая погрешность ор
характеризуется погреш­ностью  расчетного   значения  плотности, взятого из соответствующих

справочных данных, изменением параметров, влияющих на плотность измеряемой среды, если отсутствуют корректирующие устройства, и не­точностью корректировочных поправок, если имеются корректирующие устройства. Для нормальных условий применения сужающих устройств Ор = 0,1—1,0 %. Нижнее значение (0,1 %) соответствует измерению чис­тых однофазных жидкостей, верхнее (1,0 %) — измерению расхода газов при незначительных колебаниях температуры и давления. При наличии устройств автоматической коррекции показаний дифманометров данная погрешность также будет лежать в пределах указанных граничных значе­ний (несколько уменьшится лишь верхняя граница).

Определим теперь возможные пределы изменения суммарной сред­ней квадратической погрешности измерения расхода с помощью расходо­меров переменного перепада давления.

В лучшем случае — при измерении расхода жидкостей (е = 1) и при отсутствии необходимости введения поправок на вязкость, шерохова­тость и острота кромки

7.1. Расходомеры переменного перепада давления. Принцип действия. Уравнения измеренийOq = \/0,252 + 4 • 0,062 + 1/4 • 1.302 + 1/4 • 0,102 ‘ = 0,75 %.

В наиболее неблагоприятных случаях (с учетом наибольших погреш­ностей всех поправочных коэффициентов) средняя квадратическая по­грешность измерения расхода может достигать 3,0—4 %.

Таким образом, максимальная погрешность измерения расхода (при доверительной вероятности 0,95) с помощью расходомеров переменного перепада давления при нормальных условиях эксплуатации колеблется в пределах от 1,5 до 8 %.

— Указанные пределы максимальных погрешностей измерений харак­терны для косвенных (расчетных) методов градуировки и поверки рас­ходомеров с нормализованными типами сужающих устройств. При инди­видуальной аттестации расходомеров совместно с подводящими участка­ми трубопроводов и применении дифманометров повышенной точности основная погрешность этих расходомеров может быть снижена до0,5—1%.

Для нормальной работы сужающих устройств необходимы достаточ­но длинные прямые участки трубопровода, так как любые местные со­противления (колена, угольники, конические встаЕки, вентили, задвиж­ки и т. п.), вызывая искажение эпюры скоростей по сечению потока, его закручивание и дополнительные пульсации, приводят к отклонению дей­ствительных значений коэффициентов расхода от табличных (исходных) и, как следствие, к появлению дополнительных неконтролируемых в процессе измерений погрешностей.

Наименьшие необходимые длины прямых участков h перед (по хо­ду потока) сужающим устройством при отборе давлений через кольце­вые камеры приведены на рис. 61 и 62. Если же давления отбирают через отдельные отверстия, то длина прямых участков должна быть увеличена вдвое по сравнению с длинами, указанными на этих рисунках.

Для местных сопротивлений, создающих винтовое движение потока, необходимая длина прямого участка может быть уменьшена за счет уста­новки в трубопроводе перед сужающим устройством (на расстоянии не

7.1. Расходомеры переменного перепада давления. Принцип действия. Уравнения измеренийго

Сопла, сопла и трубы Вентури

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ттяш

—-

 

 

 

 

 

 ЦБ т

ио

20

 

 

 

Диафрагмы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

/

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,2

 Q4

 0.6 т

7.1. Расходомеры переменного перепада давления. Принцип действия. Уравнения измерений

Рис. 61. Наименьшие допустимые длины прямых участков трубопро­вода от местных сопротивлений указанных видов до сужающего устройства

Рис. 62. Наименьшие допустимые Длины прямых участков трубопро­вода от местных сопротивлений, создающих винтообразное движе­ние потока, до сужающего уст­ройства

В 80

ВО

20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

J

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

/

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,2        Oft        0,6     m

менее 2D от него) специальных струевьшрямителей, представляющих собой либо мелкоячеистые сетки, либо набор трубок, перекрывающих все сечения трубопровода. При этом следует иметь в виду, что струе-направляющие аппараты вызывают дополнительные (и немалые) потери напора в трубопроводе и требуют тщательного ухода в связи с возмож­ностью засорения и износа.

Минимально допустимая длина прямого участка /г за сужающим устройством зависит от его относительной площади и равна 4D для т = 0,05 и 8£> для т = 0,7.

Существующие нормализованные сужающие устройства с унифици­рованными табличными значениями исходных коэффициентов расхода применимы лишь для диаметров трубопровода больших 50 мм. Расходо­меры переменного перепада на меньшие диаметры требуют индивидуаль­ной градуировки, и в этом случае пропадает возможность их косвенной расчетной аттестации по унифицированным табличным данным. Кроме того, существенно возрастают погрешности, связанные с шероховатостью трубопровода, так как уменьшение диаметра ведет к увеличению относи­тельной шероховатости. Поэтому расходомеры следует градуировать комплектно с эксплуатационными участками трубопровода.

Унифицированные табличные значения а„ и формулы для расчета е пригодны при измерении расхода однофазных (чистых) сред и квазиста­ционарных потоков. И хотя в практике сужающие устройства нередко используют для измерения расхода двухфазных сред (см. разд. 7.13) и измерения пульсирующих расходов (см. разд. 7.14) погрешности показа­ний расходомеров при этом (без их индивидуальной градуировки непо­средственно на месте эксплуатации) невозможно пронормировать и оце­нить.

Измерение расходов с помощью нормализованных сужающих уст­ройств в области малых чисел Рейнольдса (при малых диаметрах трубо­проводов, вязких жидкостях, значительно нагретых газах и других) практически невозможно из-за непостоянства коэффициентов расхода (при Re < Re^), а следовательно, и из-за невозможности нормирования и оценки реальной точности этих измерений. В практике для измерений расхода при малых числах Рейнольдса применяются некоторые модифи­цированные типы сужающих устройств, например, сопло с профилем „четверть круга", двойная диафрагма, сегментная диафрагма, сопло с профилем „полукруг" и т. п. Предельные числа Рейнольдса у этих сужаю­щих устройств получаются несколько меньшими, чем у нормальных. Од­нако данные устройства требуют индивидуальной градуировки, как пра­вило, непосредственно на месте эксплуатации, их погрешности в настоя­щее время не нормированы и применяют их в основном в качестве инди­каторов.

Таким образом, область нормального (с определенными и нормиро­ванными погрешностями измерений) применения расходомеров пере­менного перепада давления ограничена измерением стационарных расхо­дов однофазных жидкостей, сухого перегретого пара и сухих газов на трубопроводах диаметром более 50 мм с определенной длиной прямого

участка, при\значительных числах Рейнольдса (Re > Re,,,) и в тех случа­ях, когда допустимо изменение конфигурации потока.

Несмотря на эти ограничения и относительно малую точность, расхо­домеры переменного перепада получили преимущественное распростра­нение в отечественной расходоизмерительной практике. По-существу, они являются единственным типом стандартизованных расходоизмери-тельных устройств.

Они не требуют индивидуальной градуировки и аттестации, облада­ют унифицированными и взаимозаменяемыми элементами, применимы при значительных давлениях и температуре измеряемых сред. В случае необходимости изменения предела измерения в расходомере достаточно сменить сужающее устройство (изменить относительную площадь т), наиболее же сложная и дорогостоящая часть прибора — дифманометр — остается неизменной. Для этого следует лишь изменить предел измере­ния дифманометра или сменить его шкалу.

Простота и надежность сужающих устройств, определяемая при пра­вильной эксплуатации достаточно медленными процессами износа, кор­розии и „зарастания" их входного профиля, также способствовали ши­рокому распространению расходомеров переменного перепада.

И наконец, метрологические возможности (возможности повыше­ния точности) расходомеров этого типа на сегодняшний день далеко не исчерпаны. Как показали проведенные в последние годы исследования, установка перед сужающими устройствами специально спрофилирован­ных насадков (конфузоров и диффузоров), обеспечивающих равно­мерное (прямоугольное) распределение скоростей по сечению потока, правильно „спланированный" набор взаимокомпенсирующих возмуща­ющих факторов (например, отсутствие необходимой длины прямого участка может частично компенсироваться „закруткой" потока и т. п.) в некоторых случаях могут существенно повысить точность расходоме­ров переменного перепада давления.

Установка и обслуживание расходомеров переменного перепада дав­ления. Существенное влияние на правильность работы данных расходо­меров оказывает взаимное расположение сужающего устройства и диф­манометра, а также монтаж соединительных (импульсных) линий. По­этому для нормальной работы расходомеров при их монтаже необходи­мо выполнить ряд общих и частных (для различных случаев измерений) требований.

Так, импульсные линии к сужающему устройству при измерении рас­хода жидкостей в горизонтальном трубопроводе присоединяют в нижней части поперечного сечения трубопровода (ниже его горизонтальной оси); при измерении расхода пара — на горизонтальном диаметре поперечного сечения трубопровода; при измерении расхода газа — в верхней части се­чения трубопровода (выше его горизонтальной оси).

Дифманометр устанавливают по возможности ближе к сужающему устройству. Длина соединительных трубок при этом для достаточного сглаживания пульсаций давления должна быть не менее 3 м. Диаметр тру­бок выбирают из условий минимального динамического запаздывания по-

казаний дифманометра, обычно он раЕен 10—12 мм. Соединительные трубки монтируют или вертикально, или с уклоном 1:20 до 1:10. Мон­таж соединительных трубок должен обеспечить возможность их перио­дической очистки, для чего используют фланцевые или ниппельные со­единения.

При измерении расхода жидкости или пара дифманометр целесооб­разнее устанавливать ниже сужающего устройства, чтобы предотвратить попадание в него пузырьков воздуха. Если же по каким-либо причинам дифманометр монтируют выше сужающего устройства, то в соединитель­ных линиях устанавливают газосборники с кранами для выпуска возду­ха. В соединительных линиях (в наиболее низко расположенных точках) устанавливают также сосуды с кранами для слива отстоявшейся грязи и взвешенных частиц.

7.1. Расходомеры переменного перепада давления. Принцип действия. Уравнения измерений

При измерении расхода пара необходимо обеспечить одинаковый уровень конденсата в соединительных трубках. Для этого вблизи сужаю­щего устройства устанавливают уравнительные сосуды на такой высоте, чтобы конденсат мог накапливаться в них лишь до определенного уров­ня, а превысив его, стекал бы обратно в трубопровод. Тем самым устра­няют ошибку в показаниях дифманометра за счет разностей уровней конденсата в соеди­нительных линиях.

При измерении расхода газа дифманометр следует располагать выше сужающего устрой­ства для того, чтобы содержащаяся в газе влага не попадала в дифманометр. Если же его можно монтировать только ниже сужаю­щего устройства, то в наиболее низко рас­положенных точках соединительных линий устанавливают дренажные устройства.

ному вопросу

Качественное техническое и метрологичес­кое  состояние расходомеров обеспечивается комплексом   мероприятий   по   их   обслужи-Рис. 63. Схема к контроль- ванию, регламентируемым соответствующими

инструкциями и правилами.

Контрольный вопрос № 11

Проектировщиками был разработан оптимальный процесс измерения расхода на технологической линии.

Глядя на рис. 63, ответьте, какое сужающее устройство (сопло или диафрагму) было решено установить в трубопрово­де?

Если Вы решите, что сопло, загляните на с. 154, если — диа­фрагму, то см. с. 155.