Проблема измерения расхода в трубопроводах больших диаметров (свыше 1 м) является самостоятельной расходоизмерительной пробле­мой, которая решается своим специфическим путем. Это обусловлива­ется тем, что использование для этих целей расходомеров, реализующих традиционные методы (описанные в предыдущей главе), требует колос­сальных затрат как на создание самих приборов, так и на создание средств их индивидуальной градуировки и поверки, которые в настоящее время практически полностью отсутствуют.

Последнее обстоятельство и определяет, в основном, те специфичес­кие требования, которые предъявляются к методам и средствам изме­рения расхода в трубопроводах больших диаметров:

возможность косвенной (расчетной) градуировки без применения расходомерных стендов и установок;

инвариантность (независимость) градуировочных характеристик к диаметру трубопровода или возможность их пересчета с малых диамет­ров (для которых имеются образцовые установки) на сколь угодно большие.

Контрольный вопрос № 15

При некоторых режимах работы сечение технологического трубопровода диаметром 100 мм лишь частично заполняется те­кущей жидкостью (трубопровод в месте установки расходоме­ра „работает" неполным сечением).

Какой из известных Вам типов расходомеров Вы бы вы­брали для измерений при этих условиях?

Ответ на этот общий по гл. 7 вопрос дан в конце гл. 8.

К контрольному вопросу № 14

Вы правильно ответили на вопрос.

Действительно, показания ультразвуковых расходомеров зависят от распределения скоростей по сечению потока, кото­рое в свою очередь зависит от числа Рейнольдса и, следователь­но, от вязкости. В то же время, как следует из принципа дейст­вия и рабочего уравнения ЯМР-расходомеров, изменения вяз­кости измеряемой среды не влииют на их показания.

Парциальный метод измерения расхода основан на измерении расхо­да определенной части основного потока,1
отведенной в байпасную или обводную трубку.

Часть потока отводится обычно при помощи сужающего устройства, установленного в трубопроводе так, как это показано на рис. 82.

Для измерения расхода в байпасной трубке можно применять любой из рассмотренных в гл. 7 расходомеров.

 

Рис.  82. Схема осуществления парциального

метода измерения расхода:

1  —  байпасяая трубка;   2 — расходомер;   3 — диафрагма, установленная в основном трубо­проводе

Если между расходом Q в основном трубопроводе и расходом q в байпасе существует стабильная функциональная зависимость Q =/(#), то по результатам измерения q в каждом конкретном случае можно оп­ределить Q. Для этого необходимо лишь определить зависимость между Q и q при непосредственной (в ограниченной области) или расчетной гра­дуировке (например, по соотношению сопротивлений основного и бай-пасного трубопроводов).

Погрешность измерения расхода парциальным методом будет скла­дываться из погрешностей установления и стабильности зависимости Q =f(q) и измерения расхода в байпасе.

Измерение расхода методом гидравлического удара. Гидравлический удар, возникающий при быстром перекрытии потока капельной жидкос­ти (за счет инерционного воздействия внезапно остановленной массы жидкости), вызывает колебания давления в трубопроводе, фронт кото­рых распространяется со скоростью звука. Процесс изменения давления в сечении трубопровода, находящемся на расстоянии L перед перекрыва­ющей поток задвижкой, графически изображен на рис. 83, на котором

Ри

Рис. 83. График изменения давления в трубопроводе при гид­равлическом ударе

Ро — начальное статическое давление в контрольном сечении; рк — ко­нечное статическое давление в том же сечении. Точка А соответствует на­чалу перекрытия потока задвижкой, точка В — окончанию.. Затухающие колебания после закрытия задвижки (по истечении времени ДО харак­теризуют лишь инерционные свойства прибора, примененного для записи изменений давления.

Линия АС характеризует изменение давления, связанное с изменени­ем гидравлического сопротивления задвижки при перемещении ее затво­ра, а линия АВ — изменение давления вследствие гидравлического удара.

Закон количества движения при гидравлическом ударе имеет вид

pLQ = F f&pdt,                        (7.48)

At                              °

где   J Ар dt — импульс ударной волны, равный площади/д диаграммы

о

изменения давления (см. рис. 83), ограниченной линиями АВ и AC; F — площадь сечения трубопровода.

Откуда искомый объемный расход

 (7-49)

рь

Таким образом, планиметрируя диаграмму изменения давления, из­мерив предварительно диаметр трубопровода (а, следовательно, и F), длину контрольного участка!, и плотность протекающей среды, по выра­жению (7.49) можно рассчитать объемный расход.

Данный метод применяют при испытаниях гидравлических машин и насосов, т. е. в тех случаях, когда расход можно измерять после воспро­изведения (а не в процессе испытаний) определенных режимов испы­таний.

Измерение расхода с помощью интегрирующей трубки. Интегриру­ющая трубка представляет собой цилиндрический зонд, полностью пере­секающий поток по диаметру водовода. По образующей трубки просвер­лен ряд отверстий для отбора давления набегающего потока.

Статическая характеристика интегрирующей трубки имеет вид

<2 = ¥><о\/ ~- Ар,                   (7.50)

где Ар — перепад давлений, отбираемых в конце интегрирующей трубки и со стенок водовода; >fi — коэффициент расхода трубки; со — площадь сечения отверстий.

Автомодельность коэффициента расхода ip для трубок с отношением толщины стенки к диаметру отверстия, равным 0,33, наступает при чис­лах Рейнольдса, больших 1(г. Значение у при этом устойчиво стремится к единице. ‘

В этих условиях возможность расчетной градуировки интегрирую-

щих трубок обусловливается соответствием величины V — &Р  сРеД-

р

ней скорости потока. ‘

Однако влияние температуры измеряемой среды, пульсаций давле­ния и расхода, трудности технологического порядка не позволяют на се­годняшний день получить погрешности измерения расхода интегрирую­щими трубками, меньшие 6—8 %. Кроме того, область применения дан-

ных устройств ограничивается измерением расхода чистых однофазных веществ.

Методы смешения. Принцип измерений,ллежаший в основе этих мето­дов, заключается в следующем. В протекающее по трубопроводу вещест­во вводят раствор реагента („прививку") и определяют кратность раз­бавления этого реагента в потоке вещества.

Уравнение баланса реагента, вводимого в поток, имеет вид

qC1+QC0 = (Q + q)C2,               (7.51)

где q — расход раствора реагента, вводимого в поток; С0,С1,С2— кон­центрации реагента соответственно в среде до „прививки" в растворе реагента и в смеси, отбираемой из потока после „прививки".

В соответствии с выражением (7.51) уравнение измерений данным методом будет

Q=   CJ~C*     q=Kq,                   (7.52)

С    — С       

где/if = ——— коэффициент разбавления.

С г — Со

Если в самом измеряемом веществе не содержится примесей вводи­мого реагента или они ничтожно (по сравнению с С2) малы, то К = = Q/C2-L

Расход q может быть измерен с достаточно высокой точностью, чего нельзя сказать о точности измерения величины К. Действительно, если концентрация реагента (С2) в отбираемом из потока пробе ненамного превышает его концентрацию в „чистой" среде (Со), а именно к этому и стремятся при реализации метода, то даже незначительные погрешности измерений С2
и Со приведут к существенно недостоверной оценке вели­чины К.

Другой разновидностью методов смешения является метод интегри­рования, заключающийся в том, что в поток вещества за малый проме­жуток времени вводят определенную объемную порцию V раствора реа­гента и непрерывно (в течение времени t) следят за изменением концен­трации С реагента в потоке.

Уравнение этого метода, полученное на основе баланса объемных ко­личеств реагента, имеет вид

С=—у— •                              (7-53)

/ Cdt

«

Методы смешения используют в настоящее время исключительно для измерения расхода воды в цилиндрических водоводах. В качестве реагентов в растворах.с концентрацией 10~4—10 мг/д применяют дихро­мат натрия, хлорид натрия, родамин и другие химически пассивные к во­де вещества (в основном, соли). Применяют и радиоактивные „привив­ки", например, изотопы брома, натрия, йода. Использование радиоактив­ных реагентов позволяет осуществить бесконтактные измерения, однако требует обеспечения специальныхусловий работы.

.. Основным источником погрешности определения расхода методами смешения является .неравномерность распределения: концентрации вво­димого реагента по сечению, в котором отбирают пробы. Относительная неравномерность распределения концентрации, а следовательно, и вызы­ваемая ею погрешность, зависит от расстояния Lc между устройствами для ввода раствора реагента в поток и отбора проб (расстояния смеше­ния), а также характеристик потока. Для обеспечения приемлемых (меньших 1,5 %) значений погрешности Lc должно быть большим 6QD (D — диаметр трубопровода).

Предложено несколько способов уменьшения неравномерности рас­пределения концентрации и сокращения- Lc. Например, одновременное впрыскивание, раствора реагента с помощью ряда инжекторов, равно­мерно расположенных на кольцевой линии, радиус которой составляет 0,63 радиуса трубопровода; искусственная турбулизация потока на участке смешения с помощью различных местных сопротивлений; отбор проб в нескольких точках сечения потока и определение осредненной концентрации. Особенно эффективен последний способ.

При соблюдении оптимальных условий погрешность измерения рас­хода методами смешения (без учета влияния турбулентности, изменений температуры, наличия примесей и т. п.), по-видимому, может быть оце­нена в 13—2,5 % верхнего предела измерений. Однако достоверных дан­ных на этот счет до настоящего времени не имеется.

Основным достоинством методов смешения является отсутствие не­обходимости определения площади сечения трубопровода.

„Точечные" методы основаны на измерении локальной скорости в одной какой-либо точке потока и определении расхода по теоретической или эмпирической зависимости между измеренной локальной и средней скоростями потока.

Локальную (местную) скорость можно измерять различными мето­дами (оптическими, акустическими, тепловыми) и приборами (трубки скоростного напора, микровертушки, термоанемометры, электромагнит­ные измерители скорости и др.).

По существу, если известна модель развитого турбулентного потока, с достаточной точностью описывающая распределение его скоростей, то локальную скорость при реализации „точечного" метода можно измерять в любой фиксированной точке потока. Однако отсутствие такой (метро­логически пригодной) модели обусловило практическое использование на сегодняшний день лишь двух модификаций „точечного" метода — ме­тода средней скорости и метода максимальной скорости.

К контрольному вопросу № 14

Вы неправильно ответили на вопрос.

Разберитесь как следует в физических принципах, лежащих в основе ультразвуковых и ЯМР-расходомеров- Ведь вполне воз­можно, что в своей практической деятельности Вам придется столкнуться с этими новыми достаточно универсальными расхо-•    доизмерительными устройствами.

Суть первого метода заключается в измерении локальной скорости в точке, где скорость равна средней скорости потока. Тогда по результа­там предварительных измерений диаметра трубопровода и показаниям измерителя местной скорости (ИМС) можно определить расход.

По уточненным данным А.Д. Альтшуля ордината точки, где скорость равна средней скорости развитого осесимметричного турбулентного по­тока

/•о = 0,777/?,                       (7.54)

где/? — радиус трубопровода в месте установки ИМС.

Соотношение (7.54) и положено в основу метода средней скорости.

Погрешности измерений г0, установки ИМС, изменение местополо­жения точки средней скорости при изменении чисел Рейнольдса, коэффи­циента гидравлического трения, турбулентные пульсации — все это обус­ловливает погрешность измерения данным методом, равную 4—6 % верх­него предела измерений.

Второй метод — метод максимальной скорости заключается в изме­рении скорости на оси трубопровода (максимальной) и определении расхода по уточненным соотношениям между максимальной и средней скоростями потока.

Достоинствами второго метода являются: стабильность ординаты точки (всегда жестко фиксирована на геометрической оси осесимметрич­ного потока), в которой скорость максимальна; независимость ордина­ты от чисел Рейнольдса и характеристик потока; наибольшая удален­ность места установки ИМС от стенок трубопровода, что существенно снижает требования к его габаритным размерам. Так, при установке ИМС в точке средней скорости наибольшая площадь сечения ИМС не дол­жна превышать 0,01 площади сечения трубопровода, при установке же ИМС на оси трубопровода отношение площадей может быть увеличено до 0,06.

Использование наиболее универсального соотношения между сред­ней и максимальной скоростями развитого осесимметричного турбулент­ного потока дает следующее рабочее уравнение измерений расхода ме­тодом максимальной скорости

Q = ttR2S (0,75 + 0,0275 lg -^-)   (7.55)

(S — показания ИМС, установленного на оси трубопровода радиусом Л) и позволяет оценить погрешность метода в 3—5 % верхнего предела из­мерений.

Суть кросс-корреляциоиного метода заключается в определении функции корреляции между случайными пульсациями скорости в двух точках (А и В) турбулентного потока, отстоящими друг от друга на рас­стояние L.

Так как функция корреляции случайных величин характеризует сте­пень их связи и степень их взаимообусловленности во времени, то оче­видно, что максимум ее будет соответствовать времени перемещения

турбулентных возмущений из точки А в точку В (так как степень вре­менной взаимообусловленности тех же самых пульсаций, естественно, максимальна).

Полученный вывод справедлив и для осредненных по сечению пото­ка пульсационных составляющих скоростей.

Таким образом, зафиксировав пульсационные составляющие скорос­тей в двух сечениях потока, отстоящих друг от друга на расстояние L, определив (с помощью специального прибора — коррелографа) функ­цию корреляции между ними и измерив (автоматически или непосред­ственно по рис. 84) значение времени тт, соответствующее максиму­му (пику) этой функции фхут, можно определить расход потока по формуле

Тт

(7.56)

Сам метод прост, однако его аппаратурная реализация, требующая наличия ультразвуковых или лазерных измерителей пульсационных составляющих скоростей, коррелографа и устройств автоматической ре­гистрации тт довольно сложна.

При компенсации наиболее существенных методических и аппара­турных погрешностей точность метода соответствует приведенной по­грешности ±(2—2,5) % в диапазоне значений измеряемых расходов 15:1.

Рис. 84. Кросс-корреляционная функция турбулентного потока

К контрольному вопросу № 15

Сравните уравнения измерений расходомеров, описанных в гл. 2, и убедитесь, что единственно пригодными для этих ус­ловий измерений являются гироскопические или кориолисовы расходомеры.