Расходомеры переменного перепада давления

Наибольшее распространение из расходомеров переменного перепада давления получили расходомеры с сужающим устройством, работа которых основана на зависимости от расхода перепада давления, образующего на сужающем устройстве в результате частичного перехода потенциальной энергии в кинетическую.

Причиной широкого распространения таких расходомеров являются следующие их достоинства:
1. Универсальность применения. Они пригодны для измерения расхода, каких угодно однофазных, а в известной мере и двухфазных, сред при самых различных давлениях и температурах.
2. Удобство массового производства. Индивидуально изготовляется только преобразователь расхода - сужающее устройство. Все остальные части, в том числе дифманометр и вторичный прибор, могут изготавливаться серийно; их устройство не зависит ни от вида, ни от параметров измеряемой среды.

3. Отсутствие необходимости в образцовых установках для градуировки. Градуировочная характеристика стандартных сужающих устройств может быть определена расчётным путём.
Наряду с этим, расходомеры с сужающим устройством имеют недостатки, наиболее существенными из которых являются следующие:

1. Квадратичная зависимость между расходом и перепадом, что не позволяет измерять расход менее 30% максимального из-за высокой погрешности измерения и затрудняет использование этих приборов для измерения расходов, изменяющихся в широких пределах.

2. Ограниченная точность, причём погрешность измерения колеблется в широких пределах (1,5%-3%) в зависимости от состояния сужающего устройства, диаметра трубопровода, постоянства давления и температуры измеряемой среды.

Метод основан на том, что поток вещества, протекающего в трубопроводе, неразрывен и в месте установки сужающего устройства скорость его увеличивается. При этом происходит частичный переход потенциальной энергии давления в кинетическую энергию скорости, вследствие чего статическое давление перед местом сужения будет больше, чем за суженным сечением. Разность давлений до и после сужающего устройства - перепад давления - зависит от расхода протекающего вещества и может служить мерой расхода.

*Регламент работы сужающих устройств.

Основы измерения расхода газов и жидкостей стандартными сужающими устройствами и общие технические требования к расходомерным устройствам регламентируются Правилами РД 50-213-80. Согласно Правилам, расходомерное устройство состоит из расходомера (стандартного сужающего устройства, дифманометра, приборов для измерения параметров среды и соединительных линий) и прямых участков трубопроводов до и после сужающего устройства с местными сопротивлениями. В правилах приведены основные уравнения расхода; формулы для вычисления расхода, измеряемого всеми типами дифманометров; коэффициенты расхода диафрагм, сопел, сопел и труб Вентури; методики определения основных параметров потока измеряемой среды, погрешности измерения, расчёта среднего суточного расхода, требования к стандартным сужающим устройствам; к исполнению и монтажу прямых участков трубопровода, к дифманометрам и их установке; методики расчёта сужающего устройства и поверки расходомера.
Приведённые в правилах положения справедливы при соблюдении следующих условий измерения: характер движения потока в прямых участках трубопроводов до и после сужающего устройства должен быть турбулентным, стационарным; фазовое состояние потока не должно изменяться при его течении через сужающее устройство (жидкость не испаряется, растворённые в жидкости газы не выделяются, исключается конденсация водяного пара из газов с последующим выпадением жидкой фазы в трубопроводе вблизи сужающего устройства); во внутренней полости прямых участков трубопроводов до и после сужающего устройства не скапливаются осадки в виде пыли, песка, металлических предметов и других видов загрязнения; на поверхностях сужающего устройства не образуются отложения, изменяющие его конструктивные параметры; пар является перегретым, при этом для него справедливы все положения, касающиеся измерения расхода газа; при измерении расхода газа отношение абсолютных давлений на выходе и входе сужающего устройства больше или равно 0,75.

К стандартным (нормализованным) сужающим устройствам относятся диафрагма, сопла, и трубы Вентури, удовлетворяющие требованиям Правил и применяющиеся без индивидуальной градуировки (В процессе проектирования при выборе стандартных сужающих устройств не нужно производить полный расчет, так как его выполняет завод изготовитель по данным опросного листа, заполняемого заказчиком. В связи с этим в проекте делают только приближенные расчеты в целях выбора типа сужающего устройства, проверки величины потери давления в этом устройстве и определения требуемых длин прямых участков трубопровода до и после сужающего устройства, а также выбора типа и пределов показаний дифманометра) в комплекте со стандартным дифманометром. При измерении расхода газов и жидкостей допускается применять как угловой, так и фланцевый способы отбора перепада давления на диафрагмах и угловой способ отбора на соплах, на соплах и трубах Вентури. Перепад давления при угловом способе отбора измеряют как разность между статическими давлениями, взятыми непосредственно у плоскостей сужающего устройства в углах, образуемых последними со стенкой трубопровода. При угловом способе отбора перепад давления измеряется через отдельные цилиндрические отверстия или через две кольцевые камеры, каждая из которых соединена с внутренней полостью трубопровода кольцевой щелью (сплошной или прерывистой) или группой равномерно распределенных по окружности отверстий. При применении отдельных отверстий наилучшие результаты обеспечивает установка устройств в обойму. Кольцевая камера выполняется либо непосредственно в "теле" сужающего устройства, либо в каждом из фланцев, либо в специальной промежуточной детали - корпусе. При малых давлениях и большом диаметре трубопровода кольцевая камера может быть образована также полостью трубки, согнутой вокруг трубопровода в кольцо или прямоугольник. Сужающие устройства с кольцевыми камерами более удобны в эксплуатации, особенно при наличии местных возмущений потока, так как кольцевые камеры обеспечивают выравнивание давления по окружности трубы, что позволяет более точно измерять перепад давления при сокращенных прямых участках трубопровода. При фланцевом способе отбора перепад давления измеряют через отдельные цилиндрические отверстия, расположенные на одинаковом расстоянии до плоскостей диафрагмы. Оси отверстий для отбора давления до и после сужающего устройства могут находиться в разных меридиональных плоскостях. На одном сужающем устройстве можно использовать два и более дифманометров с различным сочетанием шкал.

При установке сужающих устройств необходимо соблюдать ряд условий, существенно влияющих на погрешности измерения.

Сужающие устройства должны располагаться перпендикулярно оси трубопровода, не перпендикулярность не должна превышать 1°. Ось сужающего устройства должна совпадать с осью трубопровода, смещение не должно превышать 0,005D20. следует обеспечивать установившееся течение потока перед входом в сужающее устройство и после него, для чего необходимо наличие прямых участков трубопровода определенной длины до и после сужающего устройства. Длина этих участков должна быть такой, чтобы искажения потока, вносимые потоками, вентилями, тройниками и т.д., смогли сгладиться до подхода потока к сужающему устройству. Искажения потока перед сужающим устройством значительно сильней влияют на погрешность измерения, чем искажения за сужающим устройством, поэтому задвижки и вентили, особенно регулирующие, рекомендуется устанавливать после сужающих устройств.

Длина прямого участка перед сужающим устройством зависит от относительной площади m сужающего устройства, диаметра трубопровода и вида местного сопротивления, расположенного до прямого участка. Длина прямого участка после сужающего устройства зависит только от числа m.

Стандартные сужающие устройства.

При выборе сужающего устройства необходимо руководствоваться следующими соображениями. Потеря давления в сужающих устройствах увеличивается в следующей последовательности: труба Вентури, длинное сопло Вентури, короткое сопло Вентури, сопло, диафрагма; при одних и тех же значениях m и P и прочих равных условиях сопло позволяет измерять больший расход, чем диафрагма, и обеспечивает более высокую точность измерения по сравнению с диафрагмой (особенно при малых значениях m); изменение или загрязнение входного профиля сужающего устройства в процессе эксплуатации влияет на коэффициент расхода диафрагмы в большей степени, чем на коэффициент расхода сопла; первое место среди сужающих устройств по стоимости, простоте изготовления и монтажа занимают диафрагмы.
Стандартная диафрагма. Для диафрагм с угловым способом отбора перепада давления допустимые диапазоны значений диаметров трубопроводов D и относительных площадей сужающих устройств m должны находится в пределах 50 мм < D <1000 мм; 0,05 < m <0,64 (для трубопроводов диаметром D >1000 мм рекомендуется принимать расчетные значения, соответствуют D = 1000 мм). Для диафрагм с фланцевым способом отбора перепада давления эти величины должны находиться в пределах 50 мм < D < 760 мм; 0,04 < m < 0,56. Диаметр отверстия диафрагм независимо от способа отбора перепада давления d >12,5 мм. Бескамерные диафрагмы на Py до 32 МПа изготовляются по ГОСТ 14322-77, а камерные диафрагмы на Py до 10 МПа - по ГОСТ 14321-73.

Рис. 5. Диафрагма; d20 - внутренний диаметр диафрагмы, D20 внутренний диаметр трубопровода

Диафрагма (рис.5) представляет собой тонкий диск 3 с круглым отверстием, ось которого располагается по оси трубы. Передняя (входная) часть отверстия имеет цилиндрическую форму, а затем переходит в коническое расширение. Передняя кромка должна быть прямоугольной (острой) без закруглений и заусениц. На рисунке приняты следующие обозначения: D20 - внутренний диаметр трубопровода перед сужающим устройством. На рисунке 9 показан внешний вид диафрагмы в разрезе.

Выше оси показано измерение перепада давления через кольцевые камеры 1, ниже оси - через отдельные отверстия 2. Толщина диска диафрагмы не должна превышать 0,05D20.

*Комплектация диафрагм.

По требованию заказчика для измерения избыточного давления в полюсовой камере диафрагмы может быть изготовлено отверстие диаметром 6мм. Расположение отверстия указывает заказчик либо принимают под углом 45° к любому отверстию для отбора перепада давления.
Диафрагмы с одной парой отбора перепада давления комплектуют запорными вентилями и ниппелями, а также приваренными импульсными трубками соединений 1-4, когда измеряемая среда - жидкость при температуре до 120°С или газ; уравнительными конденсационными сосудами для соединений 5-9, когда измеряемая среда- водяной пар; уравнительными сосудами для соединений 10-13, когда измеряемая среда - жидкость при температуре свыше 120°С.

Диафрагмы с несколькими парами отборов комплектуются уравнительными конденсационными сосудами или уравнительными сосудами без импульсных трубок на основании данных опросного листа. Количество поставляемых пар сосудов соответствует числу дифманометров, комплектуемых с диафрагмой.

В обозначении камерной диафрагмы указывается условное давление, проход трубопровода, исполнение посадочных мест, материал корпусов камер и диска, номер соединения с импульсными трубками или сосудами и ГОСТ. Ниже приведен пример обозначения камерной диафрагмы со следующими данными: условное давление 0,6 МПа; условный проход 50мм; исполнение II; материал корпусов камер - сталь 20, материал диска - сталь 12Х17; диафрагма образует с приваренными импульсными трубками соединение 2.

Диафрагма ДК 0,6-50-II-а/г-2 ГОСТ 14321 - 73*.В обозначении бескамерной диафрагмы указываются условное давление, условный проход, материал диска ГОСТ. Пример условного обозначения бескамерной диафрагмы на условное давление 0,6 МПа для трубопроводов с условным проходом 500мм; материал диска - сталь марки 12Х17: Диафрагма ДБ 0,6-500-г ГОСТ 14322 - 77*:

При измерении расхода загрязнённых жидкостей и особенно газов у стандартной диафрагмы, установленной на горизонтальной трубе, могут образовываться отложения. Во избежание этого применяют сегментные и эксцентричные диафрагмы. Сегментные диафрагмы представляют собой кольцо, в которое вварен диск с вырезанным в его нижней части сегментом или сектором. Кольцо зажимается между фланцами трубопровода. Кромка диафрагмы со стороны потока должна быть острой. Отверстия сегментной и эксцентричной диафрагм располагают в нижней части сечения трубы, а выводы импульсных трубок - в верхней части трубопровода вне пределов отверстия. Они могут применяться для измерений расхода жидкостей, из которых выделяются газы; в этом случае отверстия истечения располагают вверху. Сегментные диафрагмы могут устанавливаться на трубопроводах диаметром от 50 до 1000 мм. Значение Remin 5000 - 40000 при m от 0,1 до 0,5.

При измерении малых расходов, перепад давления на диафрагме может быть не достаточен для организации измерения. В таких случаях возможен вариант с установкой двух диафрагм с разным диметром и отбором разницы давлений до первой и после второй.

Сопла. В случае измерения расхода газа, сопла могут устанавливаться на трубопроводе диаметром не менее 50 мм, в случае измерения расхода жидкости - не менее 30 мм. Относительная площадь сужающего устройства должна быть в пределах 0,05 < m <0,64, а диаметр отверстия сопла d>15 мм. Схематичное изображение сопла дано на рис. 11. На рисунке вверху показан отбор статических давлений через кольцевые камеры, внизу - через отдельные отверстия. На рисунке 6 показан внешний вид сопла в разрезе.

Рис.6. Сопло

Профиль входной части сопла образуется двумя дугами окружности, из которых одна касается торцевой поверхности сопла со стороны входа, а другая - цилиндрической поверхности отверстия. Сопряжение обеих дуг происходит практически без излома. На рисунке приведено сопло для m<0.444, сопло для m > 0,444 отличается конфигурацией профильной части.
Сопло Вентури устанавливают на трубопроводах диаметром от 65 до 500 мм, при этом относительная площадь сужающего устройства должна находиться в пределах 0,05<m<0,60, диаметр отверстия сопла d >15мм.

Сопло Вентури состоит из профильной входной части, цилиндрической средней части (горловины) и выходного конуса. Профильная часть выполняется так же, как у нормального сопла для соответствующих значений m. Цилиндрическое отверстие должно переходить в конус без радиусного сопряжения. Сопло Вентури может быть длинным или коротким. У первого наибольший диаметр выходного конуса равен диаметру трубопровода, у второго он меньше диаметра трубопровода. Перепад давления следует измерять через кольцевые камеры. Заднюю (минусовую) камеру соединяют с цилиндрической частью сопла Вентури с помощью радиальных отверстий.

Выпускаются сопла Вентури на давление 1,6 МПа и условные диаметры 1000 и 1200 мм. Эти сопла изготовляют двух типоразмеров на каждый условный диаметр в зависимости от величины модуля m. Модуль - отношение площадей прохода горловины сужающего устройства и трубопровода, который равен 0,2 (СВ1-1000-02 и СВ1-1200-02) или (СВ1-1000-04 и СВ1-1200-04). Для измерения расхода сточной жидкости следует применять сопла Вентури с малыми сужениями (m>0,4), так как в торцевых частях сопел с большим сужением могут скапливаться отложения взвешенных частиц.

Труба Вентури (рис. 7) устанавливается в трубопроводах диаметром от 50 до 1400 мм, при этом относительная площадь сужающего устройства должна находиться в пределах 0,10<m<0,60.Труба Вентури состоит из входного патрубка 1,входного конуса 4, горловины 5 и диффузора 6.

Рис.7. Труба Вентури

Во входном конусе и горловине выполнены кольцевые усредняющие камеры 2. Они сообщаются с внутренними полостями входного конуса и горловины с помощью нескольких отверстий 3, которые при наличии в измеряемой жидкости взвешенных частиц прочищают с помощью специальных приспособлений. В нижней части кольцевых камер устанавливают пробковые краны для спуска жидкости. Труба Вентури называется длинной (Рис.14-1), если наибольший диаметр выходного конуса равен диаметру трубопровода, или короткой (Рис 14-2), если указанный диаметр меньше диаметра трубопровода.

Измерение расходов, имеющих большое отношение Qmax/Qmin. Вследствие квадратичной зависимости между расходом и перепадом, расходомеры с сужающими устройствами могут измерять только расходы, у которых отношение максимального и минимального значений не превышает 3-4. При необходимости с помощью сужающих устройств можно измерять расходы, у которых диапазон измерения выходит за указанные пределы, в этом случае применяют или два сужающих устройства с отверстиями разной площади с подключением одного дифманометра, или одно сужающее устройство, к которому подключены два дифманометра на различные пределы измерения.

Применение двух сужающих устройств возможно путём параллельной или последовательной их установки. Оба эти способа имеют существенные недостатки, так как параллельная установка сужающих устройств требует достаточно длинного разветвления трубопровода, чтобы выдержать необходимые прямые участки, а последовательная связана с дополнительной потерей давления и прямым дополнительным участком между устройствами. При установке двух сужающих устройств должно быть предусмотрено переключение дифманометра (желательно автоматическое) с одного сужающего устройства на другое в зависимости от расхода.

В случае если используются два дифманометра с одним сужающим устройством, то предельный перепад одного из них принимается равным 0,09 от предельного перепада другого. При этом первый дифманометр измеряет расходы в пределах от 9 до 30% Qmax, а второй - в пределах 30-100% Qmax. Отношение максимального и минимального значений расходов равно 11. Сужающее устройство рассчитывается на Qmax и предельный перепад второго дифманометра. Дифманометры могут подключаться к сужающему устройству двумя способами: 1) поочерёдно в зависимости от расхода; 2) дифманометр на больший перепад подключен постоянно, второй дифманометр подключается при падении расхода до 30% от максимального. Каждый из вариантов можно реализовать путем автоматического переключения.

Дата добавления: 2015-08-13