Материал: Расходомеры и счетчики количества веществ. Расходомеры переменного перепада давления, расходомеры переменного уровня, тахометрические расходомеры и счетчики

давлений pi и Р2*Диаметр диска d меньше диаметра трубопрово­ да D, поэтому между ними образуется кольцевое отверстие шири­ ной (.D - d)/2 для прохода измеряемого вещества. Подобная ди­ афрагма менее чувствительна к деформациям потока, которые вызваны местными сопротивлениями, чем стандартные диафраг­ мы и сопла. Разновидностью кольцевой диафрагмы можно счи­ тать предложенное в Японии сужающее устройство, состоящее из расположенного по оси трубы полого стержня с полусферической головкой. Давление р\ отбирают на расстоянии 1,5П перед стер­ жнем, а давление Р2 — в точке перехода полусферы в цилиндр.

Для того чтобы избежать быстрого износа кромок сужающих устройств твердыми частицами в сильно загрязненных жидко­ стях, в Институте гидромеханики (г. Киев) предложено* изме­ рять перепад давления в конфузоре, перед которым располагает­ ся диффузор. Так, на трубе с D = 600 мм установлен диффузор с углом конусности 12°, выходной диаметр которого равен 800 мм. Затем расположена цилиндрическая часть длиной 100 мм и конфузор с углом конусности 24° и выходным диаметром 600 мм.

4.2. СУЖАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА С ПЕРЕМЕННЫМ ОТВЕРСТИЕМ

Сужающие устройства с переменной площадью переходного отверстия были предложены либо для компенсации изменения плотности газа, расход которого измеряется, либо для достиже­ ния желаемой (обычно линейной) зависимости между расходом вещества и измеряемым перепадом давления.

В первом случае исходят из уравнения

? ху1р = -Рол/рТ*

где F0 — площадь отверстия при плотности вещества рг, приня­ той при градуировке; Fx — площадь отверстия при имеющейся площади вещества р. / ___ _

Из предыдущего уравнения следует, что Fx = F^yjpT/ р, т. е. площадь отверстия надо изменять пропорционально р1/Г2, а для

газа — пропорционально <JT / р . Сужающее устройство, в кото­ ром это выполняется, показано на рис. 45. Оно состоит из диаф­ рагмы 1, площадь отверстия которой изменяется пропорциональ­

но при перемещении профилированного плунжера 2. Ось плунжера укреплена на крышке 4 у двух сильфонов 3, между которыми находится газ. Последний изменяет свой объем с из­ менением температуры Т и давления р окружающего газа; при

* Дименский К. В ., Федоров С. А . Коэффициент расхода дифманометрического расходомера с расширяющимся приемным устройством / / Гидромелиорация и гидротех. стр-во.— Львов: Вища ш к., 1977.— Вып. 5 .— С. 41— 44.

127

этом перемещается плунжер 2. Подобное устройство изготовлялось в США для измерения расхода ацетилена и кислорода до 27 т/ч при давлении до 6,3 МПа и при температуре от “ 45 до +260 °С.

Для получения линейной зависимости между расходом и из­ меряемым перепадом давления предложено устройство, показан­ ное на рис. 46. Оно состоит из профилированного плунжера 2, соединенного с пружиной 4, который воспринимает динамичес­ кое давление потока и перемещается внутри диафрагмы 3. Дав­ ления pi и Р2 отбираются через отверстия 1 и 5.

Для определения необходимого профиля плунжера имеем три уравнения: 1) расхода q = а/кЛ/2рДр, где /к — кольцевая площадь

отверстия диафрагмы; 2) требуемой линейной зависимости q * к Ар, где k — коэффициент пропорциональности; 3) равновесия плунжера, определяемого равенством давления потока на плун­ жер и реакции пружины ФпРик/п / 2 = сЛ, где vK ~ q/fK— ско­ рость потока в кольцевой площади /к; фп — коэффициент сопро­ тивления в стесненном потоке, учитывающий разницу давлений Pi и Р2 с обеих сторон плунжера; / п — наибольшая площадь по­ перечного сечения плунжера; с — коэффициент жесткости пру­ жины; h — перемещение плунжера.

Решая совместно эти три уравнения, получим зависимость

диафрагмы и плунжера соответственно, получим уравнение для определения радиуса плунжера гп в зависимости от Л:

Гп = Го - (kKh)1/2 / я.

128

Возможно также устройство, у которого гп = const, а перемен­ ным является гс сужающего устройства.

Второе достоинство расходомера с линейной зависимостью между q и h — большой диапазон измерения.

Американская фирма «Сервис Инструменте» (Cervase Instru­ ments) изготовляет преобразователь расхода, изображенный на рис. 46, для труб диаметром от 100 до 400 мм, используемых при давлении до 14 МПа и температуре до 500 °С. Погрешность уст­ ройства ±1 % . Для малых диаметров труб от 6 до 100 мм та же фирма разработала вариант устройства, в котором профилиро­ ванный плунжер неподвижен, а перемещается диафрагма, укреп­ ленная на упругом сильфоне [7]. Американская фирма «Алан Колхан Инжинерин* (Alan Colhan Engineering) выпускает сужа­ ющее устройство с переменной площадью прохода на основе тру­ бы Вентури [8].

Английская фирма «Sarco» выпускает расходомер «Gilflo* для пара, газа и жидкостей, основа которого — расходомер, подобный изображенному на рис. 46. Диапазон измерения расходов 1:100. Перепад давления при дтах равен 3,45 •104 Па (0,345 кгс/см2).

4.3.ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА

ВБОЛЬШОМ ДИАПАЗОНЕ ОТНОШЕНИЯ 9max/9min

Нередко возникает необходимость измерять расход, когда от­ ношение <7max/<7min превышает значение, равное трем-четырем, обус­ ловленное квадратической зависимостью между расходом и пе­ репадом.

Возможны различные способы решения этой задачи. Первый способ состоит в применении сужающих устройств с переменной площадью прохода. На рис. 46 показана диафрагма, проходное отверстие которой изменяется профилированным плунжером так, что между расходом и перепадом давления обеспечивается про­ порциональность. Это позволяет увеличить диапазон измерения <7max/<7min по крайней мере до десяти. Было предложено [12] так­ же применение поворотной лопасти для получения большого от-

ношения fcnax/tfmin-

Еще более значительной величины Ятьх/Ятт можно достичь путем автоматического перемещения в трубе задвижки с элект­ рическим [13], гидравлическим или пневматическим приводом. При соответствующей форме нижней кромки задвижки образу­ ется как бы сегментная диафрагма с переменной площадью про­ ходного отверстия. Но в таком устройстве измеряется уже не перепад давления, который обычно поддерживается постоянным, а высота перемещения задвижки.

Заметим, что для всех сужающих устройств с переменной пло­ щадью прохода требуется индивидуальная градуировка.

129

9 П. П. Кремлевский

Значительно чаще достигают увеличения отношения ?max/0min с помощью особых схем включения стандартных дифманометров. Основная из подобных схем состоит в подключении к одно­ му сужающему устройству двух дифманометров, причем предель­ ный перепад одного из них Дд^ах = где АРшах — пре­ дельный перепад второго дифманометра. При этом общий диа­ пазон измерения 9max/<7min = И> так как первый дифманометр измеряет расходы в пределах от 9 до 30 % gmax, а второй — в пределах от 30 до 100 % gmax. Сужающее устройство рассчитыва­ ют на <jrmax и на предельный перепад во втором дифманометре.

Известны случаи параллельного подключения к одному сужа­ ющему устройству даже трех дифманометров. Если дифманометры, например мембранные типа ДМ, хорошо выдерживают пере­ грузку, то их можно присоединять к сужающему устройству без автоматического переключающего устройства. Последнее обыч­ но состоит [11] из преобразователя, который при определенном перепаде давления включает небольшой исполнительный меха­ низм, переключающий клапан. При этом к сужающему устрой­ ству по очереди (в зависимости от расхода) подключается тот или другой дифманометр. Возможен вариант, когда дифманометр при большом перепаде давления все время подключен, а второй диф­ манометр подключается, когда расход уменьшается и становится равным 30 % .

Помимо рассмотренной выше схемы с одним сужающим ус­ тройством и двумя дифманометрами можно применять схему с одним дифманометром, подключаемым по очереди к двум су­ жающим устройствам, которые имеют различные площади про­ хода. Но в этом случае при последовательной установке сужаю­ щих устройств происходит дополнительная потеря давления и, кроме того, требуется дополнительный прямой участок трубо­ провода между ними. При параллельной же установке необхо­ димо делать разветвление трубопровода с достаточно длинными прямыми участками. В связи с этим такую схему применяют редко.

Другой возможный способ увеличения отношения <Zmax/9min состоит в создании особых конструкций дифманометров или со­ ответствующих измерительных схем.

Сравнительно просто этого можно достигнуть в дифманометрах компенсационного типа [9], а также в мембранных дифманометрах типа «Сапфир» с тензорезисторными преобразователями. Но и с помощью мембранных дифманометров ДМ, учитывая хо­ рошие упругие характеристики мембранных блоков, удалось [10] получить 9max/<7nun = 25 при погрешности измерения суммарного расхода ±1 % . Расходомер при этом состоит из двух дифмано­ метров ДМ на разные перепады давления, блока преобразования и масштабирования сигналов дифманометров в унифицирован­ ный выходной сигнал. Схема блока преобразования производит

130

избирательное переключение выходных сигналов дифманометров. Значительные возможности в увеличении отношения Qmax/Qmin возникают при применении цифровых измерительных приборов.

4.4.ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА

ПРИ СВЕРХКРИТИЧЕСКОМ ОТНОШЕНИИ ДАВЛЕНИЙ

При измерении расхода газа или пара в сужающем устрой­ стве соплового типа, имеющем достаточную длину горловины, при которой отсутствует дополнительное сужение потока (коэффици­ ент сужения 1), может быть получена в самом узком сечении сопла критическая скорость потока, равная скорости звука в дан­

ной среде, если отношение давленийр2/Р1 < гкр, гДе гкр = (Р1/Рг)кр — критическое отношение давлений до и после сопла.

При этом расход остается постоянным и не зависит от изме­ нения р2» если соблюдается условие Р2/Р1 ^ гкр.

Величина гкр зависит от показателя адиабаты х газа или пара

иот отношения d/D в соответствии [20] с уравнением

га - *)/* + [(х _ l)/2](d/D)4 гк|/х = (х + 1)/2.

Значения гкр в зависимости от d/D для различных х, получен­ ные по этому уравнению, приведены в табл. 23.

Формулу массового расхода (11) можно представить в виде

? m = ^ W 2PlP>

где А = абд/l - р2 / Р\ = const при р2 / р2 - гкр-

Таким образом, в этом случае вместо перепада давления из­ меряют лишь начальное статическое давление р\ на расстоянии D от входа в сопло.

Для газа предыдущая формула с учетом уравнения (21) при­ нимает вид

Ят = BFoPl / Ji\,

где

В = А^2рсТс / pck = const.

131

9*