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

1. Расходомеры с сужающими устройствами СУ основаны на измерении перепада давления, возникающего в результате преоб­ разования в СУ части потенциальной энергии в кинетическую. Разновидности СУ показаны на рис. 1, а—т; стандартные диаф­ рагмы — на рис. 1, а и б; стандартные сопла — на рис. 1, в; сегмент­ ная диафрагма — на рис. 1, г; эксцентричная диафрагма — на рис. 1, д; кольцевая диафрагма — на рис. 1, е. Далее на рис. 1>ж- н показаны СУ для малых чисел Рейнольдса: двойная на рис. 1, ж; с входным конусом на рис. 1, з; с двойным конусом на рис. 1,

Рис. 1. Первичные преобразователи расходомеров переменного перепада дав­ ления

12

и; сопло полукруга на рис. 1, к; сопло четверть круга на рис. 1, л; комбинированное сопло на рис. 1, м; цилиндрическое сопло на рис. 1, н. На рис. 1, о показана диафрагма с переменной площа­ дью отверстия для автокомпенсации влияния изменения давле­ ния и температуры. Сопло Вентури показано на рис. 1, я, труба Вентури — на рис. 1 ,р, труба Далла — на рис. 1, с и двойное сопло Вентури — на рис. 1, т. Расходомеры с СУ имеют широчайшее применение для измерения расхода жидкости, газа и пара.

2.Расходомеры с гидравлическим сопротивлением основаны на измерении перепада давления, создаваемого этим сопротивле­ нием. Режим потока в нем стремятся создать ламинарным, с тем чтобы перепад давления был пропорциональным расходу. Применяются редко, преимущественно для измерения малых рас­ ходов. В качестве преобразователя могут служить капиллярная трубка (реометр) или пакет таких трубок, показанный на рис. 1,

у. Другой тип преобразователя для больших расходов с шарико­ вой набивкой (рис. 1, ф).

3.Центробежные расходомеры основаны на зависимости рас­

хода от перепада давления, образующегося в закругленном эле­ менте трубки под действием центробежных сил в потоке. Преоб­ разователем расхода чаще всего служат колено (рис. 1, х) или реже кольцевой участок трубы (рис. 1. ц).

4. Расходомеры с напорным устройством основаны на возни­ кающем в нем перепаде давления в зависимости от расхода в результате перехода кинетической энергии части потока в потен­ циальную. Классический преобразователь этого расходомера — трубка Пито для отбора полного напора в сочетании с трубкой для отбора статического давления. На рис, 1, ч показаны эти трубки в раздельном исполнении, а на рис. 1, ш — в комбинированном — дифференциальная трубка Пито. Эти преобразователи создают перепад давления в зависимости от местной скорости. Наряду с ними предложены преобразователи с осредняющими напорными трубками по диаметру (рис. 1, щ) или по радиусу, а при сильно деформированных потоках — по двум диаметрам. Кроме того, предложены кольцевая вставка (рис. 1, э) для усреднения давления по кольцевой площади и напорное поворотное крыло (рис. 1, ю) с двумя отверстиями, ориентированными различным образом к потоку. Возможность изменения угла установки крыла (обычно в пределах 45-90°) позволяет применять его при разных скорос­ тях потока. За исключением двух последних примеров напор­ ные устройства находят широкое применение.

5. Расходомеры с напорным усилителем имеют преобразова­ тель расхода, в котором сочетаются напорное и сужающее уст­ ройства. Перепад давления создается в результате как местного перехода кинетической энергии потока, так и частичного перехо­ да потенциальной энергии в кинетическую. На рис. 1, я показана комбинация диафрагмы с трубкой Пито. На рис. 1, а — сочетание трубки Пито с трубкой Вентури, а на рис. 1, (3 — сдвоенная трубка

13

Вентури. Напорные усилители применяют при небольших ско­ ростях газовых потоков, когда перепад давления, создаваемый одной дифференциальной трубкой Пито, очень мал.

6. Расходомеры ударно-струйные основаны на зависимости расхода от перепада давления, возникающего при ударе струи. Струя, вытекающая из суженных отверстий трубки, создает дав­ ление pi во внутренней полости сильфона, снаружи которого име­ ется меньшее давление р2>равное давлению уходящей жидкости. Эти приборы применяют лишь для изменения малых расходов жидкости и газа. (Подробно об этом см. в главе «Измерение ма­ лых расходов».)

Наряду с рассмотренными существуют и предложены другие разновидности приборов, в которых расход определяется по пере­ паду давления, создаваемому преобразователем расхода. Но вслед­ ствие специфичности их принципа действия или области примене­ ния они рассматриваются в других главах: перепадно-силовые — в главе «Силовые расходомеры», а гидравлические и газовые мо­ сты, а также реометры — в главе «Измерение малых расходов».

Кроме того, имеется предложение измерять расход жидкости, обладающей парамагнитными свойствами, создавая с помощью магнитного поля (кольцевой магнит снаружи трубы или солено­ ид, питаемый током) и пондеромоторной силы неподвижный ме­ стный кольцевой слой жидкости, прилегающей к трубе, который выполняет роль сужающего устройства, и измерять перепад дав­ ления на последнем. Опыты на трубе, имевшей наружный диа­ метр 13 мм, с ферромагнитной жидкостью на основе керосина (намагниченность насыщения 20 кА/м; магнитная проницаемость 1,4 при индукции поля 0,043 Тл) подтвердили принципиальную возможность измерения. При расходе 30 см3/с перепад давления был 1200 Па. В отличие от обычных СУ чувствительность метода возрастает по мере приближения к началу шкалы. Авторы мето­ да полагают, что он может быть применен для измерения расхо­ да жидкого кислорода*.

* Мезиков А . К ., Королев В. Н ., Кречетников Ю. Д. Использование парамаг­ нитных свойств измеряемой среды в расходомерах переменного перепада давле­ ния / / Измерит, техника.— 1993.— № 1.— С. 40 -4 2 .

14

Г л а в а 1

СТАНДАРТНЫЕ СУЖАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА РАСХОДОМЕРОВ ПЕРЕМЕННОГО ПЕРЕПАДА ДАВЛЕНИЯ

1 .1 . ЗАВИСИМ ОСТЬ М Е Ж Д У РАСХО Д О М

И П ЕРЕП АД О М Д АВЛ ЕН И Я Н А СУЖ АЮ Щ ЕМ УСТРОЙ СТВЕ

Выведем формулу расхода для самого распространенного СУ — стандартной диафрагмы, представляющей собой тонкий диск с центральным круглым отверстием диаметром d> имеющим ост­ рую входную кромку. Диафрагма установлена строго концентрично оси трубопровода, имеющего диаметр D. Обозначим через А —А (рис. 2) сечение, от которого начинается сужение потока, а штриховой линией — границы потока, обусловленного проходом через отверстие диафрагмы. По инерции наибольшего сужения поток достигает в сечении В—В, отстоящем от диафрагмы на расстоянии (0,3*0,8)Г>, в зависимости от отношения |3 = d/D. За­ тем поток начинает расширяться и вновь достигает стенок тру­ бопровода в сечении С—С. На рис. 2 показано изменение скорости

идавления в пределах сечений А —А и С—С. Для жидкости, плот­ ность которой р = const

ине зависит от давле­ ния, скорости обратно пропорциональны пло­ щадям потока, при этом максимальная скорость Vfr достигается

всечении В—В, а ско­ рость vc = va. Статичес­ кое давление ра до сече­ ния А —А у стенки трубы и в потоке одно

ито же. По мере суже­ ния потока между сече­ ниями А —А и В—В давление в потоке пада­ ет (штриховая кривая), так как без этого невоз­ можно возрастание ско­

15

вследствие падения скорости в мертвых зонах перед диафрагмой, достигая максимума р\у в углах у стенки последней. После диаф­ рагмы давление в углах у стенки р2у. Разность Др = р\у ~ р2у образует перепад давления, измеряемый при угловом методе от­ бора. На участке от В—В до С—С давление в потоке и у стенки постепенно возрастает до значениярс, которое много меньше, чем начальное давление ра вследствие потерь энергии на вихреобразование и удары о диафрагму, причем основная часть потерь про­ исходит в мертвой зоне после диафрагмы. Поток, протекающий с очень большой скоростью в сечении В—В, увлекает за собой при­ легающие частицы из мертвой зоны, создавая в ней некоторое падение давления. Это вызывает частичное движение жидкости вдоль стенок от сечения С—С к сечению В—В. В результате в мертвой зоне возникает сильное вихреобразование и происходит значительная потеря давления. Она составляет от 40 до 90 % от перепада (ра - рс)9 в то время как потеря давления от трения и ударов в самой диафрагме составляет не более 2 % от (ра - рь).

Решая уравнение, выражающее закон сохранения энергии,

где qm и qQ — массовый и объемный расходы, a F — площадь поперечного сечения потока, можно получить зависимость между qm (или <70) и перепадами давления (Р1-Р 2) или (ра-р ь).

Считая трубопровод горизонтальным и р = const, предыдущие

где ka и kb — поправочные множители на неравномерность распре­ деления скорости в сечениях А — А и В—В соответственно; % — коэффициент сопротивления на участке от А —А до В—В, отнесен­ ный к скорости Fa и F& — площади потока в сечениях А —А и В—В соответственно.

Отношение площади горловины потока Fb к площади отвер­ стия диафрагмы F0 называется коэффициентом сужения потока

va = ^ьМ'Уо / Fb) = vb\i(d/ D)2 = vb\im,

где m = p2= (d/D)2 — относительная площадь сужающего устрой­ ства.

16