книги / Расходомеры и счетчики количества веществ. Расходомеры переменного перепада давления, расходомеры переменного уровня, тахометрические расходомеры и счетчики

Кроме того, надо иметь в виду степень достоверности установ­ ленных коэффициентов С и а, а также возможность и простоту изготовления, с тем чтобы было обеспечено соответствие сужаю­ щего устройства исследованным образцам.

Для облегчения выбора на рис. 42 приведены зависимости коэффициента С от числа Re для различных сужающих устройств при т = 0,2 (у сопла половина круга при т = 0,1 и у комбиниро­ ванного сопла при т = 0,5). На этом рисунке видны зоны посто­ янства коэффициента С.

Для всех устройств, предназначенных для работы в области малых и средних чисел Re, коэффициенте меньше, чем для стан­ дартного сопла, но больше, чем для стандартной диафрагмы. Сле­ довательно, эти устройства — промежуточные по своим свойствам между стандартными диафрагмами и соплами.

У рассматриваемых устройств диапазоны чисел Re, в пределах которых сохраняется постоянство коэффициента С, различны, осо­ бенно в отношении Rem|n. Значения же Remax этих устройств близки к значениям Remin для стандартных диафрагм и сопел.

Наименьшие значения Remin = 40-5-260 имеет диафрагма с вход­ ным конусом, затем конусная диафрагма и диафрагма с двойным конусом. Но область постоянства С и а этих диафрагм меньше.

Удиафрагмы с двойным конусом рекомендуются т от 0,09 до 0,16-0,25 при d > 10 мм. Конусные диафрагмы исследованы примерно в тех же пределах т .

Удвойной диафрагмы, сопла четверть круга, цилиндрического

икомбинированного область постоянства С и а сдвинута в сторону средних чисел Re. Так, у двойных диафрагм Remin= 2 •103-*-1 •10 , a Remax = 2 • 105-*-3,5 • 105. Двойные диафрагмы применимы в большом диапазоне т от 0,09 до 0,64. Коэффициенты расхода у

этих диафрагм определены достаточно надежно, но их недоста­ ток — возможность засорения пространства между двумя диаф­ рагмами.

У сопла четверть круга, цилиндрического и комбинированного Remin изменяется в пределах от 1 •103до 5 •103-s-8 •103, a Remax — от 3 • 104-5-6 • 104 до 1,5 •105-S-2,5 •10б. У сопла четверть круга

122

Г л а в а 4

ОСОБЫЕ ТИПЫ И ОСОБЫЕ СЛУЧАИ ПРИМЕНЕНИЯ СУЖАЮЩИХ УСТРОЙСТВ

4.1. ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА ЗАГРЯЗНЕННЫХ ВЕЩЕСТВ, СЕГМЕНТНЫЕ, ЭКСЦЕНТРИЧНЫЕ И КОЛЬЦЕВЫЕ ДИАФРАГМЫ

При измерении расхода загрязненных жидкостей и газов в горизонтальных трубах целесообразно применять сужающие ус­ тройства, у которых проходное отверстие расположено в нижней части трубопровода. Такое устройство — сегментная диафрагма, имеющая в верхней части трубы перегородку с горизонтальной кромкой. Если высота перегородки hn > D/2, то проходное отвер­ стие имеет форму сегмента (см. рис. 1, г). Если hn < D/2, то форму сегмента имеет сама перегородка. Кроме сегментной (значитель­ но реже) применяют эксцентричную диафрагму с круглым от­ верстием в нижней части (см. рис. 1, д) и кольцевую диафрагму (см. рис. 1, е).

Угол входной кромки у сегментной диафрагмы (как и у стан­ дартной) равен 90°. Толщина кромки е допускается в пределах 0,005D < е < 0,0201), а выходной угол равен 45°. Толщина диаф­ рагмы Е < 0,052). Высота сегмента h и его площадь / определяют­ ся центральным углом сегмента и диаметром трубы D:

h = D (1 - cos Ч72)/2; f = D2 ('Р7Г/180 - sin у)/8 .

Относительная площадь т диафрагмы зависит от высоты сег­ мента h и диаметра D и определяется по формуле

т = arccos(l - 2й / 2))180 - (1 - 2й / 2))д/1 - (1 - 2й / D)2 / п.

В большинстве случаев у сегментных диафрагм применяют угловой способ отбора давлений. Отверстия для сбора обычно делают в верхней части на стороне, противоположной отверстию истечения. Опыты [3] показали, что с уменьшением т от 0,64 до 0,1 допустимый угол отклонения отборных отверстий от верти­ кали возрастает от 20 до 120°.

Коэффициенты расхода а у сегментных диафрагм с угловым отбором определяли на трубах диаметром 80-300 мм Ломан, Вит­ те, а также Хернинг, Лугт и Воловский [5, 6]. На основе этих опытов, согласующихся друг с другом в пределах ±1 % , составле­ на табл. 22, приведенная в рекомендациях ИСО [5] по примене­ нию сегментных диафрагм. Из табл. 22 следует, что значения коэффициентов расхода а у сегментных и у стандартных диаф­ рагм близки друг к другу (особенно при малых т). Нижнее до­ пускаемое число Рейнольдса Remin у сегментных диафрагм значи-

124

Т а б л и ц а 22

тельно меньше, чем у стандартных. В атом их существенное пре­ имущество. Значение Remax согласно работе [5] равно 106 для любых т .

В работе [1] были экспериментально определены значения коэффициента а для т > 0,5. Они приведены ниже.

Притупление входной кромки у сегментной диафрагмы при­ водит к увеличению коэффициента а, который тем больше, чем больше отношение гк/Л, где гк — средний радиус закругления кромки. Значение соответствующего поправочного множителя гп приведено на рис. 43 по данным работы [50]. При равных значе­ ниях гк/Л и rK/d , а также равных значениях т величина кп у сегментных диафрагм меньше, чем у стандартных. Это объясня­ ется меньшим отношением длины /к входной кромки к площади отверстия у сегментной диафрагмы (особенно при больших т ) . Так, длина /к у сегментной диафрагмы меньше, чем у стандарт­ ной, в 2,2 раза при т = 0,5 и в 3,6 раза — при т = 0,8 [1].

При высоте сегмента h > 200+300 мм износ входной кромки практически уже не сказывается на а.

Поправочный множитель кш на шероховатость трубы тот же, что и для стандартной диафраг­ мы при одинаковой относитель­ ной шероховатости k/D. То же можно сказать и в отношении длины прямого участка.

125

Согласно работе [5], предельные погрешности 8а= ± (1,2 4- 3т 2) % и 8£= ± ( 8 Др/p i) % .

Для сегментных диафрагм (по сравнению со стандартными сужающими устройствами) необходимо более точное знание зна­ чения действительного диаметра трубопровода!). Кроме того, что­ бы избежать случайного уменьшения проходного отверстия при монтаже рекомендуется [5] иметь некоторое превышение AD внут­ реннего диаметра обода диафрагмы, в котором сделаны отвер­ стия для отбора давлений Pi и наД диаметром D. При этом надо соблюдать условия: AD/D < 4 % и AD/D 100 % < [0,1D/b х х (0,1 + 2 ,3 т 2)] % , где Ь< 0,5D — ширина обода.

Применение сегментных диафрагм особенно целесообразно в трубах большого диаметра для измерения расхода газа и воды. Если в измеряемой жидкости могут выделяться газы, то проход­ ное отверстие у сегментной диафрагмы следует располагать не внизу, а наверху или сбоку. Сегментные диафрагмы могут найти применение для измерения расхода водогрунтовых и других гид­ росмесей [16].

В РД 50-411-83 установлен предельный допуск (±10°) на от­ клонение мест отбора давлений от вертикального диаметра и даны следующие формулы, связывающие а с т , т с т а и h/D с т :

а = 0,6085 - 0,03427т + 0,3237т2 + 0,00695т3;

т = 0,00294 - 1,7226та - 0,5123 (т а )2 - 0,4931 (т а )3, справедливая при 0,0608 < т а <0,3365;

h/D = 0,04605 + 1,1997т - 0,9637т2 + 0,7612т3.

В этом документе значения а и Re соответствуют тем, кото­

Для измерения расхода загрязненных веществ предложены эк­ сцентричная и кольцевая диафрагмы помимо сегментных. Экс­ центричная диафрагма имеет такое же круглое проходное отверстие, как и стандартная диафрагма, но сме­ щенное относительно оси трубопро­ вода (обычно вниз). Она была ис­ следована в США и нашла там не­ которое применение. Позднее была предложена кольцевая диафрагма, состоящая из диска 1 (рис. 44) с ос­ трой входной кромкой, переходя­ щей на выходе в усеченный конус.

126

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*