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

ют по формуле s2 = т(т + 1) 1 иГпср (1 + г^/Д 2). где иГпср —

средняя скорость на окружности радиусом гп, а т = 4*10, коэффи­ циент, определяемый экспериментально путем экстраполяции кри­ вой скоростей, которая построена в логарифмических координа­ тах (ГОСТ 8.439-81). Средняя скорость vc потока численно равна сумме площадей Si и s2. Кроме графического в ГОСТ 8.439-81 до­ пускается и численное интегрирование поля местных скоростей.

Погрешность aVc определения средней скорости vc в случае применения метода «площадь—скорость» находится по формуле

где o v — погрешность измерения местной скорости; — погреш­ ность интегрирования площади (и, г/В); ат — погрешность опре­ деления коэффициента т пристеночной площади; а* — погреш­ ность от неточности установки средства измерения в заданных точках; ап — погрешность от конечного числа точек измерения в сечении потока.

= 0,738 % . Тогда по формуле, принимая а8~ 0,2 % , получим сред­ нюю квадратическую погрешность измерения расхода aq = 0,74 %

исоответственно предельную погрешность bq = 2aq = ±1,5 % .

Водной работе исследовали метод «площадь—скорость» для измерения расхода деформированных потоков после колена, диф­ фузора, а также при резком изменения площади сечения трубы на участке длиной l\/D = 14,5. В 99 % случаев погрешность из­ мерения была положительной и возрастающей по мере увеличе­ ния степени деформированности потока, показателем которой может быть отношение кинетических энергий массовых расхо­ дов деформированного и осесимметричного потоков.

2.Метод непосредственного измерения средней скорости vc при­ меняют в трубах с D > 300 мм лишь при осесимметричном пото­

(в зависимости от вида местного сопротивления), а после несколь­ ких колен в разных плоскостях не менее 80D. Тогда при разви­ том турбулентном течении точки средней скорости vc. располо­ жены на окружности, отстоящей от внутренней поверхности стенки трубы на расстоянии (0,242=ь0,013)Я и соответственно от центра трубы на расстоянии (0,758±0,013)Л, гдеЛ — внутренний радиус трубы. Некоторые исследователи получили последнее расстоя­ ние равным (0,762*0,777)Д, что объясняется его зависимостью от числе Re и шероховатости трубы. С уменьшением Re скорость vc приближается к центру. Согласно ГОСТ 8.361-79, коэффици­ ент гидравлического трения X трубы должен быть не более 0,06, погрешность определения расстояния точки отбора давления от

152

внутренней поверхности стенки трубы не более 0,005Г>, а число Маха при измерении расхода газа не должно превышать 0,25,

Учитывая возможные отклонения скорости о, измеренной при данном методе, от vc с помощью коэффициента kv = vc/v, получим vc = kv. Тогда выражение для средней квадратической погрешнос­ ти avс определения средней скорости ос примет вид

Погрешность av может быть определена по вышеприведенно­ му уравнению, а погрешность akv зависит от градиента безраз­ мерной скорости v/vc по координате z - ( R — г)/г, погрешности от неточности определения местонахождения скорости vc и погреш­ ности от неточности установки напорной трубки ау. Согласно ГОСТ 8.361-79, погрешность ау можно определить из выражения

Gy = 100 (60/2 + 8T)/D,

где 80 — допуск на овальность трубы по диаметру; 6Т — погреш­ ность установки трубки.

циента гидравлического трения трубопровода.

Из примера, приведенного в ГОСТ 8.361-79, следует, что при D = 1200 мм предельная погрешность измерения расхода дан­ ным методом Gq = 2,2 % .

Для измерения скорости о в ГОСТ 8.361-79 допускается при­ менение не только дифференциальной трубки Пито, коэффици­ ент которой kT= 1^0,0025, но и цилиндрической трубки с наруж­ ным диаметром dQ= (5*30) мм и диаметром отверстия для при­ ема полного напора dQ= (2*4) мм, ось которого расположена на расстоянии (3*5) dHот нижнего закругленного конца трубки. При этом отверстие для отбора статического давления должно нахо­ диться в стенке трубопровода в том же измерительном сечении.

3. В третьем методе измерения расхода, предусматривается измерение максимальной скорости отах на оси трубы. При этом (согласно ГОСТ 8.361-79) длины 1\ прямых участков труб после местных сопротивлений могут быть меньше, чем при измерении средней скорости ос, а именно 1\ = (10*25)£> и лишь после двух и более колен в разных плоскостях 1\ = 501).

Остальные требования в отношении D > 300 мм, Х< 0,06, числа Маха (не более 0,25) и погрешности определения расстояния точ­ ки отбора от стенки трубы (не более 0,005£>) остаются прежними. Средний расход ос определяют из уравнения vc = kvvmaXf где kv = = vc/vmax. Значение kv зависит от шероховатости трубы, оценива­ емой коэффициентом гидравлического трения X, и от числа Re.

В ГОСТ 8.361-79 предусмотрено применение данного метода лишь

вавтомодельной области турбулентного течения, когда kv зави­ сит только от X. Определять kv надо экспериментально для каж­

153

дого измерительного сечения путем измерения vc и umax. При А, равном 0,01, 0,02, 0,03, 0,04, 0,05 и 0,06, kv составляет 0,875, 0,84, 0,80, 0,77, 0,74 и 0,713 соответственно. Пользоваться этими зна­ чениями kv можно, когда значения X достоверно известны.

Средняя квадратическая погрешность измерения расхода при данном методе определяется выражением

°? с =(aV+ai +as)05-

деления kv. Погрешность okv обычно изменяется в пределах (1*2) % в зависимости от метода определения kv. Тогда погрешность измере­ ния расхода адо будет равна (1,25*1,6) %, а 8до = 2одо = (2,5*3,2) %.

4. Четвертый метод измерения расхода, при котором напорная трубка устанавливается в произвольной точке измерительного се­ чения, не нормирован. Его целесообразно применять после уст­ ройств (сопла или конфузора), выпрямляющих эпюру скоростей. Обстоятельное исследование этого метода измерения расхода было выполнено в работе [24]. При угле конфузора 30° и отношении его длины L к выходному диаметру П, равному 1,75, получена в сече­ нии, отстоящем на расстоянии 0,75D от среза конфузора, очень хорошо выровненная эпюра скоростей, для которой коэффициент

kv = v c / v max - 0,995. Это удалось установить лишь с помощью лазерно-доплеровского измерителя скорости, позволяющего изме­ рять скорости на расстоянии 0,1 мм от стенки трубы. Опыты проводили на воде. Конфузор и сопло, которые также выравнива­ ют эпюру скоростей, создают потерю давления, но зато, увеличивая скорость, улучшают точность ее измерения напорными устройства­ ми. Если скорость в трубопроводе весьма значительна, то можно согласно работе [25] выходное отверстие сопла или конфузора сде­ лать равными площади трубы, а перед входными отверстиями в отрезке трубы большего диаметра поставить сетку, играющую роль струевыпрямителя (этот отрезок соединяется с подводящим тру­ бопроводом с помощью короткого диффузора).

Сравнивая между собой рассмотренные четыре метода, можно сказать, что при малой длине 1\ прямого участка трубопровода только установка конфузора или сопла может обеспечить хоро­ шую точность измерения расхода. Его дополнительное достоин­ ство — отсутствие необходимости установки напорной трубы в строго определенной точке измерительного сечения.

Для второго и третьего методов требуется значительная длина трубы /1э причем для второго метода (при измерении vc) требуется большая длина /*, чем для третьего (при измерении umax). Кроме того, у последнего метода нет погрешности от неточности установ­ ки трубки, так как градиент скорости на оси трубы равен нулю. Поэтому он может обеспечить лучшую точность измерения расхо­ да, особенно при небольших и средних диаметрах труб. Но для

154

этого метода требуется предварительное экспериментальное оп­ ределение коэффициента kv = vc/umAX9 и он пригоден только в ав­ томодельной области турбулентного режима. Так, при X, равном 0,01, 0,02, 0,03, 0,04, 0,05 и 0,06, этот метод применим, начиная от чисел Re, равных 5 •10\ 106, 2,5 •105,105, 4,5 •104 и 2,5 •104, в то время как область измерения при втором методе начинается от чисел Re, равных 2 * 106, 5 •104, 104, 4 •103 соответственно.

Во всех этих методах измеряют скорость лишь в одной точке сечения трубы, в то время как для метода «площадь—скорость» требуется последовательное измерение скоростей во многих точ­ ках при одном и том же значении расхода. В связи с этим по­ следний метод в отличие от трех остальных применяют при вре­ менных, а не стационарных измерения, хотя при этом и обеспе­ чивается повышенная точность измерения расхода.

Напорные усреднители. В напорных усреднителях перепад давления происходит в зависимости не от местного, а от некото­ рого среднего динамического давления потока. Усреднение мо­ жет осуществляться в пределах одного, а также двух радиусов или диаметров при кольцевой площади или иным способом.

Усреднение по кольцевой площади встречается довольно ред­ ко. В этом случае в трубопроводе установлена кольцевая вставка (см. рис. 1, э) длиной 1,51), прилегающая к его внутренней поверх­ ности. На входе и выходе вставки, имеющей плавный сопловой профиль, сделаны отверстия на равных расстояниях друг от дру­ га. Одни из них направлены навстречу потока, а другие — в про­ тивоположную сторону.

Значительно чаще [20, 22, 23, 37] применяют усреднители дав­ ления по радиусу или по диаметру. Они состоят из цилиндричес­ кой трубки (зонда), пересекающей трубопровод в диаметральном направлении. В ней имеется ряд отверстий, которые направлены навстречу потоку. Такая трубка называется осредняющей или интегрирующей. Осреднение давления в трубке сопровождается перетеканием в ней жидкости или газа из центральных отвер­ стий в периферийные. Статическое давление отбирают либо у стенки трубопровода в области невозмущенного потока перед ос­ редняющей трубкой, либо во втором цилиндрическом зонде с от­ верстием, расположенным под углом 90 и 180° к направлению потока. В этом случае нужна индивидуальная градуировка. Для обеспечения прочности трубки и отсутствия вибрации диаметр dT следует выбирать тем больше, чем больше диаметр трубопровода D и чем выше скорость, а также плотность вещества. В работе [20] рекомендуется при увеличении скорости воды от 1,5 до 3 м /с уве­ личивать d/D от 0,02 до 0,03-0,05. Оба конца трубки укрепляют в стенке трубопровода. Радиальная трубка, кончающаяся в цент­ ре трубопровода, имеет меньшую прочность.

Диаметр осредняющей трубки dT выбирают в зависимости от диаметра D трубопровода.

Наибольший допустимый размер dT/D равен 0,05. Внутрен­ ний диаметр трубки dB* 0,8dT, и, следовательно, толщина стенки

155

5 « 0 ,ld T. Статическое давление отбирают через отдельное отвер­ стие в трубе» расположенное на расстоянии 2dT перед осредняющей трубкой под углом 45° вверх от горизонтального диаметра трубы. Диаметр отверстия не более 5 мм» а его ось перпендику­ лярна к оси трубы.

Вслучае применения трубки, показанной на рис. 57, в трубах

с£>>50 мм при числах Re> 2 •105 и при длинах прямых участков, приведенных в РД 50-411-83 (раздел 8) для т = 0,05, коэффици­ ент трубки равен единице с погрешностью, не превышающей ±(0,5+ +1) % . При этих условиях с помощью данной осредняющей труб­ ки обеспечивается измерение средней скорости и не требуется ее индивидуальная градуировка.

Для измерения расхода запыленного потока в работе [26] опи­ сан опыт применения интегрирующего зонда большого диаметра, через нижний конец которого, выходящий наружу из трубопровода, можно удалять пыль.

Осредняющая трубка создает перепад давления, зависящий не от средней скорости по площади усреднения, а от среднего квадра­ та скорости по этой площади. Это обстоятельство — причина по­ явления небольшой систематической погрешности измерения рас­ хода.

Было исследовано применение осредняющей напорной трубки также для измерения расхода потока, имеющего деформированное поле скоростей. Установлены значения коэффициента преобразо­ вания трубки в зависимости от особого коэффициента деформации [22]. Но для измерения расхода деформированных потоков лучше применять не одну, а две осредняющие трубки, расположенные кре­ стообразно. Это позволяет измерять расход сильно деформирован­ ных потоков [38], в частности, за отводами насосов и за коленами на расстоянии l\/D > (3,5+4) [21]. Статическое давление в этом случае рекомендуется отбирать из четырех отверстий, равномерно распределенных на стенке трубопровода. Коэффициент крестооб­ разных трубок kT при установке на расстоянии l\/D > 4 после колена и на расстоянии l\/D > 6 после регулирующей задвижки равен 0,97-0,98 [21].

Напорная лопасть. Рассматриваемое напорное устройство [30] имеет форму обтекаемой лопасти или крыла, занимающего неболь­ шую часть проходного сечения трубы и установленного под некото­ рым углом (обычно в пределах 45-90°) к оси потока (см. рис. 1, ю). Лопасть имеет отверстия, расположенные различным образом по отношению к оси потока. Разность давлений в этих отверстиях зависит от угла установки лопасти, что дает возможность приме­ нять данное устройство для измерения расхода как при малых, так и при больших скоростях.

Напорные усилители. Эти усилители представляют собой соче­ тание напорных трубок с сужающими устройствами (обычно мик­ ротрубками Вентури), занимающими небольшую часть сечения по­ тока. Их появление обусловлено стремлением повысить изме-

156

ряемый перепад давления, который при небольших скоростях по­ тока очень мал у напорных трубок.

На рис. 53 показана микротрубка Вентури, установленная в свободном потоке, и приведена кривая распределения давления по ее длине. Давление р\ при входе в трубку Вентури больше начального давления р$ на значение сопротивления бр трубки прохождению потока. Обозначив через ^ коэффициент потери давления, отнесенный к перепаду Ар —р\ —Р2 (рис. 53), получим 5р = £тАР* Скорость же Vi входа в трубку будет меньше скорости VQ окружающего потока в соответствии с уравнением

p u o /2 -p u f/2 = ^Др.

Если рядом с микротрубкой Вентури установить напорную трубку для отбора полного давления и брать это давление в каче­ стве pi вместо давления на входе в микротрубку Вентури, то об­ щий коэффициент усиления такого преобразователя расхода, на­ зываемого трубкой Пито—Вентури, возрастет на единицу.

Для обеспечения коэффициента усиления порядка 15-20 при­ меняют двухступенчатую микротрубку Вентури или двухступен­ чатую трубку Пито—Вентури. Внутри небольшой трубки Венту­ ри (рис. 54) помещается вторая меньшая трубка Вентури, у кото­ рой входное или выходное отверстие совпадает с горлом первой трубки. Давление Р2 отбирают в самой узкой части второй труб­ ки, а давление pi — из отверстия, направленного навстречу пото­ ку. Коэффициент усиления к данного преобразователя можно не­

157

ри, упрощающие их установку в трубопроводе. Так, в работе [28] описан цилиндрический зонд диаметром 40-50 мм с находящей­ ся в нем трубкой Вентури, которая вместе с зондом расположена перпендикулярно к оси трубопровода. В зонде имеется отверстие, направленное навстречу потоку, через которое часть потока по­ ступает в зонд, проходит через трубку Вентури и выходит через открытый конец зонда, срезаемый под углом 30-45° в сторону, противоположную движению основного потока. Давление Р2 от­ бирают из горла трубки Вентури с помощью тонкой импульсной трубки, находящейся внутри зонда, а давление р\ — непосред­ ственно из зонда. Если вместо трубки Вентури поместить в зонд трубку Далла, то можно повысить коэффициент усиления.

Ударно-струйные преобразователи расхода. Перепад давле­ ния возникает в таких преобразователях в процессе удара струи. Они применяются для измерения лишь малых расходов и рас­ сматриваются в гл. 2.

5.4. ОСРЕДНЯЮЩИЕ НАПОРНЫЕ ТРУБКИ ОНТ — ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ СКОРОСТНОГО НАПОРА, ОСРЕДНЯЮЩИЕ ПСНО

В последние годы широкое применение для измерения расхо­ да газа и жидкости получили осредняющие напорные трубки ОНТ, или иначе преобразователи скоростного напора ПСНО.

По ОНТ и ПСНО уже выпущен ряд нормативных документов, рассматривающих различные аспекты применения этих трубок.

Первые разработки и исследования этих средств измерения рас­ хода выполнялись в нашей стране. Подавляющее большинство публикаций по ОНТ имеется в русской научно-технической лите­ ратуре. Но широкому применению их способствовало появление зарубежного варианта этой трубки, получившей название Annubar.

158

Отечественные разработки ОНТ. Первые осредняющие напор­ ные трубки были консольного типа. Так, еще в 1962 г. в журнале «Водоснабжение и санитарная техника» № 4 была опубликована статья, в которой сообщалось об исследовании эпюры скоростей в трубе диаметром D = 207 мм с помощью трубки длиной D/2 и диаметром d - 20 мм. Трубка имела три приемных отверстия. Затем в сборнике трудов ВНИИпромгаз были опубликованы основные параметры разработан­ ной в институте консольной труб­ ки со щелевыми отверстиями на лобовой и тыльной сторонах (рис. 55). Результаты исследова­ ния трубки были доложены на 2-й Всесоюзной конференции по измерению расхода и опубликова­ ны в ее трудах (1967).

159

Другая конструкция ОНТ разработана для измерения расхода сильно запыленного газа (4-6 г/м3) при температуре 300 °С. Труб­ ка по конструкции близка к современным ОНТ (рис. 56). На лобовой стороне расположен ряд отверстий для приема полного давления» а на тыльной стороне — одно отверстие» соединенное с отдельной трубкой для отбора давления на тыльной стороне (как у трубок Annubar)

Одновременно в Одесском политехническом институте (ОПИ) под руководством А. И. Грабовского и К. Ф. Иванова велась разработка ОНТ для измерения расхода воды. О больших масш­ табах работ и достижениях сотрудников ОПИ свидетельствуют два факта. Ими опубликовано много научно-исследовательских работ по ОНТ, в частности за рубежом, что значительно больше, чем во всех остальных странах вместе взятых.

На рис. 57 показана осредняющая трубка, разработанная в ОПИ. При этом отбор статического давления в трубопроводе про­ изводится через отдельное отверстие, расположенное перед ОНТ на расстоянии 0,075D=fc0,025Z) под углом (3 = 15-г-165° к ней. Это обеспечивает весьма близкое к единице значение коэффициента расхода а (преобразования) ОНТ. По данным ВНИИР, для тру­ бок ОПИ он лежит в пределах 0,9915-0,9955. Его погрешность ба = 1,2 % в пределах чисел Рейнольдса Re от 1,8 •105 до 108 при относительной шероховатости трубопровода Rm/D < 25 ■ 10“4. Работами ОПИ установлено, что коэффициент а сохраняет наи­ большую стабильность, если площадь внутреннего поперечного сечения ОНТ не меньше 80 % от площади всех отверстий на ло-

Рис. 57. Осредняющая напорная трубка:

1 — фланец; 2 — осредняющая трубка; 3 — за­ глушка

160

бовой стороне трубки. Отсюда следует уравнение для определе­ ния наибольшего допустимого числа п этих отверстий:

п - 0,8df / d%,

где dB — внутренний диаметр трубки; d0 — диаметр каждого отверстия.

Так как толщина стенки трубки б = 0 ,ld B, то и наружный ди­ аметр dH= l,2dB, а минимальное значение dHопределяется из ус­ ловия прочности трубки, и оно тем больше, чем больше внутренний диаметр трубопровода О и скорость v (точнее, gu2). Для стальных трубок с пределом текучести материала а = 1,93 * 108 Па (сталь 1Х18Н9Т) ОПИ дает формулу для определения внутреннего диа­ метра осредняющей трубки dB:

dT = 4-10””4UD

■i[СТт ](1 -Т ])4

где [стт] (Па); Т ] (dB/dT).

Считая р = 998,2 кг/м3 (для воды при t = 20 °С) и к] = 0,8, найдем

dT = 1,66 •10"2 vD/[v],

где [у] (м/с).

Отсюда следует для воды при о, равной 1, 1,5, 2, 2,5 и 3 м/с, получим соответственно (dT/0 , равное 0,017, 0,025, 0,033, 0,041 и 0,05. Для газа при р = 10 кг/м2 эти же значения dT/ 0 будут при v, равной 10, 15, 20, 25 и 30 м /с соответственно. Для газа же при р= 40 кг/м 3 и о, равной 10, 15, 20, 25 и 30 м /с, получим dT/0 , равное 0,033, 0,05, 0,066, 0,082 и 0,102 соответственно. ОПИ реко­ мендует, во всяком случае для воды, иметь dT/ 0 < 0,05, чтобы избежать существенной деформации поля скоростей.

Оба конца ОНТ укрепляются в стенке трубопровода, а в ее середине помещена пробка, через которую проходит импульсная трубка, имеющая наружный диаметр dH< 0,05dB и два отверстия на своих концах для отбора давлений из каждой половины ОНТ.

Диаметр отверстий d0 выбирают тем больше, чем больше dT. В методике ВНИИР 1992 г. указано, что d0 должно быть не боль­ ше 5 мм, а минимальный размер зависит от вероятности засоре­ ния и желаемых динамических характеристик.

Число отверстий п на лобовой стороне зависит от отношения (dB/d 0)2. В трубке ОПИ принято п = 8. Это требует, чтобы было (dB/d 0) ^ Ю. Центры отверстий располагаются на расстояниях 0,3541)/2, 0,616-0/2, 0,7910/2 и 0,9350/2 в обе стороны от середи­ ны трубки. По мере приближения к периферии расстояния меж­ ду отверстиями уменьшаются, потому что они размещаются в се­ редине равновеликих по площади кольцевых участков.

161

11 П. П. Кремлевский