Основы теории. Из парка существующих расходомеров около 80% составляют расходомеры переменного перепада давлений. Такое широкое их применение объясняется невысокой стоимо­стью, простотой конструкции и эксплуатации, а также отсутст­вием необходимости в дорогостоящих образцовых установках для градуировки. Из более чем двухсот типов используемых в мировой практике расходомеров эти расходомеры являются единственными нормализованными средствами измерения расхо­да. У нас в стране данные расходомеры нормализованы новым руководящим документом РД 50-213—80, который введен в дей­ствие взамен Правил 28—64.

Известно, что объемный расход вещества, протекающего по трубопроводу, определяется как произведение скорости потока на площадь отверстия истечения F , т. е.

При прохождении вещества через сужающее устройство, установленное в трубопроводе, скорость его увеличивается. Это следует из условия неразрывности струи Более высокая скорость Уг по сравнению с V \ обусловлена переходом части потенциальной энергии потока в кинетическую.

50

Рис. 4.10. Вид потока и распреде­ление давления при размещении сужающего устройства в трубопро­воде

На рис. 4.10 показаны вид потока и изменение давления из­меряемой среды при прохождении ее через сужающее устрой­ство. Если до сужающего устройства статическое давление в трубопроводе равно Р',, то в сужающем устройстве оно резко надает, затем постепенно возрастает до нового установившего­ся значения. При этом давление в трубопроводе за сужающим устройством не достигает значения Р"\, так как часть энергии расходуется на трение о стенки сужающего устройстве) и за­вихрения потока после сужающего устройства. Величина безвозвратных потерь равна Р_п. Перед сужением давление несколь­ко возрастает до Р\, что обусловлено сжатием потока перед су­жающим устройством.

Минимальное давление Рг наблюдается на некотором рас­стоянии от сужающего устройства. Давление в проходном се­чении сужающего устройства равно Pi . Разность давлений Р, —Р_г является перепадом, зависящим от расхода среды, про­текающей через трубопровод., Найдем зависимость между пере­падом давлений за сужающим устройством и расходом. В со­ответствии с уравнением Бернулли для сечения /—/ и //—// для горизонтального участка трубопровода (см. рис. 4.10).

Рис 4.11. Расходомер

званное снижением давления при прохождении через сужа- —■ ющее устройство, поэтому мас­совый расход (а также объ­емный), отнесенный к началь­ному значению р, несколько уменьшится.

Время прохождения газов и паров через сужающее уст­ройство настолько незначительно, что их сжатие и последую­щее расширение происходят практически без обмена тепла с окружающей средой, т. е. адиабатическим. Поэтому уравнения расхода для газов и паров соответственно в объемных и мас­совых долях имеют вид Уравнения (4.29) и (4.29а) действительны до тех пор, пока скорость потока в сужающем устройстве остается меньше кри­тической, т. е. меньше скорости звука в данной среде. Урав­нения расхода для газов и паров отличаются от уравнений расхода для несжимаемой жидкости только коэффициентом е. Значения коэффициента расширения с для различных сужаю­щих устройств и разных случаев измерения даны в приложе­ниях 9 и 10 Правил РД 50-213—80. Расходомер (рис. 4.11) состоит из следующих основных частей: измерительных уча­стков трубопровода / до и после сужающего устройства; су­жающего устройства 2; расходомерного дифференциального монометра 4\ интегрирующего устройства 5, определяющего расход за определенный промежуток времени (смену, сутки); импульсных линий 3, служащих для соединения с дифмано-метром измерительных участков трубопровода. Требования к исполнению и монтажу измерительных участков трубопрово­да изложены в разделе 10 Правил РД 50-213—80. Эти правила устанавливают требования к выполнению расходомерных уст­ройств при их разработке, проектировании, монтаже, эксплуа­тации и поверке.

Стандартные сужающие устройства. К стандартным (нор­мализованным) сужающим устройствам относятся диафрагмы, сопла и трубы Вентури, удовлетворяющие требованиям Пра­вил РД50-213—80. Они служат для измерения расхода вещества и не имеют индивидуальной градуировки. Допустимые интер­валы диаметров трубопроводов D и относительных площадей

В случае давлений на Рис. 4.12. Основные геометриче­ские размеры камерных стандарт­ных диафрагм сужающих устройств  должны находиться в сле­дующих пределах: 50 мм 1000 мм;  0.05мм ,64 для диафрагм с уг­ловым способом отбора пе­репада давлений; 50 мм 760 мм для  диафрагм с фланцевым способом отбо­ра перепада давлений; диаметр отверстия диафрагмы независимо от способа от­бора перепада  давлений 12,5 ммдля сопел в случае измерения расхода газа; 30 мм 0для сопел в случае измерения расхода жидко­сти; 0,65 ммксО^БОО мм; для сопел Вентури диаметр отверстия сопел и сопел Вентури >15 мм; для труб Вентури. газа отношение абсолютных и входе в него

измерения расхода выходе из сужающего устройства должно быть больше или равно 0.75.

При измерении расхода газов и жидкостей допускается применять как угловой (см. рис. 4.12.S), так и фланцевый (см. рис. 4.12,6) способы отбора перепада давлений на диафрагмах и угловой способ отбора на соплах.

Камерные диафрагмы (рис. 4.12. и) применяют для уста­новки в трубопроводах диаметром D ₂ o до 500 мм. Стандартные камерные диафрагмы обозначаются ДК. а дисковые ДН. Обыч­но в обозначении диафрагм после букв указывают максималь­ное условное давление Р_у, на которое рассчитана диафрагма. Например, ДК6 (на 6 кгс/см²).

Перепад давлений при фланцевом способе отбора следует измерять через отдельные цилиндрические отверстия.

Стандартные сопла могут применяться без индивидуальной градуировки в трубопроводах при условии. Сопла особенно удобны для измерения расхода га­зов и перегретого пара, ес­ли [( Pi ~ Pu )/ Pi ]<0,\, a также для измерения рас­хода пара высокого давле­ния и агрессивных газов в трубопроводах диаметром ^20^200 мм. По сравне­нию с диафрагмами они ме­нее чувствительны к корро­зии, загрязнениям и обеспечивают несколько большую точность измерения. Форма стандартного сопла и его основные геомет­рические параметры показаны на рис. 4.13.

Стандартные сопла Вентури могут применяться без инди­видуальной градуировки для диаметров трубопроводов £>2о 50 мм при

Сопло Вентури (рис. 4.14) состоит из профильной входной части, цилиндрической средней части и выходного конуса. Сопло Вентури может быть длинным и коротким: у первого наибольший диаметр выходного конуса равен диаметру тру­бопровода, у второго — меньше. Перепад давлений следует из­мерять через кольцевые камеры.

Стандартные трубы Вентури можно применять в трубопро­водах диаметром от 100 до 800 мм при условии, что 0,2^т^ ^0,5. Труба Вентури называется длинной, если наибольший диаметр выходного конуса равен диаметру трубопровода, или короткой, если указанный диаметр меньше диаметра трубо­провода.

Давления в горловине и входном патрубке следует отби­рать через отверстия в стенках и через усредняющие камеры.

К преимуществам труб Вентури следует отнести меньшую потерю давления по сравнению с потерями в су­жающих устройствах других типов.

Рис. 4.14. Основные геометрические параметры сопел Вентури:

Рис. 4.15. Дифманометр ДС11-3

Расходомерные дифманометры. Расходомерные дифманометры

обычно устанавливают совместно с диафрагмами, перепад дав­ления на которых однозначно связан с расходом среды, проте­кающей по трубопроводу.

На рис. 4.15 показана принципиальная схема дифманометра типа ДСП-3, предназначенного для непрерывного преобра­зования расхода водорода, кислорода, оксидов азота.

Дифманометр ДО 1-3 с унифицированным выходным сигна­лом состоит из измерительного блока ИБ и пневматического преобразователя ПИП. Измерительный блок имеет плюсовую и минусовую камеры, разделенные основанием 7. В камерах расположены чувствительные элементы — сильфоны / и 5 диа­метром 20 мм. Сильфоны с одной стороны жестко связаны с основанием, а с другой — с клапанами 2 и 6, снабженными уплотняющими резиновыми кольцами. Внутренняя полость 4 узла сильфонов заполнена кремнийорганической жидкостью. Изменение объема жидкости, вызванное колебаниями темпера­туры, воспринимается компенсационным сильфоном 3. Вывод с рычага 8 из основания уплотнен мембраной 9. Две упругие ленты удерживают рычаг 8 от осевого перемещения при воз­действии на мембрану рабочего давления.

Рычаг 8 при помощи рычага 10 связан с пневмосиловым преобразователем ПИП.

Измеряемый перепад давления (Рг—Р\) воспринимается енльфонами и 5 и преобразуется в пропорциональное усилие, которое при помощи рычагов и 12 пневмосилового преобра­зователя уравновешивается усилием F сильфона обратной связи 17.

При изменении измеряемого перепада давления изменяется усилие N , происходит незначительное перемещение рычажной системы и заслонки 14 индикатора рассогласования 15. Инди­катор рассогласования преобразует это перемещение в управ­ляющий сигнал давления сжатого воздуха на выходе усили­теля 16.

Выходной сигнал усилителя 16 поступает в линию дистанци­онной передачи и в сильфон обратной связи 17. Значение вы­ходного сигнала Р_ВЫх, пропорциональное измеряемому перепа­ду давления, изменяется винтом настройки. В расходоме­рах переменного перепада давлений применяют механические, электрические и пневматические счетчики.

На рис.4.16 показана принципиальная схема пневматиче­ского интегрирующего прибора тина ПИК-1.

Действие интегрирующего прибора основано на принципе силовой компенсации. Усилие на приемном элементе-сильфоне /, возникающее от входного пневматического сигнала, не­прерывно уравновешивается усилием, развиваемым центробежным регулятором 7, установленным на роторе 8. Скорость ротора (и центробежного регулятора), приводимого во вращение струей сжатого воздуха, вытекающего из разгонного сопла 6 пневмореле 5, зависит от давления в системе сопло — заслонка (3, 4), зазор которой пропорционален перемещению приемного сильфона. При определенной скорости вращения, соответству­ющей измеряемому расходу, силы, приложенные к рычагу 2 со стороны сильфона п со стороны центробежного регулятора, уравновешиваются. Вращение ротора центробежного регулято­ра передается на ось счетчика 9.

Скорость вращения ротора связана линейной зависимостью с расходом, в то время как сигнал от дифманометра, поступа­ющий на вход интегратора, находится в квадратичной зависи­мости от расхода. В приборе происходит автоматическое из­влечение корня в следующем порядке.

Выходной сигнал Р, а следовательно, и сила со стороны приемного сильфона связаны квадратичной зависимостью с расходом Q

Центробежная сила, а следовательно, и усилие центробежного регулятора связаны квадратичной зависимостью со скоростью вращения ротора <о

Но, как указывалось выше, эти силы при установившемся вращении равны P = N ; следовательно, расход линейно связан со скоростью вращения ротора

Показания счетчика при любом максимальном расходе, со­ответствующем входному давлению 100 кПа, в течение 1 ч из­меняются на 120 единиц. Поэтому, чтобы найти истинный рас­ход за любой промежуток времени, необходимо разность пока­заний счетчика, снятую за этот период времени, умножить на коэффициент, величина и размерность которого должны соот­ветствовать шкале.

Например, чтобы получить максимальный расход при 100%-ной шкале, нужно 120 умножить на 0.833% (постоянная интегратора равна 0,833%. Для шкалы 2500 м³/ч постоянная интегратора равна 20.83 м³ и т. п.

Для более точного снятия показаний в приборе имеется диск точного отсчета 10. один оборот которого соответствует единице счетчика.

Основные правила установки и эксплуатации расходомеров. Заполнение дифманометра уравновешивающей жидкостью, его монтаж и подключение к соединительным линиям для измере­ния перепада давлений на сужающем устройстве следует про­изводить в соответствии с руководством по монтажу и эксп­луатации прибора, а также по требованиям Правил РД 58

50-213—80. Выбор дифманометра по параметрам окружающей среды и его применение для заданных рабочих условий изме­рения расхода должны соответствовать требованиям технической документации завода изготовителя.

Допускается подключение к одному сужающему устройству двух и более дифманометров; при применении интегрирующих дифманометров одновременная их работа не допускается. До­пускается подключение соединительных линий одного дифма­нометра к соединительным линиям другого дифманометра и подключение манометра к «плюсовой» импульсной линии диф­манометра, если это не оказывает влияния на процесс изме­рения. Соединительные линии для подключения элементов те­лемеханики должны быть проложены отдельно от других со­единительных линий по кратчайшему расстоянию вертикально или с уклоном к горизонтали не менее 1 : 10. Длина линий не должна превышать наибольшей допустимой длины, указан­ной в руководстве по монтажу и эксплуатации дифманометра. Соединительные линии должны быть защищены от действия внешних источников тепла или холода.

При измерении расхода горячего вещества (100°С) не обходимо обеспечить равенство температур в обеих соедини­тельных линиях. Соединительные линии должны проклады­ваться таким образом, чтобы исключить в них скопление воз­душных пузырьков (при измерении расхода жидкости) и кон­денсата (при измерении расхода газа или пара). Для этих це­лей на соединительных линиях рекомендуется устанавливать газосборник или отстойные сосуды. При измерении расхода аг­рессивных сред передача измеряемого давлении должна осу­ществляться через разделительную жидкость, заливаемую в дифманометр. Жидкость служит для защиты внутренних поло­стей дифманометров от воздействия измеряемой среды. В этом случае па участках соединительных линий между дифманометром и сужающим устройством подключают разделительные сосуды. Конструкции разделительных сосудов и схемы их ус­тановок следует выбирать по ГОСТ 14320—73.

Требования к соединительным линиям для газов. При из мерении расхода газа дифманометр рекомендуется устанавливать выше сужающего устройства (рис. 4.17. о). При расположении дифманометра ниже сужающего устройства должны предусматриваться отстойные сосуды в низших точках соеди­нительных линий (рис. 4.17,(5).

Для горизонтальных трубопроводов соединительные линии следует подключать к верхней половине сужающего устрой­ства.

Требования к соединительным линиям для водяного пара.

При измерении расхода пара должно быть обеспечено постоян­ство и равенство уровней конденсата в обеих соединительных линиях. Это достигается размещением вблизи сужающего уст­ройства уравнительных конденсационных сосудов, которые

Рис 4.17. Схемы соединительных линий мри измерении расхола газа:

1 —сужающее устройство; 2 — продувочный вешили; 3— вентиль; 4 — Дифманометр; S —сосуд

вместе с участками соединительных линий между сосудами и дифмаиометром заполняют конденсатом (водой).

Трубки, соединяющие сужающее устройство с сосудами, на участках вблизи сосудов должны располагаться горизонтально и на одном уровне. Эти трубки должны быть термоизолированы. Типы и основные параметры уравнительных конденсаци­онных сосудов приведены в ГОСТ 14318—73.

Рис. 4.18. Схемы соединительных линии при измерении расхода пара:

Рис. 4.19. Ротаметр

Дифманометр следует располагать ниже сужа­ющего устройства (рис. 4.18,а). При Р>0,2 МПа допускается устанавливать дифманометр выше су­жающего устройства (рис. 4.18,6). Данная схема применима также при расположении дифманометра ниже сужающего устройства на расстоянии не более 1.5 м. Схема, приведенная на рис. 4.18, в, допустима при Р^.0,2 МПа и расстоянии между трубопроводом и сосудами не более 4 м. При этом трубки, соединяющие сужающее устрой­ство с сосудами, должны иметь внутренний диаметр не менее 25 мм. Указанные трубки, а также сосуды должны быть термопзолированы.

Требования к соединительным линиям для жидкостей. При

измерении расхода жидкости дифманометр рекомендуется ус­танавливать ниже сужающего устройства. Соединительные ли­нии на всем протяжении должны иметь уклон в одну сторону. В случае расположения дифманометра выше сужающего уей ройства в высших точках линий необходимо помещать газосборпики. Для горизонтальных трубопроводов соединительные линии следует подключать к нижней половине сужающего уст­ройства. Перед дифмаиометром рекомендуется устанавливать отстойные сосуды (на схемах показаны пунктиром). Примене­ние сосудов обязательно, если из измеряемой жидкости выпа­дают осадки.

При измерении расхода горячих жидкостей в соединитель­ные линии следует включать уравнительные сосуды, обеспечи­вающие равенство плотностей жидкости в трубах, соединяю­щих сосуды с прибором. Конструкция и основные параметры уравнительных сосудов для жидкостей приведены в ГОСТ 13219—73.