Методика використання пристроїв, що звужують, для вимірювання витрати середовищ (рідини, повітря газу, пари). Вимірювання витрати перепаду тисків на звужувальному пристрої Симетричне різке розширення

Стандартні звужувальні пристроїможуть застосовуватися в комплекті з дифманометрами для вимірювання витрати та кількості рідин, газів та пари в круглих трубопроводах (при будь-якому їх розташуванні), якщо їх розрахунок, виготовлення та встановлення виконані відповідно до ГОСТ 8.563.1-97.

При необхідності використання пристроїв, що звужують, на трубопроводах меншого діаметра вони повинні піддаватися індивідуальному градуювання, тобто. експериментального визначення залежності G = f(Δp).

У ГОСТ 8.563.1-97 даються вісім варіантів типів пристроїв, що звужують: діафрагми з кутовим, фланцевим і трирадіусним способами відбору тиску, сопла ІСА 1932, труби Вентурі з обробленою і необробленою конічною частиною короткі і довгі, сопла Вентурі короткі. Стандартні діафрагми застосовуються при дотриманні умови 0,2 ≤ β ≤ 0,75, стандартні сопла - при 0,3 ≤ β ≤ 0,8 і сопла Вентурі - при 0,3 ≤ β ≤ 0,75. Конкретний тип пристрою звуження вибирається при розрахунку в залежності від умов застосування, необхідної точності, допустимої втрати тиску.

Для дотримання геометричної подібності пристроїв, що звужують, повинні бути виготовлені відповідно до вимог ГОСТ 8.563.1-97, які коротко розглянуті стосовно найбільш поширених звужувальних пристроїв - діафрагм, зображених на рис. 1. Торці діафрагми повинні бути плоскими та паралельними один одному. Шорсткість торця в межах D повинна бути не більше 10 -4 d, вихідний торець повинен мати шорсткість у межах 0,01 мм. Якщо діафрагма служить для вимірювання витрати потоку в обох напрямках, то обидва торці повинні оброблятися з шорсткістю не більше 10 -4 d, конічне розширення в цьому випадку відсутнє і кромки з обох сторін повинні бути гострими з радіусом заокруглення не більше 0,05 мм. Якщо радіус заокруглення вбирається у 0,0004d, ТО поправочний множник на неостроту вхідний кромки приймається рівним одиниці. При d ≥ 125 мм ця умова виконується. Шорсткість поверхні отвору має перевищувати 10 -5 d.

Товщина діафрагми Е повинна знаходитися в межах до 0,05D товщина визначається за умови відсутності деформації під впливом Δр при певній межі плинності матеріалу.

Довжина циліндричної частини отвору діафрагми повинна бути в межах від 0,005D до 0,02D, якщо товщина перевищує останню цифру, то з боку вихідного торця робиться конічна поверхня з кутом конусності 45±15°.

Мал. 1. :

а – через окремі отвори; б – з кільцевих камер (кутові методи); в - через отвори у фланцях (фланцевий метод при l1 = l2 = 25,4 мм, трирадіусний - при l1 = D та l2 = 0,5D)

Відбір тисків р1 і р2 при кутовому способі здійснюється через окремі циліндричні отвори (рис. 1, а), або з двох кільцевих камер, кожна з яких з'єднується з внутрішньою порожниною трубопроводу кільцевою щілиною або групою рівномірно розподілених по колу отворів (мал. 1, б). Конструкція добірних пристроїв для діафрагм та сопл однакова. Звужувальні пристрої з кільцевими камерами зручніші в експлуатації, особливо за наявності місцевих збурень потоку, оскільки кільцеві камери забезпечують вирівнювання тиску по колу труби, що дозволяє більш точно вимірювати перепад тиску при скорочених прямих ділянках трубопроводу.

При фланцевому та трирадіусному способах відбору тиску перепад вимірюється через окремі циліндричні отвори, розташовані на відстані в першому випадку l1 = l2 = 25,4 мм, а в другому l1 = D та l2 = 0,5D від площин діафрагми (рис. 1, в ). Коефіцієнт закінчення залежить від способу відбору тиску.

При встановлення звужувальних пристроївнеобхідно дотримуватись ряд умов, що впливають на похибку вимірювань.

Звужувальний пристрій у трубопроводіповинно розташовуватися перпендикулярно до осі трубопроводу. Для діафрагм неперпендикулярність має перевищувати 1°. Вісь пристрою, що звужує, повинна збігатися з віссю трубопроводу.

Ділянка трубопроводу довжиною 2D до і після звужувального пристрою має бути циліндричною, гладкою, на ньому не повинно бути ніяких уступів, а також помітних оку наростів і нерівностей від заклепок, зварювальних швів тощо.

Важливою умовою є необхідність забезпечення течії потоку, що встановився, перед входом в звужуючий пристрій і після нього. Такий потік забезпечується наявністю прямих ділянок трубопроводу певної довжини до і після пристрою. На цих ділянках не повинні встановлюватись жодні пристрої, які можуть спотворити гідродинаміку потоку на вході або виході пристрою, що звужує. Довжина цих ділянок повинна бути такою, щоб спотворення потоку, що вносяться колінами, вентилями, трійниками, змогли згладитися до підходу потоку до пристрою, що звужує. При цьому необхідно мати на увазі, що більш істотне значення мають спотворення потоку перед пристроєм, що звужує, і значно менше - за ним, тому засувки і вентилі, особливо регулюючі, рекомендується встановлювати після СУ. Довжина L K прямої ділянки перед пристроєм, що звужує, залежить від відносного діаметра

Діаметра трубопроводу D і виду місцевого опору, розташованого до прямої ділянки, L K1 /D = а до + b до ск, де ак, b до, с к - постійні коефіцієнти, що залежать від виду місцевого опору. Їхня величина та найменші значення L K1 /D для дев'яти типів місцевих опорів наведені в табл. 1.

Таблиця 1. Найменші відносні довжини лінійної ділянки до діафрагми

Допускається скорочення довжини лінійної ділянки після СУ вдвічі, але додаткова похибка до коефіцієнта закінчення становитиме ±0,5 %.

Необхідно, щоб контрольоване середовище заповнювало весь поперечний переріз трубопроводу, причому фазовий стан речовини не повинен змінюватися при проходженні через пристрій, що звужує. Конденсат, пил, гази або опади, що виділяються з контрольованого середовища, не повинні накопичуватися поблизу пристрою, що звужує.

Дифманометр підключається до звужувального пристрою двома сполучними лініями ( імпульсними трубками ) внутрішнім діаметром не менше 8 мм. Допускається довжина з'єднувальних ліній до 50 м, однак через можливість виникнення великої динамічної похибки не рекомендується використовувати лінії довжиною понад 15 м.

Для правильного вимірювання витрати перепад тиску на вході дифманометра повинен дорівнювати перепаду тиску, що розвивається пристроєм, що звужує, тобто. перепад від пристрою звуження до дифманометра має передаватися без спотворення.

Це можливо у випадку, якщо тиск, створюваний стовпом середовища в обох трубах, буде однаковим. У реальних умовах це рівність може порушуватися. Наприклад, при вимірюванні витрати газу причиною цього може бути накопичення конденсату в неоднаковій кількості в сполучних лініях, а при вимірюванні витрати рідини, навпаки, накопичення газових бульбашок, що виділяються. Щоб уникнути цього, з'єднувальні лінії повинні бути або вертикальними, або похилими з ухилом не менше 1:10, причому на кінцях похилих ділянок повинні бути конденсато-або газозбірники. Крім того, обидві імпульсні трубки слід розташовувати поруч, щоб уникнути неоднакового нагріву або охолодження їх, що може призвести до неоднакової щільності рідини, що заповнює їх, і, отже, до додаткової похибки. При вимірі витрати пари важливо забезпечити рівність та сталість рівнів конденсату в обох імпульсних трубках, що досягається застосуванням зрівняльних судин.

До одного пристрою, що звужує, може бути підключено кілька дифманометрів. При цьому допускається підключення з'єднувальних ліній одного дифманометра до сполучних ліній іншого.

При вимірі витрати рідини дифманометр рекомендується встановлювати нижче звужувального пристрою 1, що виключає попадання в сполучні лінії і дифманометр газу, який може виділитися з рідини, що протікає (рис. 2, а).

Мал. 2. Схема з'єднувальних ліній при вимірюванні витрати рідини з установкою дифманометра нижче (а) і вище (6) пристрою звуження :

1 - пристрій, що звужує; 2 – запірні вентилі; 3 - продувний вентиль; 4 – газозбірники; 5 - розділові судини

Для горизонтальних і похилих трубопроводів з'єднувальні лінії повинні підключатися через запірні вентилі 2 до нижньої половини труби (але не в нижній частині), щоб уникнути попадання в лінії газу або опадів з трубопроводу. Якщо дифманометр все ж таки встановлюється вище звужувального пристрою (рис. 2, б), то в найвищих точках сполучних ліній необхідно встановлювати газозбірники 4 з продувними вентилями. Якщо сполучна лінія складається з окремих ділянок (наприклад, при обході будь-якої перешкоди), то газозбірники встановлюються у найвищій точці кожної ділянки. При встановленні дифманометра вище звужувального пристрою трубки поблизу останнього прокладаються з подібним вигином, що опускається нижче трубопроводу не менше ніж на 0,7 м для зменшення можливості попадання газу з труби в сполучні лінії. Продування сполучних ліній здійснюється через вентилі 3.?

При вимірі витрати агресивних середовищ у сполучних лініях можливо ближче до пристрою, що звужує, встановлюються. розділові судини 5. Сполучні лінії між розділювальною судиною і дифманометром, частково і сама посудина заповнені нейтральною рідиною, щільність якої більша за щільність вимірюваного агресивного середовища. Решта судини та лінії до пристрою, що звужує, заповнені контрольованим середовищем. Отже, поверхня розділу контрольованого середовища та розділової рідини знаходиться всередині судини, причому рівні розділу в обох судинах повинні бути однаковими.

Роздільна рідина вибирається таким чином, щоб вона хімічно не взаємодіяла з контрольованим середовищем, не змішувалася з нею, не давала відкладень і не була агресивною по відношенню до матеріалу судин, сполучних ліній та дифманометра. Найчастіше в якості розділової рідини використовуються вода, мінеральні олії, гліцерин, водогліцеринові суміші.

При вимірі витрати газу дифманометр рекомендується встановлювати вище пристрою, що звужує, щоб конденсат, що утворився в з'єднувальних лініях, міг стікати в трубопровід (рис. 3, а).

Мал. 3. Схема з'єднувальних ліній при вимірюванні витрати газу з установкою дифманометра вище (а) і нижче (б) пристрою звуження:

1 - пристрій, що звужує; 2 – запірні вентилі; 5 - продувний вентиль; 4 - конденсатозбірник

Сполучні лінії потрібно підключати через запірні вентилі 2 до верхньої половини пристрою, що звужує, їх прокладку бажано проводити вертикально. Якщо вертикальна прокладка з'єднувальних ліній неможлива, то їх слід прокладати з нахилом у бік трубопроводу або конденсатозбірників 4. Подібні вимоги повинні виконуватися і при розташуванні дифманометра нижче пристрою, що звужує (рис. 3, б). При вимірюванні витрати агресивного газу до сполучних ліній повинні включатися розділові судини.

При вимірі витрати перегрітої водяної пари неізольовані сполучні лінії виявляються заповненими конденсатом. Рівень конденсату та його температура в обох лініях повинні бути однаковими за будь-якої витрати.

Для стабілізації верхніх рівнів конденсату в обох з'єднувальних лініях поблизу пристрою, що звужує, встановлюються зрівняльні конденсаційні судини . Призначення зрівняльних судин можна пояснити за допомогою рис. 4.

Мал. 4. :

а-в - стадії вимірювання різниці тисків

Припустимо, що за відсутності зрівняльних судин і деякі витрати пара рівень конденсату в обох імпульсних трубках однаковий. При збільшенні витрати на пристрої, що звужує, збільшується перепад тиску, що змушує нижню мембранну коробку стискатися, а верхню розтягуватися (рис. 4, б). Через зміну обсягів коробок у нижню, «плюсову» камеру дифманометра буде затікати конденсат з «плюсової» імпульсної трубки, що призведе до зниження рівня в ній на величину h. З верхньої, «мінусової» камери дифманометра конденсат виштовхуватиметься в імпульсну трубку і паропровід, але висота стовпа конденсату залишиться незмінною. Різниця рівнів конденсату, що утворилася, створює перепад тиску, що зменшує перепад тиску в звужувальному пристрої. Таким чином, показання витратоміра будуть заниженими. Неважко помітити, що абсолютна похибка виміру зростатиме зі збільшенням змін витрати.

Вочевидь, що похибка можна знизити зменшенням h. Для цього на кінцях імпульсних трубок встановлюють зрівняльні конденсаційні судини (рис. 5) – горизонтально розташовані циліндри великого перерізу. Так як переріз цих судин велике, витікання з них конденсату мало змінить його рівень, так що перепад, що вимірюється дифманометром, можна вважати рівним перепаду в пристрої, що звужує.

При вимірюванні витрати пари дифманометр слід розташовувати нижче пристрою, що звужує 1 і зрівняльних судин 2 (рис. 5, а) для полегшення видалення повітря з сполучних ліній.

Мал. 5. Схема з'єднувальних ліній при вимірюванні витрати пари з установкою дифманометра нижче (а) і вище (б) пристрою звуження:

1 - пристрій, що звужує; 2 – зрівняльні судини; 3, 4 - запірні та продувальні вентилі; 5 - газозбірник

Допускається дифманометр розташовувати вище пристрою, що звужує, але у верхній точці з'єднувальних ліній в цьому випадку необхідно встановлювати газозбірники 5 (рис. 5, б), позиції 3,4 - запірні і продувні вентилі.

Стандартні пристрої звуження можуть застосовуватися в комплекті з дифманометрами для вимірювання витрати і кількості рідин, газів і пари в круглих трубопроводах (за будь-якого їх розташування).

При необхідності використання пристроїв, що звужують, на трубопроводах малого діаметра вони повинні піддаватися індивідуальному градуювання, тобто.

Експериментальне визначення залежності

Найпоширенішими є вісім варіантів типів СУ: діафрагми з кутовим, фланцевим та трирадіусним способами відбору тиску, сопла ІСА 1932, труби Вентурі з обробленою та необробленою конічною частиною короткі та довгі, сопла Вентурі короткі та довгі. Стандартні діафрагми застосовуються при дотриманні умови 0,2 та сопла Вен-

тури - при. Конкретний тип пристрою звуження вибирається при розрахунку в залежності від умов застосування, необхідної точності, допустимої втрати тиску.

Для дотримання геометричної подібності СУ повинні бути виготовлені відповідно до вимог стосовно найбільш поширених пристроїв, що звужують - діафрагм, зображених на рис. 12.4. Торці діафрагми мають бути плоскими та паралельними один одному. Шорсткість торця в межах D повинна бути не більше, вихідний торець повинен мати шорсткість у межах 0,01 мм. Якщо діафрагма служить для вимірювання витрати потоку в обох напрямках, то обидва торці повинні оброблятися з шорсткістю не більше, конічне розширення в цьому випадку відсутнє і кромки з обох сторін повинні бути гострими з радіусом закруглення не більше 0,05 мм. Якщо радіус заокруглення вбирається у 0,0004d, то поправочний множник на неостроту вхідний кромки приймається рівним одиниці. Примм ця умова виконується. Шорсткість поверхні отвору не повинна перевищувати

Мал. 12.4. Способи відбору тиску:

а – через окремі отвори; б – з кільцевих камер (кутові методи); в - через отвори у фланцях (фланцевий метод при l1 = l2 = 25,4 мм, трирадіусний - при l1 = D та l2 = 0,5D)

Товщина діафрагми Е повинна перебувати в межах до 0,05D, товщина визначається за умови відсутності деформації під впливом Δpв за певної межі плинності матеріалу. Якщо дійсна товщина діафрагми менша за розрахункову, то до похибки визначення коефіцієнта закінчення (12.18) додається похибка δЕ.

Довжина циліндричної частини отвору діафрагми повинна бути в межах від 0,005D до 0,02D, якщо товщина перевищує останню цифру, то з боку вихідного торця робиться конічна поверхня з кутом конусності 45 ± 15°.

Відбір тисків р1 і р2 при кутовому способі здійснюється через окремі циліндричні отвори (рис. 12.4, а), або з двох кільцевих камер, кожна з яких з'єднується з внутрішньою порожниною трубопроводу кільцевою щілиною або групою рівномірно розподілених по колу отворів (рис. 12.4). б). Конструкція добірних пристроїв для діафрагм та сопл однакова. Звужувальні пристрої з кільцевими камерами зручніші в експлуатації, особливо за наявності місцевих збурень потоку, оскільки кільцеві камери забезпечують вирівнювання тиску по колу труби, що дозволяє більш точно вимірювати перепад тиску при скорочених прямих ділянках трубопроводу

При фланцевому та трирадіусному способах відбору тиску перепад вимірюється через окремі циліндричні отвори, розташовані на відстані у першому випадку
мм, а в другому від площин діафрагми (рис. 12.4, в). Коефіцієнт закінчення залежить від способу відбору тиску.

При установці звужувальних пристроїв необхідно дотримуватися ряду умов, що впливають на похибку вимірювань.

Звужуючий пристрій у трубопроводі повинен розташовуватися перпендикулярно до осі трубопроводу. Для діафрагм неперпендикулярність має перевищувати 1°. Вісь пристрою, що звужує, повинна збігатися з віссю трубопроводу. Зміщення осі отвору пристрою звуження щодо осі трубопроводу не повинно перевищувати Якщо зміщення осі перевищує зазначене значення, але менше, то до похибки коефіцієнта закінчення (12.18) додають δех = 0,3%. Якщо зміщення осі перевищує зазначене граничне значення, то встановлення СУ не допускається.

Ділянка трубопроводу довжиною 2D до і після звужувального пристрою має бути циліндричною, гладкою, на ньому не повинно бути ніяких уступів, а також помітних оку наростів і нерівностей від заклепок, зварювальних швів тощо. Трубопровід вважається циліндричним, якщо відхилення діаметра не перевищує його середнього значення. В іншому випадку, якщо на відстані lh до СУ висота уступу h задовольняє двом умовам

то похибки коефіцієнта закінчення додають δh = 0,2%.

Важливою умовою є необхідність забезпечення течії потоку, що встановився, перед входом в звужуючий пристрій і після нього. Такий потік забезпечується наявністю прямих ділянок трубопроводу певної довжини до і після пристрою. На цих ділянках не повинні встановлюватись жодні пристрої, які можуть спотворити гідродинаміку потоку на вході або виході пристрою, що звужує. Довжина цих ділянок повинна бути такою, щоб спотворення потоку, що вносяться колінами, вентилями, трійниками, змогли згладитися до підходу потоку до пристрою, що звужує. При цьому необхідно мати на увазі, що більш істотне значення мають спотворення потоку перед пристроєм, що звужує, і значно менше - за ним, тому засувки

Таблиця 12.2

Найменші відносні довжини лінійної ділянки до діафрагми

і вентилі, що особливо регулюють, рекомендується встановлювати після СУ. Довжина Lк прямої ділянки перед пристроєм, що звужує, залежить від відносного діаметра β, діаметра трубопроводу D і виду місцевого опору, розташованого до прямої ділянки,

Постійні коефіцієнти, які від виду місцевого опору. Їхня величина та найменші значення Lк1/D для дев'яти типів місцевих опорів наведені в табл. 12.2.

Так, для виду місцевого опору «Засувка, повнопрохідний кульовий кран» при, Довжина прямої ділянки L2 після звужувального пристрою залежить тільки від числа і при = 0,8 Допускається зменшення довжини прямих ділянок перед СУ до величини, що викликає додаткову похибку δL, яка не перевищить ±1%. Похибка підсумовується значенням δс0 і розраховується за формулою

де відношення дійсної довжини прямої ділянки до розрахункової. Похибка відповідає

Допускається скорочення довжини лінійної ділянки після СУ вдвічі, але при цьому додаткова похибка до коефіцієнта закінчення становитиме

Необхідно, щоб контрольоване середовище заповнювало весь поперечний переріз трубопроводу, причому фазовий стан речовини не повинен змінюватися при проходженні через пристрій, що звужує. Конденсат, пил, гази або опади, що виділяються з контрольованого середовища, не повинні накопичуватися поблизу пристрою, що звужує.

Дифманометр підключається до пристрою, що звужує, двома сполучними лініями (імпульсними трубками) внутрішнім діаметром не менше 8 мм. Допускається довжина з'єднувальних ліній до 50 м, однак через можливість виникнення великої динамічної похибки не рекомендується використовувати лінії довжиною понад 15 м.

Для правильного вимірювання витрати перепад тиску на вході дифманометра повинен дорівнювати перепаду тиску, що розвивається пристроєм, що звужує, тобто. перепад від пристрою, що звужує, до дифманометра повинен передаватися без спотворення.

Це можливо у випадку, якщо тиск, створюваний стовпом середовища в обох трубах, буде однаковим. У реальних умовах це рівність може порушуватися. Наприклад, при вимірюванні витрати газу причиною цього може бути накопичення конденсату в неоднаковій кількості в сполучних лініях, а при вимірюванні витрати рідини, навпаки, накопичення газових бульбашок, що виділяються. Щоб уникнути цього, з'єднувальні лінії повинні бути або вертикальними, або похилими з ухилом не менше 1:10, причому на кінцях похилих ділянок повинні бути конденсато-або газозбірники. Крім того, обидві імпульсні трубки слід розташовувати поруч, щоб уникнути неоднакового нагріву або охолодження їх, що може призвести до неоднакової щільності рідини, що заповнює їх, і, отже, до додаткової похибки. При вимірі витрати пари важливо забезпечити рівність та сталість рівнів конденсату в обох імпульсних трубках, що досягається застосуванням зрівняльних судин.

До одного пристрою, що звужує, може бути підключено кілька дифманометрів. При цьому допускається підключення з'єднувальних ліній одного дифманометра до сполучних ліній іншого.

При вимірюванні витрати рідини дифманометр рекомендується встановлювати нижче пристрою, що звужує 1, що виключає попадання в сполучні лінії і дифманометр газу, який може виділитися з протікає рідини (рис. 12.5, а).

Мал. 12.5. Схема з'єднувальних ліній при вимірюванні витрати рідини з установкою дифматометра нижче (і) і вище (б) пристрою, що звужує:

1 - пристрій, що звужує; 2 – запірні вентилі; 3 - продувний вентиль; 4 – газозбірники;

5 - розділові судини

Для горизонтальних і похилих трубопроводів з'єднувальні лінії повинні підключатися через запірні вентилі 2 до нижньої половини труби (але не в нижній частині), щоб уникнути попадання в лінії газу або опадів з трубопроводу. Якщо дифманометр все ж таки встановлюється вище звужувального пристрою (рис. 12.5 б), то в найвищих точках з'єднувальних ліній необхідно встановлювати газозбірники 4 з продувними вентилями. Якщо сполучна лінія складається з окремих ділянок (наприклад, при обході будь-якої перешкоди), то газозбірники встановлюються у найвищій точці кожної ділянки. При встановленні дифманометра вище звужуючого пристрою трубки поблизу останнього прокладаються з U-подібним вигином, що опускається нижче трубопроводу не менше ніж на 0,7 м для зменшення можливості попадання газу з труби в сполучні лінії. Продування з'єднувальних ліній здійснюється через вентилі 3.

При вимірюванні витрати агресивних середовищ у з'єднувальних лініях можливо ближче до звужувального пристрою встановлюються розділові судини 5. Сполучні лінії між роздільною судиною і дифманометром, частково і сама посудина заповнені нейтральною рідиною, щільність якої більша за щільність агресивного середовища. Решта судини та лінії до пристрою, що звужує, заповнені контрольованим середовищем. Отже, поверхня розділу контрольованого середовища та розділової рідини знаходиться всередині судини, причому рівні розділу в обох судинах повинні бути однаковими.

Роздільна рідина вибирається таким чином, щоб вона хімічно не взаємодіяла з контрольованим середовищем, не змішувалася з нею, не давала відкладень і не була агресивною по відношенню до матеріалу судин, сполучних ліній та дифманометра. Найчастіше в якості розділової рідини використовуються вода, мінеральні олії, гліцерин, водогліцеринові суміші.

При вимірі витрати газу дифманометр рекомендується встановлювати вище звужувального пристрою, щоб конденсат, що утворився в сполучних лініях, міг стікати в трубопровід (рис. 12.6 а). Сполучні лінії потрібно підключати через запірні вентилі 2 до верхньої половини пристрою, що звужує, їх прокладку бажано проводити вертикально. Якщо вертикальна прокладка з'єднувальних ліній неможлива, то їх слід прокладати з нахилом у бік трубопроводу або конденсатозбірників 4. Подібні вимоги повинні виконуватися і при розташуванні дифманометра нижче пристрою, що звужує (рис. 12.6, б). При вимірюванні витрати агресивного газу до сполучних ліній повинні включатися розділові судини.

Мал. 12.6. Схема з'єднувальних ліній при вимірюванні витрати газу з установкою дифманометра вище (я) і нижче (б) пристрою, що звужує:

1 - пристрій, що звужує; 2 – запірні вентилі; 3 - продувний вентиль; 4 - конденсатозбірник

Мал. 12.7. Схема, що пояснює призначення зрівняльних конденсаційних судин при вимірі витрати пари:

а-в - стадії вимірювання різниці тисків

При вимірі витрати перегрітої водяної пари неізольовані сполучні лінії виявляються заповненими конденсатом. Рівень конденсату та його температура в обох лініях повинні бути однаковими за будь-якої витрати.

Для стабілізації верхніх рівнів конденсату в обох сполучних лініях поблизу пристрою, що звужує, встановлюються зрівняльні конденсаційні судини. Призначення зрівняльних судин можна пояснити за допомогою рис. 12.7. Припустимо, що за відсутності зрівняльних судин і деякі витрати пара рівень конденсату в обох імпульсних трубках однаковий. При збільшенні витрати на пристрої, що звужує, збільшується перепад тиску, що змушує нижню мембранну коробку стискатися, а верхню розтягуватися (рис. 12.7, б). Через зміну обсягів коробок у нижню, «плюсову» камеру дифманометра буде затікати конденсат з «плюсової» імпульсної трубки, що призведе до зниження рівня в ній на величину h. З верхньої, «мінусової» камери дифманометра конденсат виштовхуватиметься в імпульсну трубку і паропровід, але висота стовпа конденсату залишиться незмінною. Різниця рівнів конденсату, що утворилася, створює перепад тиску hρg, що зменшує перепад тиску в звужувальному пристрої. Отже, на дифманометр діятиме перепад, тобто. показання витратоміра будуть заниженими. Неважко помітити, що абсолютна похибка виміру зростатиме зі збільшенням змін витрати.

Вочевидь, що похибка можна знизити зменшенням h. Для цього на кінцях імпульсних трубок встановлюють зрівняльні конденсаційні судини (рис. 12.8) – горизонтально розташовані циліндри великого перерізу. Так як переріз цих судин велике, витікання з них конденсату мало змінить його рівень, так що перепад Δpд, що вимірюється дифманометром, можна вважати рівним перепаду в звужувальному пристрої.

Мал. 12.8. Схема з'єднувальних ліній при вимірюванні витрати пари з установкою дифманометра нижче (а) і вище (б) пристрою, що звужує:

1 - пристрій, що звужує; 2 – зрівняльні судини; 3, 4 - запірні та продувальні вентилі;

Витратоміри змінного перепадускладаються з пристроїв, що утворюють місцеве звуження у трубопроводі (звужувальні пристрої) та диференціальних манометрів перепаду тиску.

Принцип дії пристроїв, що звужують, полягає в наступному: при протіканні потоку рідини, газу або пари в звуженому перерізі трубопроводу частина потенційної енергії тиску переходить в кінетичну. Середня швидкість потоку збільшується, в результаті чого в пристрої, що звужує створюється перепад тиску, величина якого залежить від витрати речовини.

Звужувальні пристрої поділяються на дві групи: нормалізовані та ненормалізовані. До першої групи належать діафрагми, сопла, труби Вентурі. Діафрагми та сопла встановлюють у трубопроводах круглого перерізу діаметром не менше 50 мм, а трубу Вентурі - у трубопроводі діаметром не менше 100 мм.

До другої групи звужуючих пристроїв відносяться здвоєні діафрагми, сопла з профілем розміром 1/4 кола та інші пристрої, які застосовують для вимірювання витрати в'язких рідин при малих діаметрах трубопроводів.

Діафрагми(Рис. 31) бувають камерні А - відбір імпульсів тиску за допомогою кільцевих камер і безкамерні Б - відбір імпульсів тиску за допомогою отворів (табл. 13). Товщина диска діафрагми має бути меншою за 0,1 D (D — діаметр умовного проходу трубопроводу).

Камерні діафрагмискладаються з диска, прокладки та двох кільцевих камер. Кільцеві камери вимірюють тиск до та після діафрагми. Товщина диска дорівнює 3 мм для трубопроводів діаметром D< 150 мм и 6 мм для трубопроводов диаметром 150 < D < 400 мм.

Сопла можуть застосовуватись для труб діаметром не менше 50 мм. Схема сопла представлена ​​на рис. 32. Верхня частина відповідає відбору імпульсів тиску за допомогою кільцевої камери, нижня - відбір проводиться за допомогою отворів. Випускають їх малими серіями.

Труба Вентурі має звуження, що поступово звужується, яке потім розширюється до початкового розміру. Внаслідок такої форми втрати тиску в ній менше, ніж у діафрагмах та соплах. Труба Вентурі складається з вхідного та вихідного конусів та циліндричної середньої частини (рис. 33).

Труба Вентурі називається довгою, якщо діаметр вихідного конуса дорівнює діаметру трубопроводу, і короткою, якщо він менший за діаметр трубопроводу.

Звужувальні пристрої — найпростіші дешеві надійні засоби вимірювання витрати. Градуювальна характеристика стандартних пристроїв, що звужують, може бути визначена розрахунковим шляхом, тому відпадає необхідність у зразкових витратомірах. Звужуючий пристрій є індивідуальним для кожного витратоміра.

З перерахованих пристроїв, що звужують найбільше застосування знайшли діафрагми, тому наведемо приклади розрахунку діафрагми для вимірювання витрати води і вологого повітря (газу).

Розрахунок пристрою, що звужує, полягає у визначенні розмірів його прохідного отвору.

1. Знаходимо добуток коефіцієнта витрати а на відношення площі прохідного перерізу діафрагм до площі трубопроводу а:

2. Розраховуємо критерії Рейнольдса, що відповідають розрахунковим та мінімальним витратам:

3. За твором ста за допомогою графіка (рис. 34) визначаємо значення а та а:

4. Розраховуємо втрати тиску від встановлення діафрагми

Фактичні втрати тиску від встановлення діафрагми менші за допустиме значення.

1. Визначаємо діаметр проходу діафрагми при робочій температурі:

6. Знаходимо діаметр проходу при температурі 20 °С:

7. Перевіряємо розрахунок за формулою:

1. Визначаємо щільність вологого повітря:

2. Знаходимо орієнтовне значення твору ста, прийнявши коефіцієнт розширення е = 1:

1. Розраховуємо критерій Рейнольдса для розрахункового та мінімального витрат повітря:
2. За графіком (див. рис. 34) визначаємо орієнтовні значення а та а. Вони рівні відповідно 0,445 та 0,673.
3. Знаходимо значення коефіцієнта розширення е за графіком (рис. 36) – е = 0,975.
4. Уточнюємо значення твору а а 8 = 0,292. 0,975 = 0,287.

1. За уточненим твором а а 8 визначаємо а і а (див. рис. 34):

Отримане значення менше від допустимого.

1. Розраховуємо втрати тиску від пристрою, що звужує (див. рис. 35): AP d = 55 %;

10. Перевіряємо розрахунок за формулою

Однотипні пристрої диференціальні манометрита вторинні прилади можуть бути використані для різних умов виміру.

Витратоміриз пристроями, що звужують універсальні, вони застосовуються для вимірювання витрати практично будь-яких однофазних (іноді і двофазних) середовищ у широкому діапазоні тисків, температур, діаметрів трубопроводів.

Розрахунок витратомірів змінного перепаду тиску зводиться до визначення діаметра отвору та інших розмірів сопла або діафрагми, коефіцієнта витрати, динамічного діапазону вимірювання, що визначається числами Рейнольдса, перепаду тиску і втрат тиску на пристрої, що звужує, поправного множника на розширення, а також похибки вимірювання витрати газу. Для розрахунку повинні бути задані максимальний (граничний), середній та мінімальний витрати, діапазони зміни тиску та температури газу, внутрішній діаметр та матеріал вимірювального трубопроводу, склад газу або його щільність за нормальних умов, допустимі втрати тиску або граничний перепад тиску, що відповідає максимальній витраті, а також середній барометричний тиск у місці встановлення дифманометра-витратоміру.

Методика розрахунків.Перед початком розрахунку вибираємо типи та класи точності дифманометра-витратоміра, манометра та термометра. Розрахунок проводиться в такий спосіб.

1. Визначаємо округлений до трьох значущих цифр допоміжний коефіцієнт Зпри підстановці до неї значення максимальної (граничної) витрати Q н. пр, температури та тиску, щільності газу за нормальних умов ρ н, коефіцієнта стисливості Zта діаметра вимірювального трубопроводу D:

При знайденому значенні З можливі два види розрахунку: заданий перепад тиску або задані втрати тиску. Якщо встановлено граничний перепад тиску Δ р пр, то по номограмі рис. 8.11 визначаємо попереднє відносне звуження m (модуль) пристрою звуження за знайденим коефіцієнтом Зі заданому граничному перепаду тиску на пристрої, що звужує Δ р пр, . Знайдене попереднє значення модуля mпідставляємо у формулу за визначенням тαта обчислюємо попередній коефіцієнт витрати α .

2. Обчислюємо з точністю до чотирьох значущих цифр допоміжний коефіцієнт mα

де ε - поправочний множник на розширення газу для верхнього граничного перепаду тиску дифманометра Δ р пр , ; Δ р пр, - Верхній граничний перепад тиску на пристрої, що звужує, кгс/м 2 .

3. Визначаємо уточнене значення модуля m із точністю до чотирьох значущих цифр за формулою

m = mα/α.

4. За уточненим значенням модуля mзнаходимо нове значення поправного множника на розширення і обчислюємо різницю між

спочатку обчисленим значенням ε та уточненим. Якщо ця різниця вбирається у 0,0005, то обчислені значення mі ε вважаються остаточними.

5. Визначаємо діаметр dотвори діафрагми при остаточно вибраному m

6. Знайдені значення коефіцієнтів витрати α , поправного множника на розширення ε , діаметра dотвори діафрагми, а також Δ р пр, р 1, Т 1, р ні Zвикористовуємо для визначення витрати газу та перевіряємо розрахунок граничної витрати газу Q н. пр. Отримане значення Q н. пр. не повинно відрізнятись від заданого більш ніж на 0,2 %. Якщо знайдене значення граничної витрати газу відрізняється від заданого більш ніж на 0,2 %, то розрахунок повторюється до отримання необхідної похибки розрахунку граничної витрати газу та параметрів діафрагми.

7. Визначаємо нові уточнені значення модуля m, діаметра dотвори діафрагми, а також коефіцієнта витрати α та повторно розраховуємо. Якщо уточнене розрахункове значення граничної витрати газу не відрізняється від заданого більш ніж на 0,2 %, то уточнені значення m, dі α , фіксуються в розрахунковому аркуші пристрою, що звужує.

8. Розраховуємо мінімальне та максимальне числа Рейнольдса та порівнюємо мінімальне число Рейнольдса з граничними значеннями

9. Визначаємо товщину діафрагми Еширину циліндричної частини діафрагми е ц, ширину кільцевої щілини з, а також розміри кільцевих камер aі b.

10. Вибираємо довжини прямих ділянок вимірювальних трубопроводів до та після діафрагми.

11. Розраховуємо похибку вимірювання витрати

Отримані дані фіксуються в розрахунковому листі пристрою, що звужує, і є основою для його виготовлення та монтажу.

Приклад 9.3.3.Розглянемо розрахунок діафрагми за наступних вихідних даних. Вимірюване середовище - природний вуглеводневий газ із щільністю за нормальних умов ρ н=0,727 кг/м 3 . Найбільша вимірювана (гранична) витрата газу, наведена до нормальних умов, Q н.ін.= 100 000 м 3 /год, середній Q н.=60000 м 3 /год, мінімальний, Q н. min=30000 м-коду 3 /год. Температура газу перед пристроєм, що звужує Т 1=278 К. Надлишковий тиск газу перед пристроєм, що звужує р 1 хат= 1,2 МПа = 12 кгс/см2. Граничний перепад тиску на пристрої звуження (діафрагмі) Δ p пр=2500 кгс/м 2 =0,25 кгс/см 2 . Середній барометричний тиск р б=0,1 МПа = 1 кгс/см2. Внутрішній діаметр трубопроводу перед діафрагмою D= 400 мм. В'язкість газу в робочих умовах μ =1,13·10 -6 кгс·с/м 2 .

Перед діафрагмою знаходяться місцеві опори у вигляді вхідного колектора з двома колінами, розташованими в різних площинах, і вхідний кран, що відсікає. 3a діафрагмою встановлена ​​гільза термометра та вихідний кран. Допустима похибка від неврахування довжин прямих ділянок до та після діафрагми δ α Lмає перевищувати 0,3 %. Відбір тисків від діафрагми – кутовий. Усередині прямої ділянки вимірювального трубопроводу на відстані l=2 м є виступ від стикування труб заввишки h= 1 мм. Ексцентриситет осі отвору діафрагми та вимірювального трубопроводу е= 2 мм.

Наведені похибки δ ппі δ пкпропорційного та кореневого планіметрів однакові та не перевищують 0,5 % Абсолютні похибки ходу діаграм дифманометра, манометра та термометра Δ τ Δр, Δ τ Δр, Δ τ рта Δ τ Тне перевищують 2 хв.

Порядок розрахунку

1. Як звужувальний пристрій вибираємо діафрагму (рис. 9.10, а) з нержавіючої сталі марки Х17. В якості вторинного вимірювального приладу обрано сильфонний самописний дифманометр типу ДСС-734 класу точності 1,5 з граничним перепадом тиску Δ р пр= 2500 кгс/м 2 має додатковий запис тиску класу точності 1,0 з граничним тиском р пр= 25 кгс/см 2 . Для запису температури газу обраний самописний манометричний термометр типу ТЖ класу точності 1,0 з межею виміру від -50 до 50 °С.

2. Визначаємо абсолютний тиск газу перед пристроєм, що звужує, за формулою:

p 1 = p 1 хат+p б= 1,2 +0,1 = 1,3 МПа = 13 кгс/см 2

3. При ρ н=0,727 кг/м 3 коефіцієнт стисливості газу буде 0,974.

4. Визначаємо допоміжний коефіцієнт Зза формулою:

5. При відомому коефіцієнті З=11,530 та граничному перепаді тиску Δ р пр= 2500 кгс/м 2 за фрагментом номограми, рис. 9.11, визначаємо чисельне значення модуля діафрагми mта незворотні втрати тиску на діафрагмі р п.

Для отримання значення модуля т і втрат тиску р пвідкладаємо на вісь абсцис номограми З=11,530 і відновлюємо перпендикуляр до перетину в точці А з кривою 1, що відповідає граничному перепаду тиску Δ р пр=2500 кгс/м 2 . Похила пряма 2, що проходить через точку А, відповідає значенню модуля шуканого діафрагми m=0,356. Провівши з точки А горизонтальну пряму до перетину з віссю ординат, отримуємо значення незворотних втрат тиску р пна діафрагмі, що дорівнює 0,16 кгс/см 2 .

6. Розрахуємо мінімальну кількість Рейнольдса Re min, що відповідає мінімальній витраті газу Q н. min=30000 м 3 /год, тобто.

Re min = 0,0361 Q н. min ρн/(Dμ m ах) = 0,0361 · 30000 ×

× 0,727 / (400 · 1,13 · 10 -6) = 1,74 · 10 6 .

Таке значення мінімального числа Рейнольдса задовольняє умову.

Мал. 9.11. Фрагмент номограми для З=f(Δ p пр, т, р п).

8. Визначаємо значення коефіцієнта адіабати ху робочих умовах при p 1= 13 кгс/см 2 та Т=278 К:

х= 1,29 + 0,704 · 10 -6 р 1 = 1,29 +

0,704 · 10 -6 · 13 = 1,29 + 0,088 = 1,378.

9. Розрахуємо попереднє значення поправного множника на розширення ε при відомому попередньому значенні модуля m=0,356, коефіцієнт адіабати х= 1,378, граничному перепаді тиску Δ р пр=0,25 кгс/см 2 та тиску p 1= 13 кгс/см 2:

ε = 1 - (0,41 + 0,35m2) Δ р пр /(xР 1) = 1 - (0,41 + 0,35 · 0,356 2) ×

× 0,25 / (1,378 · 13) = 1 - 0,454 · 0,0140 = 0,99.

10. Обчислюємо допоміжний коефіцієнт mαпри З = 11,530, ε =0,99 та Δ р пр=2500 кгс/м2:

mα= З/( ε ) = 11,530/(0,99 ) = 0,2329.

11. Визначаємо уточнене значення модуля mпри mα=0,2329 та α =0,6466:

m = mα/α= 0,2329/0,6466 = 0,36.

12. За нового уточненого значення m=0,36 коефіцієнт витрати α дорівнює

α = (1/ ) (0,5959 + 0,0312 · 0,36 1,05 -0,1840 · 0,36 4 +

0,0029 · 0,36 1,25 0,75) = 1,0715 (0,5959 + 0,01067 -

0,00309 + 0,0001324) = 0,6468.

13. При m=0,36 діаметр отвору діафрагми

d= = 400 = 240 мм.

14. Підставляємо у формулу знайдені значення d=240 мм, α =0,6468, ε = 0,99, Δ р пр=2500 кгс/м 2 p 1= 13 кгс/см 2 T 1= 278 К, ρ н=0,727 кг/м 3 та Z=0,974:

Q н.пр= 0,2109αεd 2 = 0,2109 · 0,6468 · 0,99 · 240 2 ×

× = 7778,64 · 12,85 = 99955,6 м 3 /год.

15. Знаходимо похибку розрахунку максимальної витрати газу Δ Qза формулою:

Похибка розрахунку Δ Q =0,04 % <0,2 %, что вполне допустимо. Здесь Q розрах- Уточнене розрахункове значення максимальної (граничної) витрати газу, м 3 /год. Так як похибка розрахунку 0,04% цілком допустима, остаточно приймаємо такі параметри вимірювальної діафрагми. Діаметр отвору діафрагми d=240 мм, коефіцієнт витрати α =0,6468 та модуль m=0,36.

16. Розрахуємо максимальну кількість Рейнольдса Re ma x, що відповідає граничній (максимальній) витраті газу Q н.пр= 100 000 м 3 /год:

Re max = 0,0361Q н.пр ρ н/(Dμ) = 0,0361 · 100000×

×0,727/(400·1,13·10 -6) =2,64·10 6 .

17. Приймаємо товщину диска діафрагми Е=0,05 D. Тоді Е= 0,05-400 = 20 мм. Ширину циліндричної частини отвору діафрагми е ц(Мал.

9.10 а), яка потім переходить у конічну вихідну частину, вибираємо із співвідношення 0,005 D 0,02 D. Прийнявши е ц=0,02 D, отримуємо, що е ц=0,02∙400=8 мм. Кут скосу конічної вихідної частини діафрагми qмає бути не менше 30 і не більше 45 °. Приймаємо кут скосу.

18. Ширина кільцевої щілини c, що з'єднує камери відбору тисків з трубопроводом, не повинна перевищувати 0,03 Dпри т≤ 0,45. В цьому випадку

19. Розміри перерізів камер для відбору тиску aі bвибираємо з умови:

Прийнявши b = 1,5a, отримуємо, що а≥ 70,8 мм, а b ≥ 1,5а≥ мм. Товщина hстінки корпусу камери повинні бути не менше 2 з, тобто.

20. Визначаємо довжини прямих ділянок вимірювального трубопроводу перед діафрагмою L 1 та L 2та після діафрагми l 1і l 2виходячи із заданої похибки. Перед діафрагмою згідно з умовою перебувають два місцеві опори. Найбільш віддалений від діафрагми - вхідний патрубок з двома колінами, розташованими в різних площинах, а найближчий до діафрагми - вхідний кран. За діафрагмою знаходиться гільза термометра та вихідний кран. Визначаємо мінімальну відстань L 2 /Dміж вхідним патрубком з групою колін, розташованих у різних площинах та вхідним краном. При зазначеному розташуванні місцевих опорів отримуємо, що L 2 / D = 30. При D= 400 мм = 0,4 м

.

Мінімальна відстань L 2 /Dміж вхідним краном та діафрагмою, при модулі m=0,36 та заданої похибки δ а L= 0,3% дорівнює 20. При L 2 /D =20

Відстань l 1від вихідного торця діафрагми до гільзи термометра має бути понад 2 D, тобто.

Визначаємо мінімальну відстань l 2від вихідного торця діафрагми до вихідного крана. При m =0,36

З урахуванням виконаних розрахунків довжини прямих ділянок вимірювального трубопроводу (рис. 9.10 а) мають такі розміри: L 1 = 8 м, L 2= 12 м, l 1=0,8 м l 2= 2,8 м.

Розрахунок похибки вимірювання витрати газу. Для розрахунку похибки вимірювання витрати сухого газу випишемо вихідні дані,

отримані при розрахунку пристрою, що звужує (діафрагми), а також визначимо ряд додаткових даних. При діаметрі трубопроводу D= 400 мм, модулі m=0,36 та мінімальному числі Рейнольдса Re min=1,74∙10 6 , з умов, зазначених у цьому розділі, можна прийняти, як і . При вимірюванні фактичних розмірів вимірювального трубопроводу та діафрагми було отримано, що висота уступу всередині прямої ділянки трубопроводу перед діафрагмою при стикуванні труб h=1 мм на відстані l=2 м від діафрагми, а ексцентриситет осі отвору діафрагми та вимірювального трубопроводу е= 2 мм. При вибраних довжинах прямих ділянок перед діафрагмою L 1 = 8 м і L 2 = 12 м та модулі m=0,36 значення похибки δ а L= 0,3%. При висоті уступу L=1 мм та діаметрі D=400 мм знаходимо, що:

За менше 0,3% можна прийняти, що δ а L=0. При ексцентриситеті е=2 мм перевіряємо виконання умов:

Із зазначених умов видно, що фактичне значення ексцентриситету е=2мм задовольняє умові, у зв'язку з чим, похибка впливу ексцентриситета . Підставивши отримані дані у формулу, отримуємо похибку визначення коефіцієнта витрати а.