4. Методика использования сужающих устройств для измерения расхода сред

Стандартные сужающие устройства могут применяться в комплекте с дифманометрами для измерения расхода и количества жидкостей, газов и пара в круглых трубопроводах (при любом их расположении).

При необходимости использования сужающих устройств на трубопроводах меньшего диаметра они должны подвергаться индивидуальной градуировке, т. е. экспериментальному определению зависимости

Стандартные диафрагмы применяются при соблюдении условия 0,050,64, стандартные сопла — при 0,050,64 и сопла Вентури — при 0,050,6. Конкретный тип сужающегоустройства выбирается при расчете в зависимости от условий применения, требуемой точности, остаточной потери давления. Однако в любом случае точность измерения расхода газов и пара при использовании сопла выше, чем при использовании диафрагмы. Кроме того, изменение или загрязнение входного профиля сужающего устройства в процессе эксплуатации мало изменяет коэффициент расхода сопла и в значительно большей степени изменяет коэффициент расхода диафрагмы.

Необходимо, чтобы контролируемая среда заполняла все поперечное сечение трубопровода, причем фазовое состояние вещества не должно изменяться при прохождении через сужающее устройство. Конденсат, пыль, газы или осадки, выделяющиеся из контролируемой среды, не должны скапливаться вблизи сужающего устройства.

При установке сужающих устройств необходимо соблюдать ряд условий, сильно влияющих на погрешности измерения. Сужающее устройство в трубопроводе должно располагаться перпендикулярно оси трубопровода. Неперпендикулярность не должна превышать 1°. Ось сужающего устройства должна совпадать с осью трубопровода. Смещение оси отверстия сужающего устройства относительно оси трубопровода не должно превышать

Участок трубопровода длиной 2D до и после сужающего устройства должен быть цилиндрическим, гладким, на нем не должно быть никаких уступов, а также заметных глазу наростов и неровностей от заклепок, сварочных швов и т. п. Часто этот участок трубопровода вытачивается на станке вместе с установленным сужающим устройством.

Важным условием является, необходимость обеспечения установившегося течения потока перед входом в сужающее устройство и после него. Такой поток обеспечивается наличием прямых участков трубопровода определенной длины до и после сужающего устройства. На этих участках не должны устанавливаться никакие устройства, которые могут исказить гидродинамику потока на входе или выходе сужающего устройства. Длина этих участков должна быть такой, чтобы искажения потока, вносимые коленами, вентилями, тройниками и т. д., смогли сгладиться до подхода потока к сужающему устройству. При этом необходимо иметь в виду, что более существенное значение имеют искажения потока перед сужающим устройством и значительно меньшее —- за ним, поэтому задвижки и вентили, особенно регулирующие, рекомендуется устанавливать после сужающих устройств. Длина прямого участка перед сужающим устройством зависит от относительной площадит сужающего устройства, диаметра трубопровода и вида местного сопротивления, расположенного до прямого участка. В табл. 1 приведены относительные длиныв зависимости отт для некоторых разновидностей местных сопротивления.

Рис. 4. Способы отбора давлений:

a — через отдельные отверстия; б — через кольцевые камеры; в—- фланцевый

Длина прямого участка после сужающего устройства зависит только от числат, Для =0,05и при

Отбор давлений p₁ и р₂ обычно осуществляется через отдельные цилиндрические отверстия (рис. 4, а) либо через две кольцевые камеры, каждая из которых соединяется с внутренней полостью трубопровода кольцевой щелью или группой равномерно распределенных по окружности отверстий (рис. 4,б), Конструкция отборных устройств для диафрагм и сопл одинакова. Сужающие устройства с кольцевыми камерами более удобны в эксплуатации, особенно при наличии местный возмущений потока, так как кольцевые камеры обеспечивают выравнивание давления но окружности трубы, что позволяет более точно измерять перепад давления при сокращенных прямых участках трубопровода. Представленные на рис. 4, а, б схемы отбора давления (т. е. отбор давлений непосредственно от передней и задней плоскостей сужающего устройства) в нормативном документе называется угловым способом отбора. Документ предусматривает другой способ отбора для диафрагм — фланцевый, когда перепад давления измеряется через отдельные цилиндрические отверстия, расположенные на расстоянии == 25,4 мм от плоскостей диафрагм (рис. 4,в). При таком способе отбора диафрагм отличается от при угловом способе отбора.

Дифманометр подключается к сужающему устройству двумя соединительными линиями (импульсными трубками) внутренним диаметром не менее 8 мм. Допускается длина соединительных линий до 50 м, однако из-за возможности возникновения большой динамической погрешности не рекомендуется использовать линии длиной более 15 м.

Для правильного измерения расхода перепад давления на входе дифманометра должен быть равен перепаду давления, развиваемому сужающим устройством, т. е. перепад от сужающего устройства к дифманометру должен подаваться без искажения, это возможно в том случае, если давление, даваемое столбом среды в обеих соединительных трубках, будет одинаковым. В реальных условиях это равенство может нарушаться. Например, при измерении расхода газа причиной этого может быть скапливание конденсата в неодинаковом количестве а соединительных линиях, а при измерении расхода жидкости, наоборот, скапливание выделяющихся газовых пузырьков. Во избежание этого соединительные линии должны быть либо вертикальными, либо наклонными с уклоном не менее 1 : 10, причем на концах наклонных участков должны быть конденсате или газосборники. Кроме того, обе импульсные трубки должны располагаться рядом, чтобы избежать неодинакового нагрева или охлаждения их, что может привести к неодинаковой плотности заполняющей их жидкости и, следовательно, к дополнительной погрешности. При измерении расхода пара важно обеспечить равенство и постоянство уровней конденсата в обеих импульсных трубках, что достигается применением уравнительных сосудов.

Таблица 1. Минимальная относительная длина прямых участков до сужающихустройств

Местное сопротивление	т
	0,05	0,3	0,5	0,64
Колено или тройник	10	16	28	46
Группа колен в одной плоскости	14	22	36	50
Группа колен в разнЫХ ПЛОСКОСТЯХ	34	44	62	80
Полностью открытые задвижки	12	14	20	30
Конусные сужения	10	10	14	30
Конусные расширения	16	20	30	54
Гильза термометра диаметром	5	5	5	5

К одному сужающему устройству может быть подключено несколько дифманометров. При этом допускается подключение соединительных линий одного дифманометра к соединительным линиям другого.

При измерении расхода жидкости дифманометр рекомендуется устанавливать ниже сужающего устройства 1, что исключает попадание в соединительные линии и дифманометр газа, который может выделяться из протекающей жидкости (рис. 5, а). Для горизонтальных и наклонных трубопроводов соединительные линии должны подключаться через запорные вентили 2 к нижней половине трубы (но не в самой нижней части) во избежание попадания в линии газа или осадков из трубопровода. Если дифманометр все же устанавливается выше сужающего устройства (рис. 5,6), то в наивысших точках соединительных линяй необходимо устанавливать газосборники 4 с продувочными вентилями. Если соединительная линия состоит из отдельных участков (например, при обходе какого-либо препятствия), то газосборники устанавливаются в наивысшей точке каждого участка. При установке дифманометра выше сужающего устройства трубки вблизи последнего прокладываются с U-образным изгибом, опускающимся ниже трубопровода не менее чем на 0,7 м для уменьшения возможности попадания газа из трубы в соединительные линии. При измерении расхода горячих жидкостей ( 100°С) возможна дополнительная погрешность измерения из-за изменения средней температуры жидкости в «плюсовой» соединительной линии, что приводит к изменению давления в «плюсовой» камере дифманометра.

Рис. 5. Схема соединительных линий при измерении расхода жидкости:

а —· днфманометр ниже сужающего устройства; б — дифманометр выше сужающего устройства; в — соединение сужающего устройства с уравнительными сосудами

Например, при увеличении расхода жидкости и, следовательно, при увеличении Δр будет сжиматься мембранная коробка в «плюсовой» камере дифманометра (рис. 7 для случая использования мембранного дифманометра) и расширяться мембранная коробка в «минусовой» камере. Это приведет к затеканию жидкости из плюсовой соединительной линии в дифманометр и заполнению верхней части ее горячей жидкостью из трубы. Таким образом, средняя температура жидкости в этой линии повысится, а плотность уменьшится, в то время как в минусовой линии температура жидкости останется неизменной. Это приведет к разности давлений столбов жидкости в соединительных линиях, причем в рассматриваемом случае эта разность направлена навстречу перепаду давлений в сужающее устройстве, что приведет к занижению показаний расходомера. Поэтому при измерении расхода горячей воды дифманометрами, у которых при изменении изменяется объем плюсовой камеры (это относится ко всем дифманометрам, однако наибольшее изменение объема плюсовой камеры наблюдается у поплавковых дифманометров, а наименьшее — у дифманометров с силовой компенсацией), в соединительные линии рядом с сужающим устройством включаются уравнительные сосуды3 (рис. 5, в) — вертикальные цилиндры достаточно большого сечения. Большое сечение сосудов позволяет уменьшить изменение высоты столбов жидкости в соединительных линиях, температура которых изменяется, и соответственно минимизировать дополнительную погрешность. При измерении расхода агрессивных сред в соединительных линиях возможно ближе к сужающему устройству устанавливаются разделительные сосуды 5 (включение разделительных сосудов для случая, когда плотность контролируемой жидкости ниже плотности разделительной, показано на рис. 5, с). Соединительные линии между разделительным сосудом и дифманометром заполнены разделительной жидкостью, частично этой жидкостью заполнен сам сосуд. Остальная часть сосуда и линии до сужающего устройства заполнены контролируемой средой. Таким образом, поверхность раздела контролируемая среда — разделительная жидкость находится внутри сосуда, причем уровни раздела в обоих сосудах должны быть одинаковыми.

Разделительная жидкость выбирается таким образом, чтобы она химически не взаимодействовала с контролируемой средой, не смешивалась с ней, не давала отложений и не была агрессивной по отношению к материалу сосудов, соединительных линий и дифманометра. Чаще всего в качестве разделительной жидкости используются вода, минеральные масла, глицерин, водоглицериновые смеси.

При измерении расхода газа дифманометр рекомендуется устанавливать выше сужающего устройства 1, чтобы конденсат, образовавшийся в соединительных линиях, мог стекать в трубопровод (рис. 6,о). Соединительные линии нужно подключать через запорные вентили 2 к верхней половине сужающего устройства, их прокладку желательно производить вертикально. Если вертикальная прокладка соединительных линий невозможна, тоих следует прокладывать с наклоном в сторону трубопровода или конденсатосборников 5. Подобные требования должны выполняться и при расположении дифманометра ниже сужающего устройства (рис. 6,б). При измерении расхода агрессивного газа в соединительные линии должны включаться разделительные сосуды. Продувка соединительных линий осуществляется через вентили 3, 4, 6.

При измерении расхода перегретого водяного пара неизолированные соединительные линии оказываются заполненными конденсатом.

Рис. 6. Схема соединительных линий при измерении расхода газа с установкой дифманометра выше (а) и ниже (б) сужающего устройства

Рис. 7. Схема, поясняющая необходимость применения уравнительных конденсационных сосудов при измерении расхода пара

Очевидно, что во избежание дополнительной погрешности уровень конденсата и его температура в обеих линиях должны быть одинаковыми при любом расходе.

Для стабилизации верхних уровней конденсата в обеих соединительных линиях вблизи сужающего устройства устанавливаются уравнительные конденсационные сосуды. Назначение уравнительных сосудов можно пояснить с помощью рис. 7. Предположим, что при отсутствии уравнительных сосудов и при нулевом расходе пара уровень конденсата в обеих импульсных трубках одинаков. При этом перепад давления на сужающем устройстве равен нулю, верхняя мембранная коробка дифманометра (расположенная в «минусовой»камере) сжата, а нижняя (расположенная в «плюсовой» камере), наоборот, растянута (рис. 7, а), так как жесткость нижней коробки меньше. При появлении расхода на сужающем устройстве появляется перепадзаставляющий нижнюю мембранную коробку сжиматься, а верхнюю растягиваться (рис. 7,.б). Из-за изменения объемов коробокв нижнюю, «плюсовую» камеру дифманометра будет затекать конденсат из «плюсовой» импульсной трубки, что приведет к понижению уровня в ней на . Из верхней, «минусовой» камеры дифманометра конденсат будет выталкиваться в импульсную трубку и в паропровод, но высота столба конденсата останется неизменной. Образовавшаяся разница уровней конденсата создает перепад давления, направленный навстречу перепаду давленияв сужающем устройстве. Таким образом, на дифманометр будет действовать перепад

т. е. показания расходомера будут заниженными. Нетрудно заметить, что абсолютная погрешность измерения будет расти с увеличением расхода, так как при этом увеличивается.

Очевидно, что погрешность можно снизить уменьшением . Для этого на концах импульсных трубок устанавливают уравнительные конденсационные сосуды (рис. 7, е)—горизонтально расположенные цилиндры большого сечения. Они изготавливаются двух разновидностей: сосуд уравнительный конденсационный большой (для поплавковых дифманометров) и малый (для сильфонных и мембранных дифманометров). Так как сечение этих сосудов велико, вытекание из них конденсата мало изменит его уровень, так что перепад, измеряемый дифманометром, можно считать равным перепадув сужающем устройстве.

Рис. 8. Схема соединительных линий при измерении расхода газа с установкой дифманометра ниже (а) и выше (б) сужающего устройства

При измерении расхода пара дифманометр следует располагать ниже сужающего устройства 1 и уравнительных сосудов 2 (рис. 8, а) для облегчения удаления воздуха из соединительных линий. Допускается дифманометр располагать выше сужающего устройства, но в верхней точке соединительных линий в этом случае необходимо устанавливать газосборники 5 (рис. 8,). Позиции 3,4 — запорный и продувочный вентили.