Измерение расхода жидкостей, газа и пара - 1983

Лекция

Измерение расхода жидкостей, газа и пара

Вопрос №1

Общие сведения

При измерениях, связанных с учетом количества вещества, важнейшими исходными понятиями являются количество вещества и расход.

Количество вещества можно измерять либо в единицах .массы [килограмм (кг), тонна (т)], либо в единицах объема [кубический метр (м³), литр (л)]. Расход есть количество вещества, протекающего через сечение трубопровода в единицу времени. В соответствии с выбранными единицами может производиться измерение либо массового расхода G_M (единицы кг/с, кг/ч, т/ч), либо объемного расхода G₀ (единицы м³/с, л/с, м³/ч). Единицы массы и массового расхода дают более полные сведения о количестве или расходе вещества, чем единицы объема, так как объем вещества, особенно газов, зависит от давления и температуры. При измерении объемных расходов газов для получения сопоставимых значений результаты измерения приводят к определенным (так называемым нормальным) условиям. Такими нормальными условиями принято считать температуру t_н = = 20 °С, давление Р_н = 101,325 кПа (760 мм рт. ст.) и относительную влажность φ = 0. В этом случае объемный расход обозначается G_н и выражается в объемных единицах (например, м³/ч).

В соответствии с ГОСТ-15528 измерительный прибор, служащий для измерения расхода вещества, называется расходомером, а прибор для измерения количества вещества — счетчиком количества (счетчиком). В каждом конкретном случае к этим терминам следует добавлять наименование контролируемой среды. Во многих случаях показания расходомеров суммируются во времени и используются, как и показания счетчиков, для определения количеств израсходованного газа, отпущенной горячей воды или пара при проведении коммерческих расчетов или определении экономических показателей работы оборудования. Эта особенность использования расходомеров и счетчиков обусловили специфику нормирования их метрологических характеристик. В отличие от рассмотренных средств измерений у расходомеров и счетчиков в большинстве случаев нормируется предел основной относительной погрешности, который может зависеть от величины измеряемого расхода. В связи с этим для расходомеров вводится понятие динамического диапазона, в пределах которого задан предел основной относительной погрешности и который характеризуется отношением верхнего предела измерения G_в.п. к нижнему G_н.п., G_в.п./G_н.п..

При измерении расхода в поток в большинстве случаев вводится рабочее тело, что приводит к потере давления, величина которого для приборов нормируется, так же как и необходимые длины линейных участков трубопровода до и после расходомера. Последнее требование связано с зависимостью показаний расходомеров от профиля скоростей потока в трубе.

Верхние пределы измерения расходов выбираются из ряда: А = а · 10ⁿ, где а — одно из чисел 1; 1,25; 1,6; 2; 2,5; 3,2; 4; 5; 6,3; 8; n — целое число положительное или отрицательное, включая нуль.

Существует большое разнообразие методов измерения расхода и конструктивных разновидностей расходомеров и счетчиков. Наибольшее распространение получили следующие разновидности расходомеров: переменного перепада давления с сужающими устройствами; постоянного перепада давления; тахометрические; электромагнитные; ультразвуковые; вихревые; массовые. Большинство выпускаемых в настоящее время расходомеров и счетчиков являются микропроцессорными приборами с широкими функциональными возможностями. Благодаря энергонезависимой памяти, измеренные значения суточных и месячных расходов веществ хранятся в течение 1—3 лет. Эта информация может вызываться на цифровой дисплей приборов, к их цифровому выходу могут подключаться ПК и принтеры. С использованием различных интерфейсов микропроцессорные расходомеры и счетчики соединяются с локальными компьютерными сетями, при этом информация от приборов может передаваться по телефонным и радиоканалам, оптическим кабелям.

Различные варианты передачи и приема цифровой информации от расходомеров и счетчиков осуществляются с использованием устройств сопряжения — адаптеров, модемов. Некоторые типы расходомеров имеют автономное питание от батарей и аккумуляторов, что позволяет устанавливать их в местах, где отсутствует электросеть или возникают перебои с подачей электричества

Вопрос №2

Измерение расхода жидкостей, газа и пара по перепаду давления в сужающем устройстве

Основы теории измерения расхода по перепаду давления в сужающих устройствах Данный метод измерения расхода основан на зависимости перепада давления в неподвижном сужающем устройстве (СУ), устанавливаемом в трубопроводе, от расхода измеряемой среды. Это устройство следует рассматривать как первичный преобразователь расхода. Создаваемый в сужающем устройстве перепад давления измеряется дифманометром, который может быть показывающим со шкалой в единицах расхода. При необходимости дистанционной передачи показаний дифманометр снабжается преобразователем, который линией связи соединяется с вторичным прибором и другими устройствами. Метод измерения расхода является наиболее отработанным, сужающие устройства и дифманометры для них выпускают все крупнейшие приборостроительные фирмы мира. Для измерения расхода пара, газа, жидкостей в трубопроводах диаметром свыше 300 мм в основном используется этот метод.

Рассматриваемый принцип измерения заключается в том, что при протекании потока через отверстие сужающего устройства повышается скорость потока по сравнению со скоростью до сужения. Увеличение скорости, а следовательно, и кинетической энергии вызывает уменьшение потенциальной энергии и соответственно статического давления. Расход может быть определен при известной градуировочной характеристикепо перепаду давления Δр на сужающем устройстве, измеренному дифманометром. Использование рассматриваемого метода измерения требует выполнения определенных условий:

• характер движения потока до и после сужающего устройства должен быть турбулентным и стационарным;

• поток должен полностью заполнять все сечение трубопровода;

• фазовое состояние потока не должно изменяться при его течении через сужающее устройство (пар является перегретым, при этом для него справедливы все положения, касающиеся измерения расхода газа);

• во внутренней полости трубопровода до и после сужающего устройства не образуются осадки и другие виды загрязнений;

• на поверхностях сужающего устройства не образуются отложения, изменяющие его геометрию.

Сужающие устройства условно подразделяются на стандартные, специальные и нестандартные. Стандартными называются сужающие устройства, которые рассчитаны, изготовлены и установлены в соответствии с руководящим нормативным документом ГОСТ 8.569.1-97. К числу специальных относятся стандартные диафрагмы для трубопроводов с внутренним диаметром менее 50 мм. Сужающие устройства, не относящиеся к этим двум группам, называются нестандартными. Градуировочная характеристика стандартных сужающих устройств определяется с помощью расчетов без индивидуальной градуировки. Этот момент обусловил широкое применение данного метода для измерения расходов воды, пара, газа в трубопроводах больших диаметров. Градуировочные характеристики нестандартных сужающих устройств определяются в результате индивидуальной градуировки.

Этому методу присущи следующие недостатки:

• узкий динамический диапазон, не превышающий трех-пяти при использовании одного дифманометра;

• диаметр трубопровода должен быть более 50 мм, в противном случае необходима индивидуальная градуировка;

• значительные длины линейных участков;

• наличие потери давления.

В качестве стандартных сужающих устройств для измерения расхода жидкостей, газов и пара используются диафрагмы, сопла и значительно реже трубы и сопла Вентури. Диафрагма (рис. 12.1, а) представляет собой тонкий диск с круглым отверстием, ось которого располагается по оси трубы. Передняя (входная) часть отверстия имеет цилиндрическую форму, а затем переходит в коническое расширение. Передняя кромка отверстия должна быть прямоугольной (острой) без закруглений и заусениц. Диапазон рабочих чисел Re зависит от относительного диаметра СУ и для диафрагмы он составляет от '.

Сопло (рис. 12.1, б) имеет спрофилированную входную часть, переходящую затем в цилиндрический участок диаметром d (его значение входит в уравнения расхода). Задняя торцевая часть сопла включает цилиндрическую выточку диаметром, большим d, для предохранения выходной кромки цилиндрической части сопла от повреждения. При измерении расхода стандартные сопла устанавливаются на трубопроводах диаметром не менее 50 мм, числа Re потока при этом должны составлять 2 · 10⁴...10⁷.

Рис. 12.1. Стандартные сужающие устройства: а — диафрагма; б — сопло; в — сопло Вентури

Сопло Вентури (контур показан на рис. 12.1, в) содержит входную часть с профилем сопла, переходящую в цилиндри­ческую часть, и выходной конус (может быть длинным или укороченным). Минимальный диаметр трубопровода для стандартных сопл Вентури составляет 65 мм. Их используют в диапазоне чисел Re от 1,5 · 10⁵ до 2 · 10⁶. На рис. 12.1 символами p₁ и р₂ отмечены точки отбора давлений, подаваемых на дифманометр.

Рассмотрим движение потока несжимаемой жидкости через сужающее устройство на примере диафрагмы (рис. 12.2). На рисунке показаны профиль потока, проходящего через диафрагму, а также распределение давления вдоль стенки трубы (сплошная линия) и по оси трубы (штрихпунктирная линия). После сечения А струя сужается и, следовательно, средняя скорость потока возрастает. Вследствие инерции струя продолжает сужаться и на некотором расстоянии после диафрагмы, место наибольшего сужения находится в сечении В. Увеличение скорости на участке АВ сопровождается уменьшением статического давления от первоначального значения р_а до минимального значения р_b.

После сечения В начинается расширение струи, которое заканчивается в сечении С. Этот процесс сопровождается уменьшением скорости и увеличением статического давления. В сечении С скорость примет первоначальное значение (как в сечении А), но давление р_с будет меньше первоначального на р_п, называемое потерей давления в сужающем устройстве. Наличие потери давления вызвано потерей энергии потока в мертвых зонах, находящихся до и за диафрагмой, из-за сильного вихреобразования в них. Для определения общей зависимости между расходом и перепадом давления предположим, что жидкость несжимаема (т.е. плотность жидкости не изменяется при прохождении через сужающее устройство), отсутствует теплообмен с окружающей средой, трубопровод горизонтален, нет потерь на сопротивление СУ, поле скоростей равномерное.

Рис. 12.2. Характер потока и распределение статического давления при установке в трубопроводе диафрагмы

Уравнение сохранения постоянства массового расхода (неразрывности) для несжимаемой жидкости, записанное для сечения A и на выходе диафрагмы, имеет вид:

(12.1)

где u_D — начальная скорость потока в трубопроводе;

u_d — скорость потока в отверстии СУ;

р — плотность среды;

G_m — массовый расход.

Записанное для этих сечений уравнение Бернулли, выражающее закон сохранения энергии для потока в трубе, имеет вид:

(12.2)

Обозначим в соответствии с ГОСТ 8569.2-97 относительный диаметр СУ черезранее квадрат этого отношения назывался относительной площадью или модулем т СУ. Используя (12.1), можно записать

тогда подставляя значение u_D в (12.2), получаем:

(12.3)

Величина Е = 1/(1 - β⁴)^0,5 называется коэффициентом скорости входа, f — минимальная площадь проходного сечения СУ. Рассчитанное по выражению (12.3) значение массового расхода получается завышенным из-за завышенного перепада давления на СУ, вызванного торможением потока, завихрениями на входе и выходе СУ. В связи с этим в уравнение (12.3) вводится коэффициент истечения С, меньший единицы.

Расчет массового расхода для несжимаемых сред производится по выражению

(12.4)

объемного

(12.5)

ранее произведение СЕ называлось коэффициентом расхода α.

Формулы (12.4), (12.5) справедливы для несжимаемых жидкостей. При измерении расхода газа, пара, воздуха их плотность после СУ снижается, объем увеличивается. При этом получается завышенное значение перепада, а следовательно, и расхода, для компенсации этого эффекта в формулы (11.4), (11.5) вводится коэффициент ε, меньший единицы и называемый коэффициентом расширения. Таким образом, расчетные соотношения для массового и объемного расхода сжимаемых сред имеют вид

(12.6)

объемного

(12.7)

Выражения (12.6), (12.7) являются основными уравнениями расхода, пригодными для сжимаемых и несжимаемых сред, для последних ε = 1. При определении по этим уравнениям расхода величины f, р, р, G_m, G₀ имеют соответственно следующую размерность: м², Па, кг/м³, кг/с, м³/с. Существующие конструкции сужающих устройств обеспечивают близкое к постоянным значения коэффициента истечения только в ограниченном интервале изменения чисел Рейнольдса (Re = uD/v, где v — кинематическая вязкость).

Значения С и е определены в результате экспериментальных исследований, проведенных на трубопроводах с гладкой внутренней поверхностью при распределении скоростей потока по сечению трубопровода, соответствующему установившемуся турбулентному режиму течения. В экспериментах использовались диафрагмы с острой входной кромкой.

Для геометрически подобных СУ при гидродинамическом подобии потоков измеряемой среды значения С одинаковы. Геометрическое подобие СУ состоит в равенстве отношений геометрических размеров СУ к диаметру трубопровода. Гидродинамическое подобие потоков имеет место при равенстве чисел Re. Значения коэффициентов истечения определялись во многих странах мира с использованием образцовых расходомерных установок, основанных на измерении массы G_м или объема вещества G₀, протекшего через СУ за фиксированный интервал времени. Коэффициент С рассчитывается по этим данным как отношение фактического расхода к теоретическому, рассчитанному по перепаду давления на СУ

Экспериментально коэффициент расширения e определяется на сжимаемой среде как отношение коэффициентов истечения сжимаемойсреды и несжимаемой при известных значениях

Поскольку для расчета сужающих устройств используются компьютерные программы, то экспериментально полученные значения С, ε описаны эмпирически. Коэффициент С выражен через две составляющие: С = C_K_Re. Коэффициент С_ зависит только от B, a K_Re меняется с изменением Re. Для диафрагмы с угловым отбором давления

(12.8) и (12.9)

Графики зависимостей СЕ = /(Re, (3) для диафрагм с угловым отбором давления, поскольку для диафрагм K_Re зависит от способа отбора давления представлены на рис. 12.3 и в табл. 12.1. От него зависит также величина изменений K_Re в области рабочих чисел Re. Если эти изменения у диафрагм с угловым отбором давления при β = 0,27...0,8 составляют соответственно 0,5...5 %, то при фланцевом отборе давления изменения составляют лишь 0,3...2 %. В таких же пределах меняется K_Re у сопл, у сопл Вентури в рабочем диапазоне чисел Re С остается постоянным.

Поправочный множитель ε в общем виде зависит от β, показателя адиабаты æ и отношения Δр/р (р — абсолютное давление среды до сужающего устройства). Расчетное соотношение для ε определяется типом сужающего устройства и для диафрагмы независимо от способа отбора давления

Рис. 12.3. Зависимость СЕ для диафрагм с угловым отбором от Re и β:

1 ÷ 4 — β = 0,2; 0,4; 0,6; 0,8

Таблица 12.1

Таблица коэффициентов скорости входа Е и истечения С для диафрагм с угловым способом отбора давления

	Е			С
β				Rе
		0,5 · 10^3	1 · 10^4	1 · 10^5	1 · 10^6	1 · 10^7	I · 10^8
0,2	1,0008	0,5997	0,5986	0,5973	0,5970	0,5970	0,5970
0,3	1,0041	0,6060	0,6029	0,5992	0,5985	0,2984	0,5984
0,4	1,0130	0,6159	0,6096	0,6020	0,6006	0,6004	0,6003
0,5	1,0328	—	0,6187	0,6053	0,6030	0,6026	0,6025
0,6	1,0719	—	0,6291	0,6080	0,6043	0,6036	0,6035
0,7	1,1472	—	0,6376	0,6067	0,6012	0,6003	0,6001
0,8	1,3014	—	0,6371	0,5939	0,5862	0,5849	0,5846

Таким образом, между расходом и перепадом давления в сужающем устройстве существует квадратичная зависимость, что позволяет дифманометры, измеряющие перепад давления градуировать в единицах расхода или получать пропорциональный расходу выходной сигнал. Такие дифманометры называются дифманометрами-расходомерами. Для получения равномерной шкалы расходомера в кинематическую или электронную схему дифманометров или вторичных приборов включаются различные типы устройств, извлекающих квадратный корень. В микропроцессорных дифманометрах помимо извлечения корня выполняется комплекс расчетных операций, связанных с учетом изменения плотности среды, коэффициента расширения и пр.

Необходимость извлечения квадратного корня является одним из недостатков метода измерения расхода по перепаду давления, обусловливающим суженный диапазон измерения расходомера, охватывающий обычно интервал 30... 100% максимального измеряемого расхода G_в.п. Это означает, что использовать расходомер для измерения расходов в интервале 0...30 % его шкалы не рекомендуется, так как здесь не гарантируется достаточная точность измерения. Это вызвано тем, что в начале шкалы резко увеличивается относительная погрешность измерения перепада давленияДействительно, при уменьшении расхода отнапример, до 0,25 G_в.п. в соответствии с (12.7) перепад давления в сужающем устройстве уменьшится в 16 раз, а при расходе — 100 раз, относительная погрешность измерения перепада также увеличивается соответственно в 16 и 100 раз. Точность расходомера обычно гарантируется только в пределах шкалы 30 ... 100%.

Реально существующая шероховатость трубопровода заостряет профиль скоростей и несколько увеличивает коэффициент истечения, особенно при малых диаметрах труб. Это учитывается умножением исходного коэффициента расхода на поправочный множитель К_ш. Для всех типов сужающих устройств значение К_ш увеличивается с уменьшением диаметра трубопровода и увеличением. Трубы диаметром D > 300 мм имеют малую относительную шероховатость (т.е. по свойствам приближаются к гладким), поэтому для них К_ш = 1.

Изменение С, вызванное притуплением входной кромки диа­фрагмы, учитывается введением поправочного множителя К_п на притупление входной кромки, значение которого зависит от диа­метра трубопровода и относительной площади диафрагмы. Значе­ние К_п уменьшается с увеличением диаметра трубопровода иПри малых D и больших значениях β для диафрагм произведение К_ш·К_п может превышать значение 1,03, причем в процессе эксплуатации это значение изменяется. Так, при загрязнении и коррозии трубопровода изменяется значение К_щ, причем у диафрагм это влияние выражено сильнее, чем у сопл. Еще большие погрешности могут возникать при коррозии сужающего устройства или изменении его профиля за счет абразивных свойств среды, причем у диафрагм это также проявляется сильнее, чем у сопл. По этим причинам сужающие устройства должны изготавливаться из твердого коррозионно-стойкого материала.

Таким образом, общие уравнения расхода, учитывающие конкретные условия эксплуатации для диафрагм, имеют вид:

объемного

В уравнениях расхода для сопл и труб Вентури коэффициент К_п отсутствует, т.е. К = 1. В показывающих дифманометрах — расходомерах и вторичных приборах, в которых отсутствуют вычислители, все величины, входящие в (12.11), (12.12), принимаются постоянными. В случае массового расхода

и

в случае объемного

и

В эксплуатационных условиях возможно изменение р, влияющее на коэффициенты k_м, k₀ и градуировочную характеристику. Существенное изменение плотности среды обычно наблюдается при изменении температуры и давления газа. Если изменение плотности среды сопровождается изменением е, то в этом случае показания массового расходомера надо умножить на множитель