6.2.2. Измерение расхода методом постоянного перепада давления

При измерении расхода методом постоянного перепада давления используются приборы дроссельного типа – ротаметры. Действие их основано на измерении вертикального перемещения чувствительного элемента (поплавка или поршня), зависящего от расхода среды и приводящего одновременно к изменению площади проходного отверстия ротаметра таким образом, что разность давлений на чувствительный элемент (перепад давлений) остается практически постоянной. На рис. 6.1 показана схема ротаметра, состоящего из стеклянной конусной трубки 1, внутри которой свободно перемещается поплавок 2. Под действием потока жидкости или газа поплавок перемещается и, вращаясь, центрируется в середине потока. По перемещению поплавка ротаметра вдоль его шкалы (100%), нанесенной на конусной стеклянной трубке, судят об объемном расходе среды в единицу времени (л/ч, м³/ч).

Рис. 6.1.

Расход среды может быть определен из выражения:

, (68)

α - коэффициент расхода;

F_k - площадь кольцевого отверстия между поплав­ком и стенкой конусной трубки;

V_п - скорость потока;

F_п - объем и площадь наибольшего поперечного сечения поплавка;

- плотность материала поплавка;

- плотность измеряемой среды.

Коэффициент расхода α зависит от многих переменных, поэтому рота­метры градуируются экспериментально. Проверка технических и метрологиче­ских характеристик производится согласно "Государственной системе обеспе­чения единства измерений. Ротаметры. Методы и средства проверки". Классы точности ротаметров: 1,0; 1,5; 2,5; 4,0. [ГОСТ 13045-2001].

6.2.3. Измерение расхода методом динамического давления

Рис. 6.2

При измерении расхода методом динамического давления применяются напорные трубки в комплекте с микроманометрами или измерительными пре­образователями давления. Напорная трубка, называемая дифференциальной трубкой Пито [ГОСТ 18003 - 98], состоит из двух частей (рис. 6.2): головки 1, ось которой располагается параллельно движению потока, и державки 2, ось которой перпендикулярна движению потока.

Достаточно тонкая струйка набегающей на сферическую часть головки жидкости почти полностью тормозится, скорость ее приближается к нулю, а давление в этой зоне быстро возрастает и в критической точке доходит до дав­ления Р, называемого полным давлением. Этим обусловливается выполнение отверстия, воспринимающего полное давление, в лобовой точке головки.

Из гидромеханики известно, что полное давление складывается из стати­ческого и динамического давлений: Р = Р_с + Р_д. Статическое давление воспри­нимается отверстиями в головке трубки, оси которых перпендикулярны головке, расположенными между точками x₁ и х₂ (рис. 6.2).

Таким образом, если измерить полное и статическое давление, то ско­рость потока может быть вычислена:

(69)

поскольку , где - плотность жидкости (газа).

Непараллельность осей головки и набегающего потока может достигать 15° без заметного ущерба для точности измерения, вследствие исполнения по­верхности передней части головки, в виде полусферы.

Через центральное отверстие, имеющее конечную площадь, т. е. не являющееся точкой, подводится не полное давление, а несколько меньшее. Вследствие этого возникает погрешность метода, величина которой зависит от соотношения диаметров отверстия и головки. Поэтому в правую часть уравнения (69) вводится поправочный коэффициент , величина которого по опытным данным колеблется от 1,01 до 1,04 для разных конструкций трубок.

Для определения расхода вещества при помощи дифференциальной труб­ки Пито следует определить среднюю скорость потока в сечении трубопровода.

Для определения средней скорости потока сечение трубопровода разби­вают на N участков с равными площадями, в каждом из которых измеряют ди­намическое давление потока. Круглое сечение, например, разбивают на ряд равновеликих кольцевых участков. Площадь каждого кольца и центрального круга делят окружностью на две равновеликие части, в точках пересечения этих окружностей с диаметром трубопровода измеряют динамическое давление, считая, что во всех точках равновеликой площадки скорости одинаковы и рав­ны измеряемой. Значения радиусов средних окружностей, определяющих по­ложения точек измерения динамического давления в каждой равновеликой площадке поперечного сечения трубопровода, вычисляют по формуле:

, (70)

где r_i – радиус окружности равновеликой площадки, отсчитанный от центра трубы;

I – порядковый номер равновеликой площадки, отсчитанный от центра трубы;

r – внутренний радиус трубопровода;

N – количество равновеликих площадок.

Определив по (69) скорость потока в каждой равновеликой площадке с учетом коэффициента и местного ускорения свободного падения g:

, (71)

вычисляют расход вещества:

, (72)

где F – площадь поперечного сечения трубопровода;

n – отсчет по шкале микроманометра;

α – угол наклона шкалы микроманометра;

- плотность рабочей жидкости в микроманометре.

, (73)

- средняя скорость в каждой равновеликой площадке;

j – число наблюдений в каждой равновеликой площадке.