Витратомір змінного перепаду тиску
Витратоміри змінного перепаду тиску (поплавцево-пружинні, з поворотною лопаттю) - об'ємні витратоміри рідини або газу, в якому витрата визначається за перепадом тиску, що утворюється нерухомим пристроєм, який встановлюється у трубопроводі, або є елементом трубопроводу. Їх робота базується на вимірюванні змін статичного перепаду тиску контрольованого середовища, що проходить крізь штучно звужений сегмент требопроводу. Витратомір змінного перепаду тиску складається із звужувального пристрою (найчастіше діафрагма), який створює у струмені рідини або газу перепад тиску, величина якого залежить від величини витрати, і диференційного манометра, який вимірює цей перепад і відградуйований в одиницях витрати.
Витратоміри змінного перепаду тиску отримали широке розповсюдження як в промислових, так і в експериментальних вимірах завдяки властивим даному способу вимірювання переваг, до яких слід віднести:
- порівняно високу точність вимірювання;
- зручність і універсальність методу;
- можливість, вимірювання будь-яких витрат (при деяких обмеженнях) рідини, пари та газу, що знаходяться при різних температурах і тиску;
- легкість серійного виготовлення приладів.
До недоліків даного методу вимірювання слід віднести:
- деяку втрату енергії потоку;
- відносну складність промислового застосування при малих витратах речовини, в пульсуючих потоках і потоках речовини, що містить сторонні домішки, а також потоках речовини, що знаходиться при параметрах, близьких до рівноважних.
Зміст
Метод змінного перепаду тиску
Метод змінного перепаду тисків використовується для вимірювання витрат газових середовищ. Він застосовується за наявності відомих значеннь абсолютного тиску і температури. За цими вимірюваннями розраховується густина газового середовища в робочих умовах. Проста реалізація первинного перетворювача, швидке вимірювання абсолютного тиску і його перепадів - основна перевага данного методу. Завдяки високим метрологічним характеристикам стало доступним вимірювання, проте, у вузьких діапазонах.
Принцип роботи
Принцип дії витратомірів заснований на тому, що якщо в трубопроводі, по якому протікає речовина, встановлюють пристрій, що створює місцеве звуження потоку, то внаслідок переходу частини потенційної енергії тиск у кінетичну середню швидкість потоку у звуженому перетині підвищується, в результаті чого статичний тиск в цьому перерізі стає менше статичного тиску перед звуження потоку. Різниця тисків (перепад тиску) тим більше чим більше витрата речовини. Отже, перепад тиску може служити мірою витрати речовини.
Робочою формулою вимірювання витратомірів данного типу в загальнову вигляді є:
[math]Q=kcbkMReecPkt yf^P[/math]
Службові пристрої
В даний час найбільш поширені стандартні звужуючі пристрої трьох типів: діафрагма, сопло і труба (сопло) Вентурі. Найбільш широке застосування знайшла стандартна діафрагма, що представляє собою тонкий диск з отвором круглого перерізу. При протіканні рідини по трубопроводу звуження потоку починається з діафрагмі, а на деякій відстані після неї дією сил інерції перетин потоку стає мінімальним. Далі потік поступово розширюється до повного перерізу трубопроводу. Перед діафрагмою і після неї утворюються зони завихрення, на які витрачається частина енергії, внаслідок чого спостерігається втрата тиску. Розглянемо потік рідини, що проходить через діафрагму.
Виділимо два перетина.
Перетин I-I, в якому відсутній вплив звужуючого пристрою на характер потоку і перетин II-II, в якому спостерігається стиснення струменя. Залежність між витратою рідини і перепадом тиску можна встановити, користуючись рівнянням Бернуллі і рівнянням нерозривності струменя. Для двох перерізів потоку I і II горизонтального трубопроводу за умови, що тертя відсутнє, рівняння має наступний вигляд: [math]P_1*V_1*S_1=P_2*V_2*S_2[/math] Щільність рідини, що проходить через пристрій звуження потоку, практично можна вважати незмінним [math](Р_1=Р_2=Р)[/math], отже, [math]V_1*S_1=V_2*S_2[/math]
Найбільшого поширення в галузі отримала стандартна діафрагма. Стандартна діафрагма може застосовується для вимірювання витрати в трубопроводах діаметром понад 50 мм за умови, що відносна площа звужуючого пристрою лежить в інтервалі 0,05 <= m <= 0,7. Звужуючі пристрої застосовують у комплекті з диференціальними манометрами. Їх з'єднують за допомогою двох трубок, внутрішні діаметри яких становить не менше 8мм. Внутрішній діаметр трубок, що з'єднують кільцеві камери або окремі отвори звужуючого пристрою з зрівняльними або розділовими судинами; повинна бути не менше 12 мм.
Стандартне сопло виконують у вигляді насадки, що має вхідну звужуючу частину, утворену дугами кіл з радіусами [math]r[/math] і [math]r_2[/math], які дрівнюють [math]0.2d[/math] і [math]d/2[/math] і циліндричну частину діаметром d. Вихідна кромка сопла, як і у діафрагми, повинна бути гострою, без заокруглень і задирок. Вона захищена на виході нішею. Тиск також можна відбирати або за допомогою камер і кільцевих щілин або через окремі отвори.
Тиск також можна відбирати або за допомогою камер і кільцевих щілин (а) або через окремі отвори (б).
Існують нормализовані витратоміри труби Вентурі чотирьох конструктивних різновидів: труби Вентурі з сопловим і конічними входами, с довгими і короткими диффузорами.
На рисунку зображена труба Вентурі з сопловим входом (сопло Вентурі) с довгим (знизу) и коротким (зверху) диффузорами.
Вхідна частина труби до місця відбору мінусового (меньшого) тиску має той самий профіль, що і нормальне сопло. Довжина циліндричної частини складає зазвичай 0,5-0,7 см. Кут вхідного конусу диффузора повинен бути меньше 30°.
Витрата визначається виразом:
[math]Q = \frac{CA_2}{\sqrt{1-\left(\dfrac{A_2}{A_1}\right)^2}}\sqrt{2\frac{P_1-P_2}{\rho}}[/math], где
C — експериментальний коеффіціент, який відображає втрати всередині витратоміра,
A1 и A2— площі січення трубопроводу и горловини,
ρ — густина рідини або газу,
P1 и P2 — статичний тиск на вході труби і в горловині.
У разі вимірювання витрати газу у вираз вводять коефіцієнт стисливості газу.
Види витратомірів змінного перепаду тиску
Поплавково-пружинні витратоміри
Серед витратомірів постійного перепаду тиску існують поршневі і поплавкові витратоміри. Якщо поплавець чи поршень у таких витратомірах сполучити з пружиною, то отримається поплавково(поршнево)-пружиннний витратомір, у якому динамічний тиск потоку долає не тільки вагу рухомого елемента, але і пружні сили пружини.
Переваги поплавково-пружинних витратомірів:
- можливість суттєвого підняття максимальної границі виміру;
- зручність переходу на інший діапазон виміру, шляхом заміни пружини.
Реалізовані конструкції поплавково-пружинних витратомірів досить різноманітні.
Витратоміри з поворотною лопаттю
Така конструкція реалізується шляхом підвішування у трубопроводі лопаті, що сприймає гідродинамічний тиск рідини чи газу. Витрата визначається за кутом повороту лопаті або за величиною сили протидії, що зрівноважує тиск потоку. За видом сили протидії дані витратоміри поділяються на витратоміри з вантажним і з пружинним зрівноваженням, а також на компенсаційні: з пневматичним чи електромагнітним зрівноваженням.
Переваги:
- великий діапазон виміру (1:20);
- можливість використання при обох напрямах потоку;
- можливість використання для виміру великих витрат в умовах високих температур та в агресивних середовищах;
- мають хороші динамічні характеристики.
Недоліки:
- можливість появи вібрацій внаслідок утворення вихорів, боротьба з якими ускладнює конструкцію.
Джерела
- Большая Энциклопедия Нефти Газа
- Расходомеры переменного перепада давления. Принцип действия. Уравнения измерений
- Метрологія та технологічні вимірювання в хімічній промисловості / Й. І. Стенцель, В. В. Тіщук. - Луганськ : Східноукраїнський держ. ун-т, Сєвєродонецький технологічний ін-т, 2000. Ч.1. - 263 с. ISBN 966-590-229-6
- Дж. Фрайден Современные датчики. Справочник Москва: Техносфера, 2005. - 592 с. ISBN 5-94836-050-4
- С. Яцишин, Г. Польова Витратоміри. Методологічні засади роботи.
