
В производственных процессах таких отраслей, как нефтяная, химическая, металлургическая, энергетическая, легкая промышленность, легкая текстильная промышленность, научные исследования и оборонная промышленность, до сих пор широко используются различные типы расходомеров разности давления для измерения, контроля и регулирования расхода.
1. Введение в расходомеры
В производственных процессах таких отраслей, как нефтяная, химическая, металлургическая, энергетическая, легкая промышленность, легкая текстильная промышленность, научные исследования и оборонная промышленность, до сих пор широко используются различные типы расходомеров разности давления для измерения, контроля и регулирования расхода. Хотя в последние годы появились новые типы приборов, такие как электромагнитные расходомеры и вихревые расходомеры, расходомеры разности давления по-прежнему занимают абсолютное превосходство по объёмам использования благодаря таким преимуществам, как простота конструкции, прочность, надёжность работы, стабильность характеристик, умеренная точность и доступная цена.
Под расходомером разности давлений понимается прибор, измеряющий расход на основе разности давлений, создаваемой установленным в трубопроводе датчиком расхода, известных параметров рабочей среды и геометрических размеров датчика и трубопровода. Расходомер разности давлений состоит из первичного устройства (дроссельного устройства) и вторичного прибора (преобразователя разности давлений и прибора отображения расхода). Особо следует отметить недавно появившиеся интеллектуальные датчики разности давления, в которых датчик разности давления и дроссельное устройство объединены в единое целое. Это не только значительно упрощает монтаж и приносит пользователям значительные преимущества, избавляя их от необходимости прокладывать монтажные трубопроводы, но и позволяет реализовать такие функции, как автоматическая компенсация температуры и давления, диагностика неисправностей, очень широкий диапазон измерения, настройка диапазона измерения на месте, а также связь с вышестоящим компьютером, что ещё больше расширяет сферу применения дроссельных устройств.
2. Классификация расходомеров
Классификация расходомеров разности давления по типу измерительного элемента — можно выделить расходомеры с диафрагмой, расходомеры с трубкой Вентури, расходомеры с соплом, расходомеры с трубкой равномерной скорости и т. д.
Классификация расходомеров разности давления по принципу действия измерительного элемента — можно выделить несколько основных типов: дроссельные, с динамическим напором, с гидравлическим сопротивлением, с высоким центром давления, с усилением динамического давления и струйные.
Классификация расходомеров разности давления по степени стандартизации измерительного элемента: их можно разделить на две основные категории — стандартные и нестандартные. Под стандартным дроссельным устройством понимается устройство, которое проектируется, изготавливается, устанавливается и эксплуатируется в соответствии со стандартными документами, позволяющее определять значение расхода и оценивать погрешность измерения расхода без необходимости проведения калибровки на реальной потоке; нестандартное дроссельное устройство — это измерительный элемент, степень зрелости которого недостаточна и который еще не включен в стандартные документы.
3. Требования к измерениям расходомеров
● Трубопровод должен быть полностью заполнен жидкостью, и поток должен быть непрерывным.
● Жидкость должна быть ньютоновской (например, обычная вода, растворы кислот и щелочей, перегретый пар, различные газы, сухой насыщенный пар); вблизи дроссельного устройства не должно происходить изменения фазового состояния жидкости (из жидкого в газообразное или наоборот); жидкость должна быть однофазной (газовой или жидкой) либо может рассматриваться как однофазная, например, в потоке газа содержание равномерно распределенных твердых частиц не должно превышать 2 % (по массе), а в потоке жидкости — содержание равномерно распределенных пузырьков не должно превышать 5 % (по объему).
● Перед прохождением через дроссельное устройство поток жидкости должен быть параллелен оси трубопровода; не допускается наличие вращательного или эксцентричного потока, а также пульсирующего или критического потока.
1 Основные принципы
Когда жидкость, заполняющая трубопровод, проходит через дроссельное устройство, в месте его установки возникает локальное сужение, в результате чего скорость потока увеличивается, а статическое давление снижается, что приводит к образованию перепада давления до и после дроссельного устройства. Чем больше расход жидкости, тем больше перепад давления, поэтому по перепаду давления можно определить величину расхода. Этот метод измерения основан на уравнении непрерывности потока (законе сохранения массы) и уравнении Бернулли (законе сохранения энергии). Величина перепада давления зависит не только от расхода, но и от многих других факторов. Например, при различных типах дроссельных устройств или при разных физических свойствах жидкости в трубопроводе (плотность, вязкость) перепад давления при одинаковом расходе будет различаться.
2. Уравнение расхода
На основании уравнения непрерывности потока (закон сохранения массы) и уравнения Бернулли (закон сохранения энергии) можно получить основное уравнение расхода:
В формуле
gm: массовый расход, кг/с
gx: объемный расход, м³/с
C: коэффициент расхода;
e: коэффициент расширяемости;
β: отношение диаметров, β = d/D;
d: диаметр отверстия дросселя в рабочих условиях, м;
D: внутренний диаметр трубопровода на входе в рабочих условиях, м;
△P: перепад давления, Па;
P: плотность жидкости на входе, кг/м³.