Лекція вимірювання витрати рідин, газу і пари
При вимірах, пов'язаних з урахуванням кількості речовини, найважливішими вихідними поняттями являютсяколічество речовини івитрат.
Кількість речовини можна вимірювати або в одиницях .масси [кілограм (кг), тонна (т)], або в одиницях об'єму [кубічний метр (м 3), літр (л)]. Витрата є кількість речовини, що протікає через перетин трубопроводу в одиницю часу. Відповідно до обраних одиницями може вироблятися вимір або масової витрати GM (одиниці кг / с, кг / год, т / год), або об'ємної витрати G0 (одиниці м 3 / с, л / с, м 3 / год). Одиниці маси і масової витрати дають більш повні відомості про кількість або витраті речовини, ніж одиниці об'єму, так як обсяг речовини, особливо газів, залежить від тиску і температури. При вимірюванні об'ємних витрат газів для отримання порівнянних значень результати вимірювання призводять до певних (так званим нормальним) умовам. Такими нормальними умовами прийнято вважати температуру tн = = 20 ° С, тиск Рн = 101,325 кПа (760 мм рт. Ст.) І відносну вологість φ = 0. У цьому випадку об'ємна витрата обозначаетсяGн і виражається в об'ємних одиницях (наприклад, м 3 / ч).
Відповідно до ГОСТ-15528 вимірювальний прилад, службовець для вимірювання витрати речовини, називається витратоміром, а прилад для вимірювання кількості речовини - лічильником кількості (лічильником). В каждом конкретном случае к этим терминам следует добавлять наименование контролируемой среды. У багатьох випадках свідчення витратомірів підсумовуються в часі і використовуються, як і показання лічильників, для визначення кількостей витраченого газу, відпущеної гарячої води або пари при проведенні комерційних розрахунків або визначенні економічних показників роботи обладнання. Ця особливість використання витратомірів і лічильників зумовили специфіку нормування їх метрологічних характеристик. На відміну від рассмотреннихсредств вимірювань у витратомірів і лічильників в більшості випадків нормується межа основної відносної похибки, який може залежати від величини вимірюваного витрати. У зв'язку з цим для витратомірів вводиться поняття динамічного діапазону, в межах якого заданий межа основної відносної похибки і який характеризується відношенням верхньої межі ізмереніяGв.п. до ніжнемуGн.п. , Gв.п. /Gн.п. .
При вимірюванні витрати в потік в більшості випадків вводиться робоче тіло, що призводить до втрати тиску, величина которогодля приладів нормується, так само як і необхідні довжини лінійних ділянок трубопроводу до і після витратоміра. Остання вимога пов'язана із залежністю показань витратомірів від профілю швидкостей потоку в трубі.
Верхні межі вимірювання витрат вибираються з ряду: А = а · 10 n. гдеа — одно из чисел 1; 1,25; 1,6; 2; 2,5; 3,2; 4; 5; 6,3; 8; n - ціле число позитивне або негативне, включаючи нуль.
Різні варіанти передачі і прийому цифрової інформації від витратомірів і лічильників здійснюються з використанням пристроїв сполучення - адаптерів, модемів. Деякі типи витратомірів мають автономне живлення від батарей і акумуляторів, що дозволяє встановлювати їх в місцях, де відсутня електромережу або виникають перебої з подачею електрики
Вимірювання витрати рідини, газу та пара по перепадудавленіяв звуження потоку
Основы теории измерения расхода по перепадудавленияв сужающихустройствах Данный метод измерения расхода основан на зависимости перепада давления в неподвижном сужающем устройстве (СУ), устанавливаемом в трубопроводе, от расхода измеряемой среды. Це пристрій слід розглядати як первинний перетворювач витрати. Створюваний в звуження потоку перепад тиску вимірюється дифманометром, який може бути показує зі шкалою в одиницях витрати. При необхідності дистанційної передачі показань дифманометр забезпечується перетворювачем, який лінією зв'язку з'єднується з вторинним приладом і іншими пристроями. Метод вимірювання витрати є найбільш відпрацьованим, що звужують пристрої і діфманометри для них випускають всі найбільші приладобудівні фірми світу. Для вимірювання витрати пари, газу, рідин в трубопроводах діаметром понад 300 мм в основному використовується цей метод.
Даний принцип вимірювання полягає в тому, що при протіканні потоку через отвір пристрою звуження підвищується швидкість потоку в порівнянні зі швидкістю до звуження. Збільшення швидкості, а отже, і кінетичної енергії викликає зменшення потенційної енергії і відповідно статичного тиску. Витрата може бути визначений при відомій градуировочной характерістікепо перепаду тиску? Р на пристрої звуження потоку, виміряного дифманометром. Використання даного методу вимірювання вимагає виконання певних умов:
характер руху потоку до і після звужено устрою повинен бути турбулентним і стаціонарним;
потік повинен повністю заповнювати всі перетин трубопроводу;
фазовий стан потоку не повинно змінюватися при його перебігу через звуження потоку (пар є перегрітою, при цьому для нього справедливі всі положення, що стосуються вимірювання витрати газу);
у внутрішній порожнині трубопроводу до і після звужено устрою не утворюються опади та інші види забруднень;
на поверхнях звужено устрою не утворюються відкладення, які змінюють його геометрію.
Звужують пристрої умовно поділяються на стандартні, спеціальні і нестандартние.Стандартнимі називаютсясужающіе пристрої, які розраховані, виготовлені і встановлені відповідно до керівним нормативним документомГОСТ 8.569.1-97. До числа спеціальних відносяться стандартні діафрагми для трубопроводів з внутрішнім діаметром менее50 мм. Звужують пристрої, що не належать до цих двох груп, називаються нестандартними. Градуювальна характеристика стандартних пристроїв звуження потоку визначається за допомогою розрахунків без індивідуального градуювання. Цей момент обумовив широке застосування даного методу для вимірювання витрат води, пара, газу в трубопроводах великих діаметрів. Градуювальні характеристики нестандартних пристроїв звуження потоку визначаються в результаті індивідуального градуювання.
Цьому методу притаманні такі недоліки:
• вузький динамічний діапазон, що не перевищує трьох-п'яти при використанні одного дифманометра;
• діаметр трубопроводу повинен бути більше 50 мм, в іншому випадку необхідна індивідуальна градуювання;
значні довжини лінійних ділянок;
наявність втрати тиску.
В якості стандартних звужуючих пристроїв для вимірювання витрати рідин, газів і пари використовуються діафрагми, соплаі значно рідше труби і сопла Вентурі. Діафрагма (рис. 12.1, а) являє собою тонкий диск з круглим отвором, вісь якого розташовується по осі труби. Передня (вхідна) частина отвору має циліндричну форму, а потім переходить в конічний розширення. Передня кромка отвору повинна бути прямокутної (гострої) без заокруглень і задирок. Диапазон рабочих чисел Re зависит от относительного диаметра СУ и для диафрагмы онсоставляет от '.
Сопло (рис. 12.1, б) має спрофільоване вхідну частину, переходить потім в циліндричний ділянку діаметром d (його значення входить в рівняння витрати). Задняя торцевая часть сопла включает цилиндрическую выточку диаметром, большимd, для предохранения выходной кромки цилиндрической части сопла от повреждения. При вимірюванні витрати стандартні сопла встановлюються на трубопроводах діаметром не менше 50 мм, числа Re потоку при цьому повинні складати 2 · 10 4. 10 7.
Мал. 12.1. Стандартні звужують пристрої: а - діафрагма; б - сопло; в — сопло Вентури
Сопло Вентурі (контур показаний на рис. 12.1, в) містить вхідну частину з профілемсопла, що переходила в циліндри-чний частина, і вихідний конус (може бути довгим або укороченим). Мінімальний діаметр трубопроводу для стандартних сопел Вентурі становить 65 мм. Их используют в диапазоне чисел Re от 1,5 · 10 5 до 2 · 10 6. На рис. 12.1 символами p1 и р2 отмечены точки отбора давлений, подаваемых на дифманометр.
Розглянемо рух потоку нестисливої рідини через звуження потоку на прикладі діафрагми (рис. 12.2). На рисунке показаны профиль потока, проходящего через диафрагму, а также распределение давления вдоль стенки трубы (сплошная линия) ипо оси трубы (штрихпунктирная линия). Після перетину А струмінь звужується і, отже, середня швидкість потоку зростає. Внаслідок інерції струмінь продовжує звужуватися і на деякій відстані після діафрагми, місце найбільшого звуження находітсяв перетині В. Збільшення швидкості на ділянці АВ супроводжується зменшенням статичного тиску від початкового значення ра до мінімального значеніярb.
Після перетину В починається розширення струменя, яке закінчується в перерізі С. Цей процес супроводжується зменшенням швидкості і збільшенням статичного тиску. У перерізі С швидкість прийме початкове значення (як в перетині А), але тиск рс буде менше початкового на рп, зване втратою тиску в пристрої звуження потоку. Наявність втрати тиску викликано втратою енергії потоку в мертвих зонах, що знаходяться до і за діафрагмою, через сильний вихреобразования в них. Для визначення загальної залежності між витратою і перепадом тиску припустимо, що рідина нестислива (тобто щільність рідини не змінюється при проходженні через звуження потоку), відсутній теплообмін з навколишнім середовищем, трубопровід горизонтален, немає втрат на опір СУ, поле швидкостей рівномірний.
Мал. 12.2. Характер потоку і розподіл статичного тиску при установці в трубопроводі діафрагми
Рівняння збереження сталості масової витрати (нерозривності) для нестисливої рідини, записане для перетину A і на виході діафрагми, має вигляд:
де uD - початкова швидкість потоку в трубопроводі;
р - щільність середовища;
Записане для цих перетинів рівняння Бернуллі, виражающеезакон збереження енергії для потоку в трубі, має вигляд:
Позначимо відповідно до ГОСТ 8569.2-97 относітельнийдіаметр СУ черезранее квадрат цього відносини називався відносної площею або модулем т СУ. Використовуючи (12.1), можна записати
тоді підставляючи значення uD в (12.2), отримуємо:
Величина Е = 1 / (1 - β 4) 0,5 називається коефіцієнтом скоростівхода, f - мінімальна площа прохідного перетину СУ. Розраховане за виразом (12.3) значення масової витрати виходить завищеною через завищений перепаду тиску на СУ, викликаного гальмуванням потоку, завихреннями на вході і виході СУ.В зв'язку з цим в рівняння (12.3) вводиться коефіцієнт істеченіяС. менший одиниці.
Розрахунок масової витрати для нестискуваних середовищ проводиться за висловом
раніше твір РЄ називалося коефіцієнтом витрати α.
Формули (12.4), (12.5) справедливі для нестискуваних рідин. При вимірюванні витрати газу, пара, повітря їх щільність після СУ знижується, обсяг збільшується. При цьому виходить завищене значення перепаду, а отже, і витрати, для компенсації цього ефекту в формули (11.4), (11.5) вводиться коефіцієнт ε, менший одиниці і називається коефіцієнтом расшіренія.Такім чином, розрахункові співвідношення для масового та об'ємної витрати стискаються середовищ мають вид
Вирази (12.6), (12.7) є основними рівняннями витрати, придатними для стислих і нестислих середовищ, для останніх ε = 1. При визначенні за цими рівнянням витрати величини f. р, р, Gm, G0 мають відповідно наступну розмірність: м 2. Па, кг / м 3. кг / с, м 3 / с. Існуючі конструкції пристроїв звуження потоку забезпечують близьке до постійних значення коефіцієнта закінчення тільки в обмеженому інтервалі зміни чисел Рейнольдса (Re = uD / v, гдеv - кінематична в'язкість).
Значення С і е визначені в результаті експериментальних досліджень, проведених на трубопроводах з гладкою внутрішньою поверхнею при розподілі швидкостей потоку по перетину трубопроводу, відповідному сталому турбулентному режиму течії. В експериментах використовувалися діафрагми з гострою вхідний кромкою.
Для геометрично подібних СУ при гідродинамічному подобі потоків вимірюваного середовища значення С однакові. Геометрична подібність СУ полягає в рівність відносин геометричних розмірів СУ до діаметру трубопроводу. Гідродинамічний подобу потоків має місце при рівності чисел Re. Значення коефіцієнтів закінчення визначалися в багатьох країнах світу з використанням зразкових витратомірних установок, заснованих на вимірі маси Gм або обсягу речовини G0. протекшего через СУ за фіксований інтервал часу. Коефіцієнт С розраховується за цими даними як відношення фактичної витрати до теоретичного, розрахованим за перепаду тиску на СУ
Експериментально коефіцієнт розширення eопределяетсяна сжимаемой середовищі як відношення коефіцієнтів закінчення сжімаемойсреди і нестисливої при відомих значеннях
Оскільки для розрахунку пристроїв звуження потоку використовуються комп'ютерні програми, то експериментально отримані значення С. ε описані емпірично. Коэффициент С выражен через две составляющие: С = C_KRe. Коефіцієнт С_ залежить тільки від B, a KRe змінюється з ізмененіемRe. Для діафрагми з кутовим відбором тиску
Графіки залежностей РЄ = / (Re, (3) для діафрагм з кутовим відбором тиску, оскільки для діафрагм KRe залежить від способу відбору тиску представлені на рис. 12.3 і в табл. 12.1. Від нього залежить також величина змін KRe в області робочих чисел Re . Якщо ці зміни у діафрагм з кутовим відбором тиску при β = 0,27. 0,8 становлять відповідно 0,5. 5%, то при фланцевому відборі тиску зміни становлять лише 0,3. 2%. У таких же межах змінюється KRe у сопел, у сопел Вентурі в робочому діапазоні чіселReС залишається постійним.
Поправочний множник ε в загальному вигляді залежить від β, показника адіабати æ і відносини? Р / р (р - абсолютний тиск середовища до пристрою звуження). Розрахункові Учень одного для ε визначається типом пристрою звуження і для діафрагми незалежно від способу відбору тиску
Мал. 12.3. Залежність РЄ для діафрагм з кутовим відбором отReі β: