Типы и особенности сужающихся расходомеров

В.А. Дорошенко, С.Ю. Плешков

 

ИсПЫТАНИЕ РАСХОДОМЕРОВ переменного перепада давления

Учебное электронное текстовое издание

 

Подготовлено кафедрой «Гидравлика»

 

Научный редактор: проф., д-р. техн. наук А.С. Носков

 

 

Методические указания к лабораторной работе № 12 по курсу «Гидравлика» для студентов строительного факультета всех форм обучения, а также для студентов всех форм обучения машиностроительных специальностей

 

Содержит справочный материал по дисциплине «Гидравлика», практические задания к выполнению лабораторной работы № 12

 

 

© ФГАОУ ВПО УрФУ, 2011

Цель работы:провести тарировку сужающего расходомера переменного перепада давления:

· определить опытное значение коэффициента расхода a;

· сравнить полученное значение с табличной (табл. 1), стандартной величиной an;

· по результатам измерений построить тарировочный график: Q= f(Δh).

Основные положения

Для измерения расхода веществ применяют расходомеры, основанные на различных принципах действия. Их можно подразделить на следующие группы:

1) приборы с гидродинамическим способом измерения (здесь используются расходомеры с сужающими устройствами (СУ), то есть приборы переменного перепада давления. Ротаметры и поплавковые приборы используются при измерении малых расходов жидкостей и газов. Это так называемые расходомеры обтекания. В перспективе все большее место станут занимать вихревые расходомеры):

• расходомеры переменного перепада давления;

• расходомеры переменного уровня;

• расходомеры обтекания;

• вихревые расходомеры;

• парциальные расходомеры;

2) расходомеры с постоянно движущимся телом (это - тахометрические расходомеры - шариковые, турбинные, камерные (роторные, овально-колесные и др.). Овально-колесные расходомеры применяются как счетчики газа, счетчики нефтепродуктов и других вязких жидкостей):

• тахометрические расходомеры;

• силовые (в т.ч., вибрационные) расходомеры;

3) приборы, сконструированные на основе различных физических явлений (это - электромагнитные расходомеры (измерение расхода электропроводящих жидкостей, расходомеры ультразвуковые (измерение расхода жидкостей и некоторых газов). При измерении малых расходов используют тепловые расходомеры жидкостей и газов):

• ядерно-магнитные расходомеры;

• тепловые расходомеры;

• электромагнитные расходомеры;

• ионизационные расходомеры;

• акустические расходомеры;

• оптические расходомеры;

4) приборы, основанные на измерении особыми методами (это - расходомеры концентрационные и меточные, которые используются при однократных измерениях (проверка расходомеров). При измерении 2-х фазных сред используют корреляционные расходомеры):

• концентрационные расходомеры;

• корреляционные расходомеры;

• меточные расходомеры.

В зависимости от конструкции диафрагмы или сопла различают следующие виды расходомеров с СУ:

· стандартные диафрагмы;

· стандартные сопла;

· сегментные диафрагмы;

· эксцентричные диафрагмы;

· кольцевые диафрагмы;

· двойные диафрагмы;

· с входным конусом;

· с двойным конусом;

· сопло полукруга;

· сопло четверть круга;

· комбинированное сопло;

· цилиндрическое сопло;

· диафрагмы с изменяющейся площадью отверстия для компенсации влияния изменения давления и температуры;

· сопло Вентури;

· труба Вентури;

· труба Далла;

· двойное сопло Вентури.

Эволюционный ряд сужающих устройств показан на рис. 1.

 

«Струя»
Трубы Вентури
Сопла Вентури
Сопла
Диафрагмы

 

Рис. 1. Эволюционный ряд расходомеров с сужающимся устройством

переменного перепада давления

Применяемый в практике струйный расходомер с сужающим устройством РМ-5-ПГ показан на рис. 2.

 

Рис. 2. Струйный расходомер РМ-5-ПГ

 

Принцип измерения расхода сужающим устройством заключается в измерении разности давлений до сужающего устройства, установленного в сечении трубопровода, и после него. СУ позволяют измерять расход, как правило, в трубопроводах диаметром от 50 мм до 1600 мм.

Расходом потока жидкости или газа называется количество среды, проходящее через сечение трубопровода за единицу времени. Это объемный расход:

[ ] (1)

и массовый расход: [ ], (2)

где W-объем [м3] ,М=rW - масса протекшей среды [кг]; t -время измерения [с], r - плотность жидкости (газа) [ ].

 

Типы и особенности сужающихся расходомеров

Труба Вентури

В данной лабораторной работе используется наиболее распространенный измеритель расхода с сужающимся устройством – труба Вентури, которая работает по принципу измерения перепада давления, появляющегося в сужающем устройстве в результате преобразования некоторой части потенциальной энергии в кинетическую энергию. Принцип действия сужающегося расходомера (СР) - трубы Вентури (рис. 3) - основан на взаимосвязи скорости (расхода) и давления в потоке сплошной среды. При стационарном течении (с постоянным расходом) с увеличением скорости в сжатом сечении давление в нем понижается.

Рис. 3. Схема трубы Вентури

 

Решая совместно уравнения расхода и энергии (Бернулли), получают расчетную формулу для определения объемного расхода несжимаемой жидкости через сужающее устройство:

(3)

где a - коэффициент расхода СР, зависящий от ряда факторов, но главным образом, от модуля расходомера, равного отношению площади сжатого сечения к площади входа:

(4)

S0 - площадь сжатого сечения, равная

Δp - перепад давления на СР, равный Δp=p1 - p2;

r- плотность протекающей среды, [ .

 

Труба Вентури имеет цилиндрическую горловину диаметром dи две конических - входную и выходную - части.

Значения коэффициентов расхода для стандартных труб Вентури приведены в табл. 1.

Таблица 1

Значения коэффициентов расхода αn для стандартных труб Вентури

  Число Рейнольдса αn
Сварные 1·105 -2·105 2·105 -2·106 > 2·106 0,93 0,92 0,90
Литые 1·105-1,5·105 1,5·105-2·105 2·105-2·106 > 2·106 0,94 0,93 0,92 0,90

 

2.2. Сопло Вентури

Разновидностью стандартизированной расходомерной трубы является сопло Вентури. Входная часть его соответствует профилю стандартного сопла (рис. 4) с удлиненной цилиндрической горловиной.

2.3. Диафрагмы

В практике также широко используются СР типа «диафрагма» (рис. 5) и «двойная диафрагма».

Диафрагма[1] в автоматизации является стальной перегородкой внутри трубы с жидкостью или газом. В трубопроводе, по которому протекает жидкое или газообразное вещество, диафрагма создает местное сужение потока. Вследствие перехода части потенциальной энергии давления в кинетическую средняя скорость потока в суженном сечении повышается. Статическое давление потока после диафрагмы становится меньше, чем до нее. Разность этих давлений (перепад давления) тем больше, чем больше расход протекающего вещества.


Рис. 4. Схема течения через сопло Вентури и диаграмма для выбора

стандартного коэффициента расхода an

 

 

Рис. 5. Схема течения через диафрагму и диаграмма для выбора стандартного

коэффициента расхода an

 

Двойная диафрагма - сужающее устройство расходомера, состоящее из двух плоских диафрагм, расположенных на определенном расстоянии друг от друга, причем первая диафрагма по направлению потока имеет большее отверстие, чем вторая. Двойная диафрагма по своим свойствам - промежуточная между стандартной диафрагмой и стандартным соплом, так как вспомогательная диафрагма при правильно выбранном расстоянии облегчает вход потока в отверстие основной диафрагмы. Двойные диафрагмы имеют постоянные значения диаметров в области средних чисел Re и нередко применяются для измерения расхода вязких веществ. Но конструктивно они сложнее многих других разновидностей диафрагм и сопел, а в пространстве между вспомогательной и основной диафрагмой у них могут скапливаться осадки.

 

Тарировка расходомеров

Тарировка - то же, что и тарирование – проверка правильности показания измерительных приборов по сравнению со стандартными значениями.

Для практического использования формулу (3) удобнее представить в виде

Q=αA , (5)

где A -постоянная расходомера (безразмерная величина), зависит от условий его работы: неравномерности поля скоростей, мест отбора давлений, длины прямого участка перед СР и др.;

Δh - разность показаний измерителя давлений (дифференциального ртутного манометра (ДРМ)) до и после СР, визуально наблюдаемая на приборе, [м вод. ст.].

Пересчет показаний ДРМ Δh, используемого в лабораторной работе в качестве измерителя давлений, из мм рт.ст. в м вод.ст. необходимо произвести следующим образом:

1) полученные показания ДРМ Δh (в мм рт.ст.) перевести в мм вод.ст. Δh* из соотношения ;

 

2) расчитанные Δh* подставить в приведенную формулу и найти необходимое значение h (в м вод.ст.):

(6)

 

Вид расчетной формулы для всех типов СР одинаков, отличие заключается лишь в числовых значениях коэффициентов расхода a, который может быть определен для нормализованных, стандартных СР по таблицам и диаграммам. Но в этом случае должны строго выдерживаться технологические условия изготовления расходомера и его монтажа.

На практике, однако, особенно в условиях промышленности, выдержать строгое соответствие стандарту не удается. Поэтому возникает необходимость тарировки расходомера, то есть опытного установления значения, коэффициента расхода и характера его изменения во всем диапазоне измерения (области использования СР в установке).

 

4. Описание лабораторных установок

Схема установки для тарировки трубы Вентури показана на рис. 6, для тарировки сопел и диафрагм - на рис. 7.

 

 

Рис. 6. Схема лабораторной установки для тарировки

трубы Вентури

 

Первая (рис. 6) включает: ртутный дифференциальный манометр 3 для измерения перепада давления Δh, трубу Вентури 4 и мерный бак 5 для определения объемного расхода; вентили 1 и 2 служат для измерения расхода.

Рис. 7. Схема лабораторной установки для тарировки диафрагм и сопел

 

 

Установка для тарировки диафрагм и сопел включает: бак 4, установленный на весах 5, обойму 6, в которую помещаются сопла и диафрагмы, жидкостный манометр (П-образный) 7 (возможна также установка дифманометра 8) и регулировочные краны и вентили 1, 2, 3. Перепад давления здесь определяется в метрах водного столба или в единицах градуировочной шкалы дифманометра 8.