Туяхов И.А. Практическая метрология

Подождите немного. Документ загружается.

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

160

ются сегментные диафрагмы. Такие сужающие устройства не являют-

ся препятствием для прохода загрязняющих поток примесей и в них

не образуются отложения вблизи диафрагмы.

Сегментная диафрагма представляет собой тонкий диск, имею-

щий отверстие в виде сегмента (рисунок 4.8), которое располагается в

верхней части трубопровода, если необходимо измерять газовые и

жидкие среды, загрязненные твердыми частицами, и в нижней части,

если в жидкости находятся газовые пузырьки.

В обоих случаях примеси свободно

проходят через отверстие и не образуют

отложений и газовых пузырей (мешков) в

месте расположения диафрагмы. Такие

диафрагмы применяются для диаметров

трубопровода больше 25 мм и при

Re≥2.5⋅10

Опыт применения сужающих уст-

ройств для измерения расхода угольной

пыли в смеси с воздухом на тепловых

электростанциях показал, что наиболее

рациональной конструкцией с точки зре-

ния точности измерения, чувствительности и надежности работы в

запыленных потоках является сопло с профилем "четверть круга" (ри-

сунок 4.9). Такое сужающее устройство обеспечивает измерение от-

дельно расхода воздушного пото-

ка с погрешностью не превы-

шающей ±2% и отдельно расхода

угольной пыли с погрешностью

±2,5%.

Аэродинамика потока в его

профилирующей части обуслав-

ливает незначительный износ

входных закруглений, радиус ко-

торых допускается уменьшить до

3%. В то же время полностью со-

храняется чистота поверхности

входной кромки, определяющей

постоянство коэффициента расхо-

да α.

Перепад давления, измеряе-

мый в непосредственной близости

Рисунок 4.8 – Сегментная

диафрагма

Рисунок 4.9 – Сопло с профилем

в четверть круга для измерения

расхода запыленных газовых

потоков.

Р'

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

161

от сопла ∆Р

=Р

– Р

, дает информацию о расходе воздуха, а по пере-

паду давления на расстоянии, равном половине диаметра трубопрово-

да, ∆Р

=Р

' – Р

' определяют расход угольной пыли. Информация по

давлениям Р

, Р

' , Р

' , преобразованная в электрические сигналы,

поступает на микропроцессорное устройство, которое выдает данные

по расходу воздуха, угольной пыли, а также по концентрации уголь-

ной пыли в 1 м

воздуха. В микропроцессор вводят также расчетные

формулы, полученные экспериментально для данного сужающего

устройства и конкретной движущейся среды.

Расходомеры с использованием сужающих устройств различных

типов получили широкое применение из-за следующих их достоинств:

- простота конструкции и надежность получения первичной

информации о расходе движущейся среды;

- универсальность метода, позволяющая измерять расход лю-

бых сред (жидких, газообразных, двухфазных) в широком

диапазоне давлений, температур, расходов и диаметров тру-

бопровода;

- градуировочная характеристика стандартных сужающих

устройств может быть определена расчетным путем, поэто-

му отпадает необходимость в образцовых расходомерах;

- возможность использования для различных условий измере-

ния однотипных вторичных приборов – расходомеров.

Однако, сужающие устройства имеют недостатки, основными из

которых являются:

- необратимые потери давления, т.к. сужающие устройства

являются местным аэродинамическим сопротивлением;

- нелинейная зависимость между расходом и перепадом, что

позволяет измерять расходы, составляющие менее 30% от

верхнего его значения;

- необходимость индивидуальной градуировки сужающих

устройств при малых числах Re или в трубах d<50мм;

- относительно высокая погрешность измерения, составляю-

щая от 1,5 до 3,0%;

- ограниченное быстродействие из-за конечной и недостаточ-

ной скорости прохождения сигнала от сужающего устройст-

ва к регистрирующему расходомеру (включая инерцион-

ность и самого расходомера), что создает трудности при из-

мерении быстроменяющихся расходов.

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

162

4.3 Схемы соединительных линий при использовании сужающих

устройств

Точность измерения расхода сужающими устройствами зависит

не только от типа сужающего устройства и расходомера (дифмано-

метра), но и от способа соединения этих двух приборов.

Передача импульсов давления от сужающего устройства к диф-

манометру осуществляется разными способами. На выбор схемы со-

единения оказывают влияние такие факторы, как параметры и физи-

ческие свойства измеряемой среды, ее агрегатное состояние, взаимное

расположение сужающего устройства и дифманометра.

Дифманометр подключается к сужающему устройству двумя со-

единительными линиями (двумя импульсными трубками) внутренним

диаметром не менее 8 мм и длиной не более 15 м. При измерении рас-

хода неагрессивной жидкости дифманометр рекомендуется по воз-

можности устанавливать ниже сужающего устройства (рисунок 4.10а),

что исключает попадание в соединительные линии и дифманометр

газа, который может выделиться из протекающей жидкости. Для гори-

зонтальных трубопроводов соединительные линии должны подклю-

чаться через запорные вентили 2 к нижней половине трубы, но не в

самой нижней части во избежание попадания в линии газа или осад-

ков из трубопровода.

Запорные вентили используются при ремонтных, профилактиче-

ских, наладочных и других работах как соединительных линий, так и

дифманометра для отсоединения или присоединения к трубопроводу

отдельных элементов системы измерения расхода. Для предохранения

дифманометра от загрязнений в низших точках горизонтального тру-

бопровода устанавливаются отстойные сосуды 4.

В случае расположения дифманометра выше сужающего устрой-

ства ( рисунок 4.10 б) в схеме предусмотрены газосборники 6, уста-

навливаемые в высших точках линии, и отстойники 4, применяемые

только в случае выпадения осадков из измеряемой жидкости.

Для уменьшения возможности поступления пузырьков газа из

жидкости, протекающей в трубопроводе, в соединительные линии при

установке дифманометра выше сужающего устройства, соединитель-

ные трубки располагаются ниже трубопровода на 0,7 м.

При измерении расхода газа дифманометр рекомендуется уста-

навливать выше сужающего устройства, чтобы конденсат, образовав-

шийся в соединительных линиях, мог стекать в трубопровод (рису-

нок 4.11). При измерении расхода агрессивного газа в соединительные

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

163

линии должны включаться разделительные сосуды. Они представляют

собой емкости, заполненные нейтральной (разделительной) жидко-

стью (например, этиленгликоль, глицерин и др.)и располагаются меж-

ду сужающим устройством и дифманометром.

Особенностью измерения расхода пара является необходимость

соблюдения постоянства и равенства уровней конденсата в обеих со-

единительных линиях, а также предохранение от попадания и удале-

ния попавшего в них воздуха. Схема соединения дифманометра с су-

жающим устройством при измерении расхода пара показана на рисун-

ке 4.12. Обязательным элементом этого соединения является наличие

1 – сужающее устройство; 2 – запорный вентиль; 3 – продувочный вентиль;

4 – отстойный сосуд с продувочным вентилем; 5 – дифманометр

(расходомер); 6 – газосборник с вентилем для продувки.

Рисунок 4.10 – Схемы соединительных линий при измерении расхода жидкости

с расположением дифманометра ниже (а) и выше (б) сужающего устройства

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

164

уравнительных сосудов 5 (конденсационных), наполовину заполнен-

ных конденсатом.

Все соединительные линии и дифманометр 8 также заполнены

конденсатом. Уравнительные сосуды обеспечивают постоянство и

одинаковость верхних уровней конденсата в обеих соединительных

линиях. При измерении расхода пара дифманометр рекомендуется

располагать ниже сужающего устройства и ниже уравнительных сосу-

дов. Такой способ взаимного расположения сужающего устройства и

дифманометра облегчает удаление воздуха из соединительных линий.

1 – сужающее устройство;

2 – запорный вентиль; 3 – раздели-

тельный сосуд; 4 – контрольный

вентиль; 5 –вспомогательный вен-

тиль; 6 – продувочный вентиль; 7 –

дифманометр.

Рисунок 4.11 – Схема соедини

тельных линий с разделитель

ными сосудами при измерении

расхода газа

1 – сужающее устройство; 2 –

уравнительные сосуды; 3 – з

а-

порный вентиль; 4 –продувоч-

ный вентиль; 5 – отстойный

сосуд; 6 – дифманометр.

Рисунок 4.12 – Схема соедини-

тельных линий при измерении

расхода пара с установкой диф-

манометра ниже сужающего

устро

йства

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

165

4.4 Измерение расхода жидкостей и газов напорными трубками

Напорные трубки (трубки Пито-Прандтля) применяют для изме-

рения скорости потока жидкой или газообразной среды в трубопрово-

дах, а также в открытых или закрытых каналах. При известной пло-

щади сечения потока (трубопровода) F и измеренной при помощи на-

порной трубки средней скорости потока

по всему сечению можно

рассчитать расход данной среды по формуле:

⋅F(4.19)

Измерение скорости потока напорными трубками производится

по измерению динамического давления (скоростного напора) Р

, кото-

рое согласно уравнению Бернулли равно:

= (4.20)

где w – скорость потока в точке измерения, м/с;

ρ - плотность движущейся среды в рабочих условиях, кг/м

;

– динамическое давление, создаваемое потоком, Па.

Метод измерения динамического давления, впервые применен-

ный французским инженером и ученым Генри Пито в 1732 году для

измерения скорости воды в реках и каналах, показан на рисунке 4.13.

Трубка 1, установленная открытым концом навстречу потоку, воспри-

нимает полный напор Р

, который складывается из суммы статическо-

го Р

ст

и динамического Р

давлений. Для определения только динами-

ческого давления необ-

ходимо от полного дав-

ления вычесть статиче-

ское давление. Для этого

в поток помещается вто-

рая трубка 2 так, что

плоскость открытого

конца располагается па-

раллельно линиям тока

(параллельно стенкам

для трубопровода), и

трубка 2 воспринимает

только статическое дав-

ление. Дифманометр 5,

подключаемый к наруж-

ным концам трубок, из-

газ

жи

кость

1 – трубка полного давления;

2 – трубка статического давления;

3 – пьезометр полного давления;

4 – пьезометр статического давления;

5 – дифманометр

Рисунок 4.13 – Схема измерения динамического

давления для газообразных и жидких сред

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

166

меряет разность полного и статического давлений, т.е. динамическое

давление, по результатам которого рассчитывается скорость потока.

Для измерения скорости жидкой среды более удобно применять

стеклянные трубки, свободные концы которых сообщаются с атмо-

сферой. Высота подъема жидкости в пьезометре 3 определяет полное

давление движущейся жидкости, а пьезометр 4 покажет статическое

давление. Разность высот подъема жидкости в обеих трубках опреде-

ляет динамическое давление.

При определении расхода по формуле (4.19) необходимо знать

среднюю скорость потока в поперечном сечении трубопровода (кана-

ла). Средняя скорость зависит от режима движения среды. При лами-

нарном режиме средняя скорость равна половине скорости на оси

трубы, т.е:

ocь

w5,0w = .(4.21)

Для ламинарного режима достаточно измерить динамическое

давление на оси потока и рассчитать расход, используя формулы

(4.19), (4.20), т.е.:

F5,0V .(4.22)

При турбулентном режиме распределение скоростей по сечению

потока (эпюра скоростей) более равномерное и зависит от числа Re.

Среднюю скорость потока можно выразить через скорость на оси с

учетом коэффициента, определяемого по экспериментальным данным:

ocь

Aww = .(4.23)

На рисунке 4.14 пока-

зана зависимость коэффи-

циента А от числа Рей-

нольдса, полученная опыт-

ным путем для газообраз-

ных и жидких сред. При

определении расхода в

случае турбулентного ре-

жима производят следую-

щие измерительные и вы-

числительные операции:

- измеряют напор-

ной трубкой динамическое

давление Р

на оси;

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

3,54,55,56,57,58,5

lgRe

A (W

ср

макс

)

Рисунок 4.14 – Зависимость относительной

средней скорости A (W

ср

макс

) от числа

Рейнольдса

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

167

- вычисляют скорость потока на оси w

ось

;

- вычисляют число Рейнольдса по формуле

ось

, зная

диаметр трубопровода D и коэффициент динамической вяз-

кости ν для данной среды при рабочих условиях;

- по графику (рисунок 4.14) находят коэффициент А;

- вычисляют расход по формуле:

AFV , м

/с (4.24)

Наиболее сложные условия возникают при измерении расхода в

сечениях трубопроводов или каналов с неустановившемся режимом

движения среды. Такой режим возникает возле местных аэродинами-

ческих сопротивлений таких, как повороты трубопровода, задвижки,

расширение, сужение и др. Для таких случаев применяется более точ-

ный, не зависящий от характера режима движения и формы сечения

трубопровода, метод интегрирования. Для определения расхода все

сечение трубопровода F разбивается на ряд участков "n" с равновели-

кими площадями f

=…f

, при этом измеряется динамическое

давление Р

дi

в определенной точке каждого равновеликого участка и

рассчитывается скорость w

на каждом из них. Для цилиндрического

трубопровода таких участков должно быть не менее 5 и измерение

динамического давления ведется на каждом кольцевом участке в 4

диаметрально противоположных точках (рисунок 4.15 а). Прямо-

угольные каналы разбиваются на большее количество равновеликих

площадей, не менее 16, и

динамическое давление из-

меряется в середине каждо-

го участка (рисунок 4.15 б).

Объемный расход определя-

ется по формуле:

= , (4.25)

где

P - среднее значе-

ние динамического давле-

ния по всему сечению тру-

бопровода, равное:

Рисунок 4.15 – Схема разбиения

поперечного сечения канала круг-

лого (а) и прямоугольного (б) сече-

ния на ряд равновеликих площадей

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

168

iд2д1дд

Р...РР

P ++= (4.26)

где n – число равновеликих площадей.

Используя выражение (4.25), получим формулу для определения

расхода при неустановившемся режиме:

)Р...РР(

iд2д1д

= .(4.27)

В настоящее время применяется несколько конструктивных вари-

антов напорных трубок, приспособленных как для лабораторных, так

и для промышленных измерений расхода или скорости жидких и газо-

образных сред. Наибольшее распространение получили нормализо-

ванные напорные трубки с полусферическим наконечником (рису-

нок 4.16). Полный напор воспринимается центральным отверстием в

головке, направленным навстречу потоку, а статическое давление -

через ряд отверстий, расположенных по окружности на боковой по-

верхности корпуса трубки 2. Давления из точек измерения отбираются

с помощью тонких трубочек 3 и 4 и выводятся внутри корпуса держа-

теля к соединительным штуцерам 5. Достоинством трубки с полусфе-

рической головкой явля-

ется ее малая чувстви-

тельность к направлению

набегающего потока.

Отклонение трубки от

оси потока на угол до 16°

практически не сказыва-

ется на результатах из-

мерения, так как полное

и статическое давление

изменяются одинаково.

При измерении рас-

хода (скорости) норма-

лизованными напорными

трубками возникает по-

грешность, обусловлен-

ная неточностью изго-

товления самой трубки, а

также искажением поля

скоростей из-за наличия

0,1d

Рисунок 4.16 – Нормализованная напорная

трубка

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

169

в потоке конструктивных элементов трубки. Поэтому в окончатель-

ные формулы, приведеные выше для всех режимов движения потока,

вводится поправочный коэффициент "ε", определяемый градуировкой.

Этот коэффициент для чисел Рейнольдса Re>700 близок к единице и

составляет 0,98- 0,99, а для Re<700 (в зависимости от величины Рей-

нольдса) находится в интервале 0,94–0,98.

С учетом поправочного коэффициента, который называется ко-

эффициентом напорной трубки, можно использовать следующие фор-

мулы для определения расхода напорными трубками:

- для ламинарного и турбулентного режимов при установке

трубки на оси трубопровода

ξ=

)ось(д

AFV , где A=f(Re), А=0,5 – 1,0 (4.28)

- для неустановившегося режима

∑

ξ=

iд

V , м

/с (4.29)

Напорные трубки для измерения расхода различных сред получи-

ли распространение в промышленности, особенно в тех случаях, когда

другие методы неэффективны. Так, например, в теплоэнергетике на

котлах большой мощности для измерения

расхода среды в экранных трубах при

проведении теплогидравлических испы-

таний получила распространение напор-

ная трубка конструкции ВТИ (рисунок

4.17). Трубка имеет два скошенных от-

верстия, одно из которых воспринимает

полное давление Р

, другое – статическое

ст

. Такие трубки удобны для измерения

расхода среды в трубах поверхностей на-

грева котлов (диаметр труб составляет 20

– 30 мм), благодаря простоте конструк-

ции и малому гидравлическому сопро-

тивлению. Для увеличения точности из-

мерения производится предварительная

тарировка каждого участка трубы с уста-

новленной в ней напорной трубкой.

При наладке и испытании паровых

котлов возникает необходимость в

Рисунок 4.17 – Напорная

трубка для измерения

расхода в трубах малого

диаметра