3. Теоретические основы измерения расхода методом переменного перепада давления

3.1. Общие сведения

Расход жидкости, газа, пара, воды, теплоносителя, нефти, бензина, молока и т.д., поступающего в рабочие каналы измеряется в технологических процессах, а так же в учетных операциях.

Приборы, измеряющие расход называются расходомерами.

Расход вещества - это количество вещества, проходящего в единицу времени по трубопроводу, каналу и т.п.

Расход вещества выражают в объемных или массовых единицах измерения.

Единицы объемного расхода: л/ч, м³/с, м³/ч.

Единицы массового расхода: кг/с; кг/ч, т/ч.

Переход от объемных единиц расхода к массовым и обратно производится по формуле:

Q_м = Q_об ρ,

где ρ - плотность вещества, кг/м³;

Q_{м -} массовый расход, кг/ч;

Q_об - объемный расход, м³/ч.

Наиболее часто применяется метод измерения расхода по переменному перепаду давления на сужающем устройстве, установленном в трубопроводе.

Принцип действия расходомера переменного перепада основан на изменении потенциальной энергии измеряемого вещества при протекании через искусственно суженое сечение трубопровода.

Согласно закону сохранения энергии полная механическая энергия W_полн протекающего вещества, представляющая собой сумму энергии потенциальной W_пот (давления) и кинетической W_кин (скорости) при отсутствии трения является величиной постоянной т.е.

W_полн = W_пот+ W_кин = const

Таким образом, при протекании среды через суженное сечение происходит частичный переход потенциальной энергии в кинетическую энергию. В связи с этим статическое давление в суженом сечении будет меньше давления перед местом сужения. Разность давлений перед суженным участком и в месте сужения, называемая перепадом давления, тем больше, чем больше скорость (расход) протекающего вещества. По перепаду можно определить величину расхода протекающей среды.

Характер потока и распределение давления Р в трубопроводе 1 с сужающим устройством 2 представлен на рисунке 3.1.

Сжатие потока начинается перед диафрагмой и достигает наибольшей величины на некотором расстоянии за ней (за счет сил инерции). Затем поток расширяется до полного сечения трубопровода. Перед диафрагмой и за ней образуются вихревые зоны (турбулентные потоки).

Рис. 3.1. Характер потока и распределение давления

в трубопроводе с сужающим устройством

Перед диафрагмой вследствие торможения потока возникает скачек давления Р₁ Рʹ₁. Наименьшее давление - Pʹ₂ на некотором расстоянии за диафрагмой. По мере расширения давление у стенок возрастает, но не достигает прежнего значения из-за потерь энергии на образование вихревых потоков. Разность Р_п называется безвозвратной потерей давления.Таким образом, при протекании вещества через сужающее устройство (СУ) создается перепад давления Р = Р₁ - P₂ , зависящий от скорости потока и, следовательно, расхода жидкости. Отсюда следует, что перепад давления, создаваемый сужающим устройством, может служить мерой расхода вещества, протекающего по трубопроводу, а численное значение расхода вещества может быть определено по перепаду давления ΔР, измеренному дифманометром.

Соотношение между этими величинами для жидкости, газа и пара дается упрощенным уравнением

(м³/ч),

где к₁ — постоянный коэффициент.

Перепад давления на сужающем устройстве определяют с помощью средств измерений перепада давления (дифференциальных манометров - дифманометров) любого типа путем подсоединения их через соединительные трубки к отверстиям для отбора давления. Допускается подключение к одному сужающему устройству двух или более дифманометров.

При определении зависимости между расходом и перепадом предполагают наличие следующих условий:

• поток установившийся (до и после СУ – прямые участки трубопровода);

• поток полностью заполняет трубопровод;

• среда однофазная и не меняется фазовое состояние;

• перед СУ не скапливается конденсат и др.;

• канал имеет определенный профиль (обычно круглое сечение).