| Тип устройства | Обозначение | Диапазон β | Минимальный Dу, мм | Потери давления |
|---|---|---|---|---|
| Диафрагма стандартная | ДКС, ДБС, ДФК | 0,2–0,75 | 50 (ДКС, ДБС) 20 (ДФК) |
Наибольшие |
| Сопло ИСА 1932 | — | 0,3–0,8 | 50 (газ) 30 (жидкость) |
Средние |
| Эллипсное сопло | — | 0,3–0,75 | 50 | Средние |
| Сопло Вентури | — | 0,3–0,75 | 50 | Низкие |
| Труба Вентури | — | 0,3–0,75 | 50 | Наименьшие |
| Способ отбора | Расположение отборов | Типы диафрагм | Преимущества | Недостатки |
|---|---|---|---|---|
| Угловой | Непосредственно у торцов диафрагмы через кольцевые камеры | ДКС, ДБС, ДВС | Не требуется сверление трубопровода, усреднение давления по окружности | Малые размеры отверстий, высокая вероятность загрязнения |
| Фланцевый | l₁ = l₂ = 25,4 мм от торцов диафрагмы | ДБС, ДФС | Большие отверстия, меньшая вероятность засорения | Требуется сверление трубопровода |
| Трёхрадиусный | l₁ = D, l₂ = 0,5D от торцов диафрагмы | ДБС | Минимальное влияние профиля скоростей | Требуется сверление, специфические прямые участки |
| Параметр | Диафрагма | Сопло ИСА | Сопло Вентури | Труба Вентури |
|---|---|---|---|---|
| Диапазон Re | ≥5000* | ≥10000 | ≥10000 | ≥2×10⁴** |
| Неопределённость коэффициента расхода, % | зависит от β, D, Re | зависит от β, Re | зависит от β | зависит от типа |
| Условное давление, МПа | до 32 (ДВС) | до 16 | до 16 | до 10 |
| Рабочая температура, °С | −60...+600 | −40...+600 | −40...+550 | −40...+400 |
| Динамический диапазон | 1:3 | 1:4 | 1:4 | 1:5 |
Оглавление статьи
Принцип работы расходомеров переменного перепада давления
Расходомеры переменного перепада давления относятся к наиболее распространённым средствам измерения расхода жидкостей, газов и пара в промышленности. Метод измерения основан на зависимости перепада давления на сужающем устройстве от расхода среды, протекающей через трубопровод.
При установке сужающего устройства в трубопроводе происходит частичный переход потенциальной энергии давления в кинетическую энергию скорости потока. В месте сужения средняя скорость потока увеличивается, а статическое давление уменьшается. Разность давлений до и после сужающего устройства тем больше, чем выше расход среды. Данная зависимость описывается уравнением Бернулли и может служить мерой расхода.
Массовый расход через стандартное сужающее устройство рассчитывается по формуле, учитывающей коэффициент расхода, площадь отверстия, перепад давления и плотность измеряемой среды. Коэффициент расхода определяется экспериментально и зависит от типа устройства, геометрических параметров и числа Рейнольдса.
К основным преимуществам метода переменного перепада давления относятся простота конструкции, отсутствие подвижных элементов, возможность применения при высоких температурах и давлениях, широкий диапазон измеряемых сред. Недостатками являются необратимые потери давления на сужающем устройстве, относительно узкий динамический диапазон измерения и необходимость соблюдения требований к прямым участкам трубопровода.
Нормативная база и стандарты
Основным национальным стандартом, регламентирующим применение метода переменного перепада давления в Российской Федерации, является комплекс ГОСТ 8.586-2005, состоящий из пяти частей. Данный комплекс разработан на основе международного стандарта ISO 5167:2003 и введён в действие с 1 января 2007 года. ГОСТ 8.586.2-2005 распространяется на диафрагмы, установленные в трубопроводах внутренним диаметром от 50 до 1000 мм при числе Рейнольдса не менее 5000.
Структура ГОСТ 8.586-2005
Первая часть ГОСТ 8.586.1-2005 устанавливает принцип метода измерений и общие требования, применимые ко всем типам стандартных сужающих устройств. Вторая часть ГОСТ 8.586.2-2005 содержит технические требования к диафрагмам с угловым, фланцевым и трёхрадиусным способами отбора давления.
Третья часть ГОСТ 8.586.3-2005 регламентирует применение сопел ИСА 1932, эллипсных сопел и сопел Вентури в трубопроводах диаметром от 50 до 630 мм при числе Рейнольдса не менее 10000. Четвёртая часть ГОСТ 8.586.4-2005 устанавливает требования к трубам Вентури, включая расширенный диапазон чисел Рейнольдса по сравнению с международным стандартом.
Пятая часть ГОСТ 8.586.5-2005 представляет методику выполнения измерений расхода с использованием всех указанных типов сужающих устройств. Данная часть содержит алгоритмы расчёта расхода, процедуры определения неопределённости измерений и требования к измерению вспомогательных параметров среды.
Диафрагмы: конструкция и типы
Стандартная диафрагма представляет собой металлический диск с круглым отверстием в центре, имеющий острую прямоугольную входную кромку. Диафрагма устанавливается перпендикулярно оси трубопровода между фланцами или в специальных камерных устройствах. Материалом изготовления чаще всего служит нержавеющая сталь 12Х18Н10Т, обеспечивающая коррозионную стойкость и стабильность геометрических параметров.
Типы диафрагм по конструкции
Диафрагма камерная стандартная ДКС применяется при условных проходах от 50 до 500 мм и давлениях до 10 МПа. Конструкция включает корпуса кольцевых камер, между которыми устанавливается диск диафрагмы. Отбор давления осуществляется через кольцевую щель, обеспечивающую усреднение давления по окружности трубопровода.
Диафрагма бескамерная стандартная ДБС рассчитана на условные проходы от 300 до 3000 мм при давлениях до 4 МПа. Данный тип диафрагмы устанавливается непосредственно между фланцами трубопровода без дополнительных камерных устройств. Возможно применение углового, фланцевого или трёхрадиусного способа отбора давления.
Диафрагма фланцевая камерная ДФК предназначена для малых диаметров трубопровода от 20 до 40 мм при давлениях до 10 МПа. Кольцевые камеры для отбора давления выполнены непосредственно во фланцах, что позволяет реализовать угловой способ отбора в компактной конструкции.
Диафрагма на высокое давление ДВС устанавливается в трубопроводах диаметром от 50 до 400 мм при давлениях до 32 МПа. Конструкция предусматривает установку непосредственно во фланцах, снабжённых кольцевыми камерами, с применением овального уплотнительного кольца для обеспечения герметичности при высоких давлениях.
Требования к геометрии диафрагмы
Входной торец диафрагмы должен быть плоским, при этом неплоскостность не должна превышать установленных пределов. Диафрагму считают плоской, если максимальный зазор между её поверхностью и поверочной линейкой длиной, равной диаметру трубопровода, составляет менее 0,005D. Входная кромка отверстия диафрагмы должна быть острой, без заусенцев и закруглений.
Длина цилиндрической части отверстия диафрагмы регламентируется в пределах от 0,005D до 0,02D. Если толщина диска диафрагмы превышает 0,02D, со стороны выходного торца выполняется коническая поверхность с углом конусности 45 градусов. Данное требование обеспечивает минимальное влияние толщины диафрагмы на коэффициент расхода.
Стандартные диафрагмы применяются только для однофазных и однородных сред при полном заполнении трубопровода. Скорость потока в отверстии диафрагмы не должна превышать скорости звука в измеряемой среде. При несоблюдении этих условий методика расчёта по ГОСТ 8.586 неприменима.
Сопла и сопла Вентури
Сопло ИСА 1932 представляет собой сужающее устройство с круглым отверстием, имеющее на входе плавно сужающийся участок с профилем, образованным двумя сопрягающимися дугами окружностей. Входной участок переходит в цилиндрический участок на выходе, называемый горловиной. Такая конструкция обеспечивает более плавное обтекание по сравнению с диафрагмой и меньшие потери давления.
Особенности применения сопел
Сопла применяются преимущественно при измерении расхода пара и газов, особенно при высоких скоростях потока. Благодаря плавному профилю сопла менее чувствительны к загрязнению и износу входной кромки по сравнению с диафрагмами. Потери давления на сопле существенно ниже, чем у диафрагм, что является важным преимуществом при ограниченном располагаемом давлении.
Эллипсное сопло, называемое в ISO 5167 соплом большого радиуса, имеет более пологий входной профиль, что обеспечивает ещё меньшие потери давления. Данный тип сопла рекомендуется при необходимости минимизации безвозвратных потерь энергии среды при измерении расхода.
Сопло Вентури: конструкция и характеристики
Сопло Вентури сочетает преимущества сопла и трубы Вентури, имея закруглённое входное отверстие как у сопла и выходной диффузор как у трубы Вентури. Такая конструкция обеспечивает пониженные потери давления при сохранении компактных габаритов.
Сопла Вентури выпускаются в длинном и коротком исполнении. У длинного сопла наибольший диаметр выходного конуса равен диаметру трубопровода, у короткого он меньше диаметра трубопровода. Перепад давления измеряется через кольцевые камеры, причём заднюю камеру соединяют с цилиндрической частью сопла с помощью радиальных отверстий.
Сопло Вентури применяется при диаметрах трубопроводов от 50 до 630 мм и обеспечивает высокую точность измерения расхода. Данный тип сужающего устройства выбирают для измерения значительных расходов при низком давлении измеряемой среды, когда важно минимизировать потери давления.
Трубы Вентури: особенности применения
Расходомерная труба Вентури представляет собой сужающее устройство с круглым отверстием, имеющее на входе конический сужающийся участок, переходящий в цилиндрический участок — горловину. На выходе расположена расширяющаяся коническая часть, называемая диффузором. Труба Вентури обеспечивает наименьшие безвозвратные потери давления среди всех стандартных сужающих устройств.
Преимущества труб Вентури
Потери давления при использовании трубы Вентури являются наименьшими среди всех стандартных сужающих устройств. Благодаря наличию диффузора происходит частичное восстановление давления после прохождения горловины. Это особенно важно при измерении расхода в системах с ограниченным располагаемым давлением.
Трубы Вентури малочувствительны к износу и загрязнению благодаря плавному профилю проточной части. Они могут применяться для измерения расхода загрязнённых сред и суспензий, где использование диафрагм затруднено из-за быстрого износа острой кромки или налипания частиц.
Конструктивные исполнения
Трубы Вентури изготавливают с обработанной и необработанной конической входной частью. Обработанная входная часть обеспечивает более высокую точность измерений за счёт гладкой поверхности без шероховатостей. Необработанная входная часть применяется при менее строгих требованиях к точности или для снижения стоимости изготовления.
Диффузор трубы Вентури может быть выполнен под различными углами в зависимости от компромисса между степенью восстановления давления и габаритными размерами. Меньший угол диффузора обеспечивает более эффективное восстановление давления, но увеличивает длину устройства.
Трубы Вентури применяются в трубопроводах диаметром от 50 до 1200 мм, хотя для больших диаметров более 1000 мм используется методика МИ 3152-2008, допускающая применение сужающих устройств в трубопроводах до 3000 мм.
Метрологические характеристики и расчёты
Метрологические характеристики расходомеров переменного перепада давления определяются расчётным путём на основе геометрических параметров сужающего устройства и измерительного трубопровода. Поверка таких расходомеров осуществляется беспроливным способом путём контроля геометрии сужающего устройства и метрологических характеристик датчика перепада давления.
Коэффициент расхода
Коэффициент расхода характеризует отличие реального истечения среды через сужающее устройство от идеального. Он зависит от типа сужающего устройства, относительного диаметра, числа Рейнольдса и способа отбора давления. Для стандартных сужающих устройств коэффициент расхода определяется по эмпирическим формулам, приведённым в ГОСТ 8.586.
Неопределённость коэффициента расхода зависит от диаметра трубопровода, относительного диаметра устройства и числа Рейнольдса. Для каждого типа сужающего устройства в соответствующей части ГОСТ 8.586 приведены формулы для расчёта неопределённости. Эта неопределённость является основной составляющей суммарной неопределённости измерения расхода.
Расчёт расхода среды
Массовый расход определяется по формуле, включающей коэффициент расхода, площадь отверстия сужающего устройства, корень квадратный из перепада давления и плотность среды. Для газов и паров дополнительно учитывается поправка на расширение среды в зависимости от перепада давления и показателя адиабаты.
При измерении расхода газа, приведённого к стандартным условиям, необходимо измерять абсолютное давление и температуру среды для пересчёта плотности. Современные вычислители расхода автоматически выполняют все необходимые расчёты в режиме реального времени на основании измеренных параметров.
Динамический диапазон расходомеров переменного перепада давления ограничен квадратичной зависимостью перепада от расхода. Типичное соотношение максимального к минимальному расходу составляет от 3:1 для диафрагм до 5:1 для труб Вентури. При необходимости измерения в более широком диапазоне применяют несколько датчиков перепада давления с разными пределами измерения.
Требования к монтажу и прямым участкам
Для обеспечения точности измерений сужающее устройство должно располагаться в прямолинейном участке трубопровода определённой длины до и после устройства. Длина прямых участков зависит от типа и параметров расположенных выше по потоку местных сопротивлений, относительного диаметра сужающего устройства и требуемой точности измерений.
Требования к установке
Сужающее устройство должно устанавливаться строго перпендикулярно оси трубопровода, при этом неперпендикулярность для диафрагм не должна превышать одного градуса. Ось сужающего устройства должна совпадать с осью трубопровода, эксцентриситет ограничивается долями процента от диаметра трубопровода.
Участок трубопровода длиной не менее двух диаметров до и после сужающего устройства должен быть цилиндрическим и гладким, без уступов, наростов и неровностей, заметных невооружённым глазом. Внутренний диаметр измерительного трубопровода должен быть измерен с высокой точностью, так как от него зависит расчёт расхода.
Длины прямых участков
Минимальная длина прямого участка до сужающего устройства варьируется от 5 до 70 диаметров трубопровода в зависимости от типа местного сопротивления и относительного диаметра. Наибольшие длины требуются после двух отводов в разных плоскостях и после редукторов. После сужающего устройства требуется прямой участок длиной от 2 до 8 диаметров.
Трубы Вентури и сопла Вентури требуют меньших длин прямых участков по сравнению с диафрагмами благодаря наличию диффузора, обеспечивающего выравнивание профиля скоростей. Это является дополнительным преимуществом при стеснённых условиях монтажа.
При недостаточной длине прямых участков профиль скоростей на входе в сужающее устройство искажается, что приводит к дополнительной погрешности измерения расхода. Для компенсации этого эффекта в ГОСТ 8.586 приведены таблицы минимальных длин прямых участков для различных конфигураций местных сопротивлений.
