Техника измерения расхода

7.4.1 Расходомеры переменного перепада давления. Принцип действия

Принцип действия расходомеров данного типа, объединённых единым методом измерений, основан на измерении перепада давления, образующегося в результате местного изменения скорости потока жидкости, газа или пара.

Метод переменного перепада давления один из наиболее старых и изученных методов измерения расхода. Это, а также возможность косвенной градуировки и поверки стандартных первичных преобразователей – сужающих устройств реализующих метод, их простота и надёжность, серийный выпуск вторичных преобразователей – дифманометров обусловило его чрезвычайно широкое преимущество по сравнению с другими использование в практике промышленных приборов измерения расхода. И вместе с тем, в основе этого чисто гидродинамического метода, лежат столь сложные физические процессы деформации потоков, столь большое число неконтролируемых факторов влияет на характер этих процессов, что применение его в настоящее время ограничено областями, где требуется относительно низкая точность измерений, хотя возможности его «метрологического совершенствования» далеко не исчерпаны.

Перепад давления (Δp = p₁ – p₂) функционально связаны квадратичной параболической зависимостью. Отсутствие линейной пропорциональной зависимости между объектом измерения (Δp) и измеряемым параметром (Q или M) является основным методическим недостатком расходомеров переменного перепада давления.

Из приведённых методических предпосылок следует, что для измерения расхода жидкостей, газов и паров по перепаду давления необходимы три устройства, объединённые общим понятием для расходомеров переменного перепада давления:

- устройство, создающее перепад давления в потоке измеряемой среды за счёт местного изменения скорости потока или по значению (СУ - сужающее устройство), или по направлению (изогнутые участки трубы);

- соединительные устройства, передающие перепад давления без искажений и погрешностей от потока к дифференциальному манометру;

- измерительный прибор, измеряющий перепад давления в потоке – дифференциальный манометр.

Иногда к ним добавляется ещё вторичный прибор – преобразователь, который преобразует показания дифференциального манометра в электрический или в в пневматический, или в частотный сигналы, а также ещё вторичный прибор для записи или регистрации суточного графика этих сигналов расхода.

7.4.2 Стандартные типы сужающих устройств

В настоящее время наиболее распространены стандартные сужающие устройства трех типов: нормальная диафрагма, нормальное сопло и труба (сопло) Вентури. Нормальная диафрагма. При угловом отборе давления применяют нормальные диафрагмы двух видов - плоские и камерные.

Нормальная диафрагма представляет собой тонкий диск с отверстием, концентричным оси трубы, с острой прямоугольной кромкой со стороны входа потока. Диаметр отверстия диафрагмы d не должен отличаться от расчетного более чем ± (0,001-0,05) % при m < 0,45 и на ± (0,005-0,05) % при m > 0,45. Этим обеспечивается геометрическое подобие диафрагм.

Закругление, смятие или затупление входной кромки диафрагмы не допустимы, что обеспечивает идентичность характера течения измеряе­мых сред через однотипные диафрагмы.

Метрологические характеристики и область применения расходоме­ров переменного перепада давления. Измерения расхода по переменному перепаду давления, создаваемому сужающими устройствами, относятся к косвенным.

Рабочей формулой измерений расходомеров данного типа в самом общем виде является:

Q = kα_нk_шk_оεd²k_t √Δp/p (7.12)

где k - числовой коэффициент;

α_н - исходный коэффициент расхода, значения которого для нормализованных сужающих устройств приводятся в соответствующих таблицах (например, в таблицах РД 50-213-80);

k_ш - поправочный множитель на шероховатость трубопровода;

k_о - поправочный множитель на остроту кромки у диафрагм;

k_Re - поправочный множитель на вязкость измеряемой среды, который вводится в случае, если число Рейнольдса в трубопроводе несколько меньше предельного числа Рейнольдса для данного типа и относительной площади думающего устройства;

k_t - поправочный множитель на расширение сужающего устройства.

На основании формулы (7.12) по закону сложения средних квадратических погрешностей относительная средняя квадратическая погрешность измерения расхода oq при соблюдении условий нормальной эксплуатации (при осесимметричном потоке с нормальной эпюрой скороетей и при отсутствии существенных пульсационных и вращательных составляющих скоростей)

(7.13)

Средняя квадратическая погрешность табличного течения исходного коэффициента расхода (экспериментальная погрешность при его определении) зависит от относительной площади сужающего устройства.

Значения этой погрешности для различных типов сужающих устройств Колеблются в пределах от 0.2 до 0,7 %

Значения средних квадратических погрешностей соответствующих поправочных множителей (погрешности их эксперимен­тальной оценки) зависят от типа сужающего устройства, его относитель­ной площади, диаметра трубопровода, чисел Рейнольдса и колеблются от 0 (при наиболее благоприятных условиях) до 1,5 %. Предельные значения погрешностей определения коэффициента сжатия ε составляют 4(1 - S) % для диафрагм и 2(1 - S) % для сопел и труб Вентури.

Как правило, закон распределения действительных значений погрешностей определения ε в пределах указанных допусков для однотипных сужающих устройств неизвестен и в этом случае, приняв его равновероятным, найдем σ_ε =2,3(1-S)% для диафрагм и σ'_ε =1,2(1-S)% для сопел и труб Винтури

Следовательно, максимальные значения средней квадратической погрешности определения ε (при S = 0) соответствуют = 2,3 % для диафрагм, = 1.2 % для сопел и труб Вентури, а минимальные (при S - 0,75) = 0,58 % и = 0,3% соответственно.

Далее, σ_d является средней квадратической погрешностью определения диаметра·отверстий сужающего устройства. В соответствии с принятыми нормами максимальная допускаемая погрешность измерения диаметра сужающего устройства равна ±0,1 % от d. Тогда, приняв, как и в предыдущем случае, равновероятное распределение погрешностей в пределах допуска, получим σ_d = 0,06 %. Средняя квадратическая погрешность определения коэффициента расширении сужающего устройства обычно мала по сравнению с дру­гими составляющими (даже при Т = 723 К σ_kt = 0,02 %), поэтому, как правило, ею можно пренебречь. Среднюю квадратическую погрешность измерения перепада давления определяют по формуле

(7.14)

где Δр_ср - среднее расчетное значение перепада давления, обычно принимаемое равным 4/9 Δр_mах;

δ_кл - максимальная приведенная погрешность дифманометра, определяемая его классом точности.

Формула также получена для условий равновероятного распределении погрешностей в пределах допуска для однотипной совокупности дифманометров.

Для обычных эксплуатационных дифманометров при соблюдении требований к их установке и обслуживанию δ_кл = 1,0 - 1,5 % и для дифманометров со вторичными приборами δ_кл = 2,0 - 2,5 %. Следовательно, σ_Δρ колеблется в пределах от 1,3 до 3,2 %.

Средняя квадратическая погрешность σ_р характеризуется погрешностью расчетного значения плотности, взятого из соответствующих справочных данных, изменением параметров, влияющих на плотность измеряемой среды, если отсутствуют корректирующие устройства, и неточностью корректировочных поправок, если имеются корректирующие устройства. Для нормальных условий применения сужающих устройств σ_ρ = 0,1 - 1,0 %. Нижнее значение (0,1 %) соответствует измерению чистых однофазных жидкостей, верхнее (1,0 %) - измерению расхода газов при незначительных колебаниях температуры и давления. При наличии устройств автоматической коррекции показаний дифманометров данная погрешность также будет лежать в пределах указанных граничных значений (несколько уменьшится лишь верхняя граница). Определим теперь возможные пределы изменения суммарной средней квадратической погрешности измерения расхода с помощью расходомеров переменного перепада давления. В лучшем случае - при измерении расхода жидкостей (б = 1) и при отсутствии необходимости введения поправок на вязкость, шероховатость и острота кромки

= 0,75 %. (7.15)

В наиболее неблагоприятных случаях (с учетом наибольших погрешностей всех поправочных коэффициентов) средняя квадратическая погрешность измерения расхода может достигать 3,0 - 4 %.

Таким образом, максимальная погрешность измерения расхода (при доверительной вероятности 0,95) с помощью расходомеров переменного перепада давления при нормальных условиях эксплуатации колеблется в пределах от 5 до 8 %. Указанные пределы максимальных погрешностей измерений характерны для косвенных (расчетных) методов градуировки и поверки расходомеров с нормализованными типами сужающих устройств. При индивидуальной аттестации расходомеров совместно с подводящими участками трубопроводов и применении дифманометров повышенной точности основная погрешность этих расходомеров может быть снижена до 0,5 - 1 %. Для нормальной работы сужающих устройств необходимы достаточ­но длинные прямые участки трубопровода, так как любые местные сопротивления ΗТΜΗ (колена, угольники, конические вставки, вентили, задвижки), создают искажение эпюры скоростей по сечению потока, дополнительные пульсации, приводят к отклонению действительных значений коэффициентов расхода от табличных (исходных) и, как следствие, к появлению дополнительных неконтролируемых в процессе измерений погрешностей.

Для местных сопротивлений, создающих винтовое движение потока, необходимая длина прямого участка может быть уменьшена за счет установки в трубопроводе перед сужающим устройством (на расстоянии не менее 2D от него) специальных струевыпрямителей, представляющий собой либо мелкоячеистые сетки, либо набор трубок, перекрывающий все сечения трубопровода. При этом следует иметь в виду, что струе· направляющие аппараты вызывают дополнительные (и немалые) потери напора в трубопроводе и требуют тщательного ухода в связи с возможностью засорения и износа. Минимально допустимая длина прямого участка D/2 за сужающимся устройством зависит от его относительной площади и равна 4D для τ = 0,05 и SD для τ = 0,7. Существующие нормализованные сужающие устройства с унифицированными табличными значениями исходных коэффициентов расход применимы лишь для диаметров трубопровода больших 50 мм. Расходомеры переменного перепада на меньшие диаметры требуют индивидуальной градуировки, и в этом случае пропадает возможность их косвенной расчетной аттестации по унифицированным табличным данным. Кроме того, существенно возрастают погрешности, связанные с шероховатостью трубопровода, так как уменьшение диаметра ведет к увеличению относительной шероховатости. Поэтому расходомеры следует градуировать комплектно с эксплуатационными участками трубопровода.