ПРИБОРЫ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ГАЗОВ, ЖИДКОСТЕЙ И СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ
Расход вещества определяется его количеством, проходящим в единицу времени через данное сечение канала (например, трубопровода). Различают массовый расход и объемный расход.
Массовый расход определяют как массу вещества, проходящего через поперечное сечение потока в единицу времени. В системе СИ единицей массового расхода является килограмм в секунду (кг/с). Килограмм в секунду равен массовому расходу, при котором через определенное сечение за время 1 с равномерно перемещается вещество массой 1 кг.
Объемный расход определяют как объемное количество вещества в м3, проходящее через сечение потока в единицу времени. В системе СИ единицей объемного расхода является кубический метр в секунду (м3/с). Кубический метр в секунду равен объемному расходу, при котором через определенное сечение за время 1 с равномерно перемещается вещество объемом 1 м3.
Устройство для измерения количества вещества, протекающего через данное сечение трубопровода за некоторый промежуток времени (смену, сутки и т. д.), называют счетчиком количества. При этом количество вещества определяется как разность двух последовательных показаний счетчика в начале и конце этого промежутка. Показания счетчика выражаются в единицах объема, а иногда единицах массы.
Устройство для измерения расхода, т.е. количества вещества, протекающего через данное сечение трубопровода в единицу времени - час (ч), называют расходомером, а для измерения расхода и количества вещества одновременно - расходомером со счетчиком. Счетчики (интегрирующие устройства) могут быть встроены практически во все приборы, применяемые для измерения расхода.
Для измерения расхода и количества жидкостей, газа и пара на металлургических заводах применяются расходомеры, которые можно разделить на следующие группы: переменного перепада давления в сужающем устройстве, постоянного перепада давления (обтекания), электромагнитные и переменного уровня. Первые три группы расходомеров применяются при напорном движении измеряемой среды, когда поток со всех сторон ограничен жесткими стенками.
В качестве сужающих устройств для измерения расхода жидкостей, газов и пара применяют стандартные и нестандартные устройства.
К стандартным (нормализованным) сужающим устройствам относятся диафрагмы, сопла, сопла Вентури и трубы Вентури, применяющиеся для измерения расхода вещества без их индивидуальной градуировки.
К нестандартным сужающим устройствам относятся сегментные диафрагмы, диафрагмы с коническим входом, сопла с профилем «четверть круга», сдвоенные диафрагмы и другие, применяемые в особых случаях (например, для загрязненных и вязких сред) и требующие индивидуальной градуировки, так как на их применение и изготовление нет норм стандарта. Поскольку в практике в основном применяются стандартные (нормализованные) сужающие устройства, ниже будут рассмотрены только они.
Диафрагма представляет собой тонкий плоский диск с круглым отверстием, центр которого лежит на оси трубы. Отверстие имеет цилиндрическую и конусную части. Диафрагма всегда устанавливается цилиндрической частью (острой кромкой) против потока измеряемой среды. Сужение потока начинается до диафрагмы, и на некотором расстоянии за диафрагмой поток достигает минимального сечения. Затем поток постепенно расширяется до полного сечения трубопровода.
При протекании вещества через диафрагму за ней в углах образуется «мертвая зона». В ней вследствие разности возникает обратное движение жидкости, называемое вторичным потоком. Двигаясь в противоположных направлениях, струйки основного и вторичного потоков вследствие вязкости среды свертываются в виде вихрей. На вихреобразование за диафрагмой затрачивается значительная часть энергии, а следовательно, имеет место и значительная потеря давления. Изменение направления струек перед диафрагмой и сжатие струи после диафрагмы на величину давления оказывают незначительное влияние. Отбор давлений производится через расположенные непосредственно до и после диска диафрагмы два отдельных отверстия (или специальные камеры), к которым подключаются импульсные соединительные линии, идущие к измерительному прибору.
Сопло представляет собой насадку с круглым концентрическим отверстием, имеющим плавно сужающуюся часть на входе и развитую цилиндрическую часть на выходе. Профиль сопла обеспечивает достаточно полное сжатие струи, поэтому площадь (сечение) цилиндрической части сопла может быть принята равной наименьшему сечению струи. Вихреобразование за соплом вызывает меньшую потерю энергии, чем у диафрагмы, поэтому потеря давления для сопла несколько меньше, чем для диафрагмы. Отбор давлений осуществляется так же, как и у диафрагмы.
Сопло Вентури конструктивно состоит из цилиндрического входного участка, плавно сужающейся части, переходящей в короткий цилиндрический участок, и из расширяющейся конической части - диффузора. При такой форме сужающего устройства в основном благодаря наличию выходного диффузора потеря давления значительно меньше, чем у диафрагмы и сопла. Отбор давлений осуществляется с помощью двух кольцевых камер, каждая из которых соединяется с внутренней полостью сопла Вентури группой равномерно расположенных по окружности отверстий. Труба Вентури отличается от сопла Вентури тем, что входной цилиндрический участок переходит во входной конус, затем идут коротким цилиндрический участок (горловина) и диффузор.
Специалисты технологи (доменщики, сталеплавильщики, теплотехники, газовщики и др.) должны знать основные параметры измеряемой среды, необходимые в качестве исходных данных для расчета и выбора типа сужающего устройства, а также уметь правильно определять место установки сужающего устройства на технологическом трубопроводе.
При расчете диаметра отверстия сужающего устройства для измерения расхода газа в нормальных условиях необходимы следующие исходные данные: наибольший, средний и наименьший измеряемый объемный расход, приведенный к нормальному состоянию; компонентный состав газа или плотность при нормальных условиях; температура газа; избыточное давление потока газа; барометрическое давление окружающей среды; допустимая потеря давления на сужающем устройстве при максимальном расходе газа; влажность газа в рабочих условиях; диаметр трубопровода; материал трубопровода и сужающего устройства. В качестве параметров потока газа принимают их усредненные значения, исходя из условий и режимов работы расходомерного устройства.
При выборе места установки сужающих устройств необходимо учитывать основные конструктивные особенности трубопровода, влияющие на погрешности измерения расхода. В первую очередь необходимо, чтобы участки трубопровода до и после сужающего устройства были цилиндрическими с круглыми сечениями и прямыми. Дело в том, что местные сопротивления (колена, угольники, задвижки, вентили, регулирующие органы и т. д.), установленные на рабочем трубопроводе, искажают кинематическую структуру набегающего на сужающее устройство потока. Поэтому между местным сопротивлением и сужающим устройством должен быть расположен прямой участок трубопровода постоянного диаметра, длина которого должна быть такой, чтобы различные искажения потока, происходящие от его прохождения через закругления, колена, вентили и т. п., смогли вполне сгладиться. Отсюда длина такого прямого участка есть расстояние между ближайшими торцовыми поверхностями сужающего устройства и местного сопротивления. Установка сужающих непосредственно у местных сопротивлений не допускается.
Задвижки и вентили, установленные перед сужающим устройством, особенно открытые не полностью, вызывают значительное возмущение потока. Поэтому регулирующую трубопроводную арматуру рекомендуется устанавливать за сужающим устройством Если такая арматура будет находиться перед сужающим устройством, то измерение расхода можно считать надежным при условии, что длина прямого участка между арматурой и сужающим устройством будет не менее 100 внутренних диаметров трубопровода перед сужающим устройством. Место установки сужающего устройства должно обеспечивать возможность его периодического осмотра.