Расходомер переменного перепада давления.

Цель работы.

1. Изучить принцип действия расходомера . Математическая модель первичного преобразователя расхода.

2. Изучить конструкцию датчиков расхода .

3. Ознакомиться с устройством и работой расходомерного стенда.

4. Исследовать градуировку диафрагмы и расходомерного канала измерения расхода.

5. Экспериментально исследовать статические и динамические характеррасходомера.

1. Теоретическая часть.

Количество жидкости, газа или пара, проходящее через сечение трубопровода в единицу времени, называется расходом. Количество вещества выражают в объемных и массовых (весовых) единицах.

Зависимость между массовым и объемным расходами выражается формулой

G=Q × J, ( 1 )

где :

G – массовый расход, кг/с,

Q – объемный,м*/с,

J- плотность, кг/м*.

Приборы, служащие для измерения текущего (мгновенного) расхода называются расходомерами.

Приборы, измеряющие непрерывный расход с определенного момента времени (начало отсчета), называются счетчиками. Они определяют количество, пройденного через сечение вещества за определенный отрезок времени (т/сут , л/час, м*/мин).

В работе исследуется метод переменного перепада давления . Это наиболее распространенный метод в нефтяной и газовой промышленности ввиду его универсальности и простоты исполнения приборов.

В трубопроводе устанавливается неподвижное сужающее устройство ( диафрагма, сопло, труба Винтури ), создающее местное сужение потока. Так как часть потенциальной энергии при прохождении потока через него переходит в кинетическую, статическое давление в сужении сечения становится меньше статического давления перед сужающим устройством.

При этом разность давлений до и после сужения тем больше, чем больше расход.

Следовательно, разность давлений (перепад давлений) может служить мерой расхода.

На рис.1 представлено сужающее устройство а также график изменения давления по длине трубопровода при прохождении потока через диафрагму. При этом необходимо различать давление у стенки трубы и по ее оси. Как видно из графика, давление в одном и том же сечении трубопровода неравномерно: непосредственно перед диафрагмой у стенки трубы оно возрастает (скорость уменьшается в этом месте за счет гидравлического удара о стенку диафрагмы), а в центре трубы – уменьшается (вследствие увеличения скорости). В дальнейшем давление постепенно восстанавливается, но не целиком, так как имеют место потери на трение, завихрение, удары и др. Это так называемые безвозвратные потери Pr=P1-P3.

Взаимосвязь расхода жидкости с перепадом давления .

Расход вещества, протекающего по трубопроводу, определяется как произведение площади отверстия истечения (F) на среднюю скорость потока (Vc), то есть

Q = F ×Vc (2)

Пользуясь уравнением Бернулли и условием неразрывности струи, можно установить зависимость между расходом жидкости и перепадом давления на сужающем устройстве:

(3)

(4)

Где:

α – коэффициент расхода,

d– диаметр отверстия (м),

P1 – давление до сужающего устройства,

P2 – давление после сужающего устройства ,

ε – поправочный коэффициент, учитывающий расширение измеряемой среды,

ρ – плотность измеряемой среды в рабочих условиях (кг/м3).

- поправочный коэффициент, учитывающий расширение сужающего устройства в зависимости от температуры измеряемой среды (в диапазоне температур от -20 до +60 можно принимать Kt=1).

На практике перепад давления Р1-Р2 принято выражать высотой столба жидкости (даже если он измеряется не жидкостным манометром), то есть

( 5)

Где:

Р1-Р2 – измеряемый перепад давления (Н/м2)

Н – высота столба жидкости, заполняющей дифманометр (м)

ρ' – плотность рабочей жидкости в дифманометре (кг/м3)

ρ'' – плотность среды, находящейся над рабочей жидкостью (кг/м3)

g– ускорение силы тяжести (м/с2)

Тогда уравнения (3) и (4) перепишутся соответственно

( 6 )

и ( 7 )

Где:

Значения коэффициента А даются в таблицах в зависимости от заполнителя жидкостного диффманометра.

Коэффициент расхода αопределяется для различных типов сужающих устройств путем обработки большого числа тщательно поставленных опытов. Можно использовать полученные ранее опытным путем значенияα(по графикам и таблицам). Это допустимо лишь при соблюдении гидродинамического подобия потоков, которое обусловлено значениямичисла Рейнольдса Re,учитывающего физические свойства потока. Зависимость коэффициента расхода отReтем сильнее, чем меньшеRe.С возрастаниемReзависимость становится все меньше, а при достаточно больших значенияхReкоэффициент расхода не зависит от него.

Минимальное значение числа Рейнольдса, начиная от которого коэффициент расхода при дальнейшем увеличении Reне меняет своего значения, называется предельным числом РейнольдсаRe пред.

Величина предельного числа Рейнольдса зависит от типа сужающего устройства и величины m .

, где :

d– диаметр сужающего устройства.

D– диаметр трубопровода.

Характер зависимости коэффициента расхода от Re и mпоказан на рис.2,3 . Таким образом, исходный коэффициент расхода для данного сужающего устройства является величиной постоянной только при условииRe Re пред.

Каждому значению mсоответствуют определенные значения α исх. (рис.2) и числаReпред. , при котором α = α исх.

Рис.2,3

Коэффициент расхода называется исходным при гладкой внутренней поверхности трубопровода и острой входной кромке диафрагмы.

В общем случае коэффициент расхода определяется как

,

где :

α исх.– исходный коэффициент расхода,

К_Re– поправка на вязкость приRe<Reпред.,

К_m– поправка на шероховатость трубы,

К₀– поправка на недостаточную остроту входной кромки (только для диафрагмы) .

В итоге массовый расход выражается в виде ( формула 4 )

( 8 )