Методическое пособие 376

K — коэффициент, зависящий от диаметров диафрагмы и трубы, удельного веса жидкости, заполняющей манометр, и других величин.

Перепад давления пропорционален квадрату расхода, т. е. между перепадом давления и расходом существует так называемая квадратичная зависимость. Это значит, что при увеличении расхода в два раза перепад увеличивается в четыре раза; при увеличении расхода в четыре раза перепад увеличивается в 16 раз и т. д.

U-образный манометр измеряет в данном случае разность давлений по обе стороны сужающего устройства 4 и называется поэтому дифференциальным манометром (дифманометром).

Схема работы расходомера переменного перепада приведена на рис. 4. Сужающее устройство 2 создает перепад давления в потоке вещества (жидкости, газа или пара), протекающего в трубопроводе. Перепад давления в зависимости от величины расхода вещества передается по соединительным трубкам 3 к чувствительному элементу дифференциального манометра 4. Дифманометр является датчиком, воспринимающим величину перепада давления от сужающего устройства и преобразующим ее в перемещение показывающей стрелки по шкале и записывающего пера на диаграммном диске пропорционально перепаду давления.

Рис. 4. Схема работы расходомера переменного перепада

Шкала и диаграммный диск отградуированы в единицах расхода. Перемещение стрелки и пера осуществляется посредством механических связей стрелки и пера с чувствительным элементом механического дифференциального манометра, а также посредством

9

преобразования перепада давления в электрические величины (ток или напряжение) или в давление сжатого воздуха (пневматические приборы), передаваемые на расстояние по соединительным линиям 5 на вторичные приборы 6, показывающие, самопищущие, счетные, контактные и дpугие, устанавливаемые обычно на тепловых щитах.

2.2.1. Сужающие устройства

При измерении расхода методом переменного перепада давления применяются сужающие устройства, выполненные в соответствии с правилами Комитета стандартов, мер и измерительных приборов.

К ним относятся: диафрагмы нормальные, сопла нормальные и расходомерные трубы (трубы Вентури) нормальные.

Сопла и расходомерные трубы громоздки, а их изготовление связано с большими трудностями, чем изготовление диафрагм. Кроме того, расходомерные трубы исследованы в значительно меньшей степени, чем диафрагмы. Они находят применение только в тех случаях, когда можно допустить минимальную потерю давления, связанную с установкой сужающего устройства. Поэтому при измерении расхода наибольшее распространение получили нормальные диафрагмы.

2.2.1.1. Диафрагмы нормальные

Нормальные диафрагмы изготовляются двух типов: камерные и бескамерные. Нормальная камерная диафрагма (рис. 5) состоит из трех основных частей: диафрагмы (диска) 6, кольцевой камеры (плюс) 5, соединяющейся с начальным (большим) давлением Р1 перед диафрагмой, и кольцевой камеры (минус) 3, соединяющейся с меньшим давлением Р2 после диафрагмы. Кольцевые каналы 7 и 8 соединяются с внутренним пространством трубопровода 1 при помощи узких кольцевых щелей у самой поверхности диска. К каналам от дифманометра присоединяются соединительные трубки. Камеры изготовляются из углеродистой стали. Рабочий диск

10

выполняется из нержавеющей стали или других материалов в зависимости от свойств измеряемой среды. Толщина диска равна 3 мм для трубопроводов диаметром до 150 мм и 6 мм для трубопроводов диаметром от 150 до 400 мм.

Отверстие в диске со стороны входа потока измеряемой среды должно иметь острую цилиндрическую кромку под углом 90°, а далее расточку на конус под углом 45° в сторону выхода потока.

Рис. 5. Нормальная камерная диафрагма 1 — трубопровод; 2 — фланец; 3 — камера кольцевая

минусового давления; 4 — прокладка; 5 — камера кольцевая плюсового давления; 6 — диск; 7 — кольцевой канал плюсовый; 8

— кольцевой канал минусовый; 9, 10 — соединительные трубки

Входная кромка должна быть совершенно острой, без закруглений, вмятин и заусенцев. Диск зажимается между камерой - плюс и камерой - минус через уплотнительную прокладку 4.

В собранном виде строительная длина диафрагмы составляет 60 мм. Камерная диафрагма изготовляется обычно для трубопроводов диаметром от 50 до 400 мм.

Приведенная на рис. 5 диафрагма применяется для давлений, не превышающих 64 кГ/см2. При измерении расхода среды, находящейся под давлением более 64 кГ/см2, используются диафрагмы более прочной конструкции. Они имеют утолщенные фланцы 2 с выточенными в них кольцевыми каналами.

Между фланцами зажимается диск (диафрагма), изготовленный из нержавеющей стали. К фланцам привариваются патрубки, длина

11

которых соответствует нормам.

2.2.1.2. Сопла нормальные

Нормальное сопло (рис. 6) представляет собой короткую насадку цилиндрической формы, тщательно скругленную со стороны входа потока. Отбор давлений (перепада) производится до начала сужения потока и в начале цилиндрической насадки.

Рис. 6. Нормальное сопло

При измерении расхода нормальными соплами безвозвратная потеря давления составляет значительно меньшую величину, чем при измерении диафрагмами.

2.2.1.3. Нормальные расходомерные трубки

Расходомерная труба (Вентури) состоит из суживающейся насадки в сопле на входе, которая соединяется с конической расширяющейся частью (диффузором) на выходе. Форма трубы близка к форме струн потока при сужении, поэтому при установке ее безвозвратная потеря давления составляет незначительную величину, равную от 8 до 18% перепада.

Сужающие устройства рассчитываются и монтируются согласно правилам по применению и поверке расходомеров с нормальными диафрагмами, соплами и трубами Вентури.

12

2.2.1.4. Требования, предъявляемые к монтажу сужающих устройств

Для правильной работы диафрагмы по ходу потока до и после нее участки трубопровода должны быть прямолинейными, чтобы поток становился равномерным, плавным, без завихрений. На этих участках не должно быть грубых сварных швов, шероховатостей, выступающих прокладок, заклепок, болтов, гильз для термометров, искажающих плавность и равномерность потока.

Несоблюдение этих условий может привести к ошибкам в измерениях расхода.

Внутренний диаметр кольцевых камер диафрагмы должен быть равен внутреннему диаметру трубопровода.

Центр диафрагмы должен строго совпадать с геометрической осью трубопровода.

Сужающее устройство необходимо правильно устанавливать по отношению к направлению потока: цилиндрическая, сужающаяся часть должна быть обращена навстречу потоку, а коническая, расширяющаяся часть — в сторону выхода потока.

При установке дисковых диафрагм на трубопроводах диаметром более 500 мм осуществляется кольцевой отбор давления до и после диафрагмы. Для этого в четырех диаметрально-противоположных точках по окружности трубопровода до и после диафрагмы просверливают отверстия, подсоединяют к ним штуцеры отбора, которые в свою очередь подсоединяют к двум кольцевым коллекторам из труб диаметром один дюйм. Каждый коллектор импульсной трубкой подсоединяется к дифманометру.

2.2.1.5. Дифференциальные манометры

Созданный при сужении потока в трубопроводе перепад давлений измеряется дифференциальным манометром (дифманометром).

Дифманометры разделяются на следующие основные типы: трубные, поплавковые, колокольные, кольцевые и мембранные. Трубные жидкостные дифманометры (U-образные стеклянные

13

дифманометры, микроманометры с наклонной трубкой) являются переносными, а остальные относятся к стационарным автоматическим приборам (механические и с дистанционной электрической и пневматической передачей).

2.2.1.6. Поплавковые дифманометры

Поплавковые дифманометры разделяются на механические и с электрической, а также с пневматической дистанционной передачей. По принципу действия поплавковый дифманометр тоже представляет собой U-образный манометр с той разницей, что в плюсовом сосуде уровень рабочей (замыкающей) жидкости при любых максимальных расходах и перепадах давления изменяется на строго определенную величину.

Это достигается тем, что прибор может работать со сменными минусовыми сосудами различных диаметров, которые подбираются с расчетным перепадом давления.

На рис. 7 приведена схема работы поплавкового механического дифманометра типа ДП. В плюсовом сосуде 1 на поверхности ртути плаваетметаллический поплавок 3, связанный через соответствующую механическую передачу со стрелкой 2.

При создании в дифманометре перепада давления Р1>Р2 ртуть в плюсовом сосуде опускается, переходя в минусовой сосуд 4. В плюсовом сосуде при любом максимальном перепаде перемещение ртути вместе с поплавком составляет постоянную величину h2, равную 30,5 мм. Объем ртути, вытесняемой при помощи перепада давления в минусовой сосуд из плюсового, всегда остается постоянным, а так как максимальные перепады давления бывают различные, то минусовый сосуд в каждом отдельном случае должен подбираться в соответствии с расчетным перепадом давления. Чем больше максимальный перепад давления, тем меньше должен быть диаметр минусового сосуда. Сменные минусовые сосуды выполняются на различные перепады давления — от 40 до 1000 мм рт. ст. Плюсовой сосуд имеет постоянные размеры — внутренний диаметр его равен 78 мм.

14

Рис. 7. Схема работы механического поплавкового дифманометра

Поплавковый дифманометр с электрической передачей на расстояние (рис. 8) является бесшкальным датчиком, который не имеет показывающего прибора, а передает показания величин расхода на вторичные электрические приборы. Он состоит из собственного дифманометра, работающего по принципу механического дифманометра, приведенного на рис. 12, с индукционным электрическим датчиком.

Поплавок 1, свободно плавающий в ртути плюсового сосуда 2, при изменении перепада давления в сужающем устройстве перемещает вверх или вниз в антимагнитной разделительной трубке плунжер (сердечник) 5 из мягкого железа.

Плунжер закреплен на стержне 3 из немагнитной стали, который нижним своим концом жестко закреплен на поплавке. На разделительную антимагнитную трубку надета двойная индукционная катушка 6. Точно такая же катушка 23 помещается во вторичном приборе.

Перемещения плунжера 5 вызывают аналогичные синхронные перемещения плунжера 22, находящегося в индукционной катушке 23 вторичного прибора. Принцип действия индукционной системы передачи разобран на рис. 8. Находящийся внутри катушки 23 плунжер 22 подвешен на тяге 21 к концу коромысла 16, на другом

15

конце которого расположен груз 12, уравновешивающий сердечник 22. При движении сердечника коромысло качается вокруг оси 13, на которой жестко закреплен рычаг 14. При помощи тяги 17 качания коромысла передаются рычагом 14 зубчатому сектору 18, а через него — шестеренке 20.

Рис. 8. Схема работы поплавкового дифманометра с электрической индукционной передачей на расстояние

1 - поплавок; 2 - плюсовой сосуд; 3 -стержень; 4, 9 - соединительные трубки от сужающего устройства; 5 - плунжер; 6 - индукционная катушка; 7 - запорные вентили; 8 - уравнительный вентиль; 10 - соединительные провода; 11 - минусовый сосуд; 12 - груз; 13 - ось; 14 - рычаг; 15 - шкала; 16 - коромысло; 17 - тяга; 18 - зубчатый сектор; 19 - стрелка; 20 - шестеренка; 21 - тяга; 22 - плунжер; 23 - индукционная катушка

На одной оси с шестеренкой 20 насажена стрелка 19, конец которой передвигается вдоль шкалы 15 и показывает величину расхода в данный момент.

Поплавковый дифманометр может также работать и с пневматической передачей (рис. 9). Воздух под давлением 2—10 кГ/см2 проходит сначала через фильтр 22, где очищается от содержащейся в нем пыли и влаги, а затем — через редуктор 21, в котором давление снижается и поддерживается постоянным, равным

1,3± 1,5 кГ/см2.

После редуктора воздух подводится через фильтр тонкой очистки 19 к впускному клапану 18 (пневмоусилителя). Пройдя клапан 18 и дроссель 17 воздух поступает в камеру 16, из которой может

16

выходить через выпускной клапан 6, а также через трубку 14 и сопло 7 в атмосферу.

Рис. 9. Схема поплавкового дифманометра с пневматической передачей на расстояние

Впневмоусилителе шарик впускного клапана 18 всегда должен находиться на таком расстоянии от своего седла, чтобы при потоке воздуха, протекающего через кольцевую щель клапана и далее через дроссель 17, перепад давления был равен 30—50 мм рт. ст.

Измерительная система прибора через систему рычагов, тягу 8 и рычаг 9 воздействует на заслонку 10, которая, закрывая или открывая выходное отверстие сопла 7, дросселирует выходящую из него струю воздуха. Поэтому давление в камере 16 пневмоусилителя может изменяться от начального значения при открытом сопле 7 до максимальной величины в зависимости от расстояния между заслонкой и соплом.

Вприбор встроен пневматический дистанционный сильфонный датчик 12. В зависимости от изменения перепада давления, измеряемого дифманометром, измерительная система прибора через

17

тягу и рычаг воздействует на заслонку, которая прикрывает или открывает сопло.

При увеличении перепада давления заслонка плотно закрывает сопло. При этом давление в трубке 14 и в камере 16 повышается и, действуя на мембрану 5, закрывает шариком отверстие клапана 6 для выхода воздуха в атмосферу.

Одновременно мембрана 4 открывает впускной клапан 18, при этом усиленный сигнал давления поступает через соединительную трубку 2 к вторичному прибору 1, а также через трубку 15 в пневматический датчик 12. При повышении давления в датчике начинает сжиматься сильфон 13 и перемещать вверх иглу 11, которая будет поворачивать связанный с нею рычаг 9 против часовой стрелки до тех пор, пока он не отведет заслонку 10 от сопла, при этом давление воздуха под сильфоном несколько снизится.

При понижении давления в камере 16 мембраны 4 и 5 переместятся в обратном направлении, шариковый клапан 6 приоткроется и начнет выпускать воздух в атмосферу до тех пор, пока не установится равновесие сил на мембранах. В результате действия обратной связи пневмодатчика 12 давление воздуха под сильфоном 13 будет всегда пропорциональным изменению измеряемого прибором перепада давления, а следовательно, и расхода. Манометр 20 установлен для контроля давления рабочего воздуха, а манометр 3 измеряет давление воздуха, поступающего к вторичному прибору 1.

2.2.1.7. Колокольные дифманометры

Колокольные дифманометры предназначены для измерения давления, разрежения и расхода неагрессивных газов, находящихся под давлением не более 2,5 кГ/см2.

Наиболее распространенным является колокольный бесшкальный дифманометр типа ДК с электрическим индукционным датчиком, работающим в комплекте с вторичными приборами дифференциально-трансформаторной системы типа ЭПИД, ЭПВИ и др.

Применяются также дифманометры бесшкальные с ферродинамическим датчиком. Принцип действия дифманометра

18