Вимірювання витрат рідини, газу й пари по перепаду тиску на звужуючому пристрої

Витратою називають кількість речовини, що протікає через переріз трубопроводу в одиницю часу. Кількість речовини можна вимірювати або в одиницях маси [кілограм (кг), тонна (т)], або в одиниця об’єму [кубічний метр (м³ ), літр (л)]. Відповідно до вибраних одиниць може визначатися або масова витрата Gm (одиниці кг/с, кг/год, т/год тощо), або об’ємна витрата Vm (одиниці м³ /с, л/с, м³ /год, тощо). Одиниці маси дають більш повні відомості про кількість або витрату речовини, ніж одиниці об’єму, тому що об’єм речовини, особливо газів, залежить від тиску і температури. Коли вимірюються об’ємні витрати газів для одержання порівнянних значень результати вимірювань приводять до деяких загальноприйнятих (так званих нормальних) умов. Такими нормальними умовами прийнято вважати температуру t = 20°С, тиск Р = 101325 Па (760 мм рт. ст.) і відносну вологість j=0. У цьому випадку об’ємна витрата позначається Vн і виражається в об’ємних одиницях (наприклад, м³ /год). Згідно з ДСТУ ГОСТ 8.586.5:2009 вимірювальний прилад, що служить для вимірювання витрати речовини, називається витратоміром, а прилад для вимірювання кількості речовини – лічильником кількості (лічильником), У кожному конкретному випадку до цих термінів варто додавати найменування контрольованого середовища. Зазвичай в гідромеханіці рідкі й газоподібні речовини поєднують у єдиному понятті „рідини". На відміну від твердих тіл вони здатні змінювати свою форму під дією навіть дуже малих сил. Рідини за своїми механіч- ними властивостями поділяють на малостисливі (краплинні) і стисливі (газоподібні). За принципом вимірювань витратоміри класифікують за такими основними групами (вказується для кожної класифікаційної групи витратомірів, принцип перетворення належить до їхніх первинних перетворювачів – датчиків): а) витратоміри змінного перепаду тиску (із звужуючими (narrowing) пристроями; з гідравлічними опорами; відцентрові; з напірними пристроями; струминні), ті що перетворюють швидкісний напір у перепад тиску; б) витратоміри обтікання (витратоміри постійного перепаду – ротаметри (VA meters), поплавкові, поршневі, гідродинамічні), які перетворюють 74 швидкісний напір у переміщення тіла, яке обтікається струменем середо- вища; в) тахометричні (tachometric) витратоміри (турбінні з аксіальною або тангенціальною турбіною; кулькові), яке перетворюють швидкість потоку в кутову швидкість обертання обтічного елемента (лопаток турбіни або кульки); г) електромагнітні витратоміри, що перетворюють швидкість провідної рідини, яка рухається в магнітному полі, в е.р.с.; д) ультразвукові витратоміри, основані на ефекті захоплення звукових коливань середовищем, що рухається; ж) інерційні витратоміри (турбосилові, коріолісові, гігроскопічні), ро- бота яких базується на інерційному впливі маси рідини, що рухається з лінійним або кутовим прискоренням рідини; з) теплові витратоміри (калориметричні; термоанемометричні), що працюють на ефекті перенесення тепла середовищем, що рухається, від на- грітого тіла; к) оптичні витратоміри, основані на ефекті захоплення світла рухомим середовищем (Фізо-Френеля) або розсіювання світла рухомими частками (Допплера); л) міткові витратоміри (з тепловими, іонізаційними, магнітними, концентраційними, турбулентними мітками), основані на вимірюванні швидкості або на визначенні стану мітки при проходженні її між двома фіксованими перетинами потоку

Одним з найпоширеніший і вивчених є спосіб вимірювання витрат рідин, газів і пари в трубопроводах за перепадом тиску в звужувальному пристрої. Звужувальний пристрій виконує функції первинного перетворювача, встановлюється в трубопроводі й створює в ньому місцеве звуження, внаслідок чого при протіканні речовини підвищується швидкість у звуженому перерізі в порівнянні зі швидкістю потоку до звуження. Збільшення швидкості, а отже і кінетичної енергії, викликає зменшення потенціальної енергії потоку у звуженому перерізі. Відповідно статичний тиск у звуженому перерізі буде менший, ніж у перерізі до звужувального пристрою. Таким чином, при протіканні речовини через звужувальний пристрій створюється перепад тиску Δр = p₁ – р₂, що залежить від швидкості потоку й, отже, витрат рідини. Звідси випливає, що перепад тиску, створюваний звужувальним пристроєм, може слугувати мірою витрати речовини, що протікає в трубопроводі, а числове значення витрати речовини може бути визначене за перепадом тиску Δр, що вимірюється дифманометром. Стандартні звужувальні пристрої можуть застосовуватися в комплекті з дифманометрами для вимірювання витрати і кількості рідин, газів і пари в круглих трубопроводах (для будь-якого їх розташування), діаметр яких не менший від значень, що складають для газів не менше як 50 мм і для рідин не менше 30 мм, якщо їхній розрахунок, виготовлення й установлення виконані правильно. При необхідності використання звужувальних пристроїв на трубопроводах меншого діаметра вони повинні мати індивідуальне градуювання, тобто експериментально визначену залежність Dр = f(G). Як звужувальні пристрої для вимірювання витрат рідин, газів і пари широко застосовують стандартні діафрагми, сопла (nozzle) й сопла Вентурі. В особливих випадках вимірювань витрат знаходять також застосу- вання ненормалізовані типи звужувальних пристроїв. Діафрагма (рис.2,а) є тонким диском із отвором круглого перерізу, центр якого лежить на осі труби. Звуження потоку починається до діафрагми, і на деякій відстані за діафрагмою потік досягає мінімального перерізу, далі потік поступово розширюється до повного перерізу трубопроводу. Суцільною лінією подана крива, що характеризує розподіл тисків уздовж стінки трубопроводу; крива, зображена штрихпунктирною лінією, характеризує розподіл тисків за віссю трубопроводу. Як видно, тиск за діафрагмою повністю не відновлюється. При протіканні речовини через діафрагму за нею в кутах утвориться мертва зона, у якій внаслідок різниці тисків виникає зворотний рух рідини або так званий вторинний потік (secondary flow). Внаслідок в’язкості рідини струмка основного й вторинного потоків, рухаючись у протилежних напрямках, згортаються у вигляді вихорів. На вихороутворення за діафрагмою витрачається значна частина енергії, а отже, має місце й значна втрата тиску. Зміна напрямку струмків перед діафрагмою й стиск потоку після діафрагми мають незначний вплив. Сопло (рис. 2, в) виконано у вигляді насадки із круглим концентричним отвором.

1. Як називаються прилади для вимірювання витрат?

2. Що вимірює витратомір?

3. Як називається вимірювальний прилад, що використовується при вимірюванні витрат по методу змінного перепаду тиску?