Измерение расхода методом переменного перепада давления

Измерение расхода методом переменного перепада давления (методом ППД) основано на зависимости расхода от перепада давления, создаваемого преобразователем расхода, установленным в трубопроводе, или элементом трубопровода (например, коленом).

Расходомером переменного перепада давления (расходомером ППД) называется измерительный комплекс (ИК), в состав которого входят:

• первичный преобразователь расхода в перепад давления;
• средство измерения перепада давления (датчик разности давлений, дифманометр);
• соединительные трубки и вспомогательные устройства на них.

Помимо перечисленных частей в ИК могут входить:

• вторичные приборы (блоки питания, индикаторы, регистраторы, барьеры искробезопасности и т. д.);
• средства прямого или косвенного измерения плотности среды (плотномеры, датчики давления и температуры);
• вычислительные устройства (корректоры, интеллектуальные регистраторы и т. д.).

Физические основы метода ППД.
Виды и классификация первичных преобразователей расхода

Возникновение перепада давления в первичных преобразователях расходомеров ППД происходит вследствие перехода части кинетической энергии потока в потенциальную или обратного перехода. Классификация первичных преобразователей производится по их гидравлической схеме, определяющей конкретный механизм возникновения перепада давления.

Сужающие устройства (СУ)

Наиболее распространенный тип преобразователей. Перепад давления на СУ возникает за счет преобразования части потенциальной энергии потока в кинетическую при прохождении им локального сужения трубопровода. Наиболее распространенными СУ являются: стандартная диафрагма, стандартное сопло ИСА1932, сопло и труба Вентури. В подавляющем большинстве случаев в расходомерах переменного перепада давления применяется стандартная диафрагма.

Напорные устройства

Преобразователи данного типа представляют собой полые трубки различной конструкции с небольшими отверстиями, ориентированными навстречу потоку. Перепад давления в них создается за счет преобразования кинетической энергии части потока в месте расположения отверстий в потенциальную. Напорные устройства являются весьма перспективной альтернативой диафрагмам для целого ряда задач.

Напорные усилители

Представляют собой сочетание напорных и сужающих устройств. Суммарный перепад давления складывается из перепада на сужающем устройстве и перепада на напорном устройстве. Из-за сложности конструкции имеют весьма ограниченное применение — главным образом, в трубопроводах большого диаметра при небольших скоростях газовых потоков, когда перепад давления на стандартных напорных устройствах слишком мал.

 Гидравлические сопротивления

Любое гидравлическое сопротивление, у которого известна зависимость потери давления от расхода, может быть использовано в качестве первичного преобразователя расхода. На практике же, как правило, применяют лишь сопротивления, работающие в ламинарном режиме, чтобы получить линейную зависимость перепада от расхода (пакет капиллярных трубок, участок трубопровода с шариковой набивкой). Данный вид первичных преобразователей используется достаточно редко, в основном для измерения малых расходов.

Центробежные преобразователи

Представляют собой закругленные участки трубопровода (колена или кольцевые участки), на которых под влиянием центробежной силы возникает перепад давления. Основным достоинством центробежных преобразователей является отсутствие необходимости ввода в трубопровод каких-либо устройств. Недостатки — малый перепад давления, большая чувствительность к геометрии трубопровода, его шероховатости и профилю потока — обусловили весьма ограниченное применение центробежных преобразователей.

Ударно-струйные преобразователи

Принцип действия данных преобразователей основан на переходе кинетической энергии струи вещества при ударе о твердое тело (перегородку) в потенциальную энергию деформации упругого элемента, через который перегородка крепится к корпусу преобразователя. Применяются весьма ограниченно и лишь для измерения малых расходов.

Зависимость перепада давления от расхода для диафрагмы и ОНТ Torbar
(расчет приблизительный, без учета некоторых поправочных коэффициентов) 

Зависимость потерь давления от расхода для диафрагмы и ОНТ Torbar
(расчет приблизительный, без учета некоторых поправочных коэффициентов)

Из сравнения характеристик диафрагмы и ОНТ Torbar можно сделать следующие выводы:

1. По метрологическим характеристикам оба вида преобразователей расхода практически эквивалентны.
2. ОНТ Torbar имеет существенно более широкий диапазон применений по диаметру трубопровода, температуре и давлению.
3. Потери давления на ОНТ Torbar пренебрежимо малы по сравнению с потерями на диафрагме даже с β = 0,7.
4. Требования к прямым участкам трубопровода для ОНТ Torbar значительно менее жесткие, чем для диафрагмы.
5. При одинаковом расходе перепад давления на ОНТ Torbar ниже, чем на диафрагме.
6. Теоретические пределы скорости потока для обоих преобразователей выходят далеко за границы диапазона скоростей, встречающихся на практике. Кроме того, данные теоретические пределы все равно недостижимы из-за ограничений потери давления и величины перепада.

Главной особенностью построения расходомеров ППД на базе ОНТ Torbar по сравнению с диафрагмой является меньшая величина перепада давлений, что требует применения низкопредельных датчиков перепада давлений. В остальном построение расходомера ППД на ОНТ Torbar полностью аналогично традиционным расходомерам диафрагмой.
Таким образом, можно рекомендовать применение ОНТ Torbar вместо диафрагм практически во всех случаях, особенно при больших диаметрах трубопровода и при необходимости уменьшить потери давления.
Исключением является измерение расхода при малых скоростях потока (когда не удается подобрать датчик разности давлений под расчетный перепад давлений на ОНТ Torbar).