Измерение расхода методом переменного перепада давления

Расходомеры на базе диафрагм и осредняющих напорных трубок (ОНТ)

закрыть
Описание

Измерение расхода методом переменного перепада давления основано на зависимости от расхода перепада давления, создаваемого преобразователем расхода, установленным в трубопроводе.

Термины и определения

Измерение расхода методом переменного перепада давления (методом ППД) основано на зависимости от расхода 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.).
Первичные преобразователи расхода

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.

Сравнение характеристик диафрагм и ОНТ Torbar
Характеристика Диафрагма ОНТ Torbar
b = 0,3 b = 0,4 b = 0,5 b = 0,6 b = 0,7
Диапазон условий эксплуатации
Форма сечения трубопроводов Круглая Круглая, прямоугольная
Диаметр трубопровода 50…1000 мм 10…8000 мм
(по спецзаказу до 18 м)
Вязкость среды Не ограничена < 200 сП
Ограничения по скорости потока 3,2•103 < Re < 108
(есть дополнительные ограничения для каждого способа отбора давления)
1,2•104 < Re, ∆p < ∆pмакс.
(зависит от модели ОНТ Torbar)
Теоретический диапазон скоростей (без учета
потери давления и величины перепада, D = 500 мм):
 — расход газа (1,1 МПа, 20 °C)
 — расход пара (4,0 МПа, 300 °C)
 — расход воды (0,5 МПа, 20 °C)



0,01…190 м/с
0,01…230 м/с
0,01…200 м/с



0,02…190 м/с
0,02…230 м/с
0,02…200 м/с



0,03…215 м/с 
0,03…140 м/с
0,02…18 м/с
Температура измеряемой среды Стандартами не ограничена,
на практике до 400 °C
< 600 °C
Давление в трубопроводе Стандартами не ограничено, на практике до 10 МПа (на большие давления по спецзаказу) < 50 МПа
Требования к прямым участкам трубопровода
Для местных сопротивлений, расположенных перед преобразователем расхода
Одиночное колено, тройник с заглушкой 11D 11D 14D 18D 28D 7D в плоскости ОНТ
9D вне плоскости ОНТ
(допускается 2D с ухудшением точности до 3…5%)
Группа колен при восходящем потоке среды 15D 17D 20D 26D 36D 9D в плоскости ОНТ
14D вне плоскости ОНТ
Группа колен при нисходящем потоке среды 35D 37D 41D 49D 62D 19D в плоскости ОНТ
24D вне плоскости ОНТ
Kонфузор 5D 6D 6D 9D 16D 8D
Диффузор 16D 17D 18D 21D 31D 8D
Задвижка, равнопроходный шаровой кран 12D 12D 13D 15D 19D 24D
Запорный клапан, вентиль 18D 19D 22D 26D 33D
Затвор, заслонка 29D 32D 36D 40D 45D
Местное сопротивление неопределенного типа 64D 70D 76D 84D 92D 24D и более (определяется для конкретных условий)
Для местных сопротивлений, расположенных после преобразователя расхода
Любое местное сопротивление 5D 6D 6D 7D 7D 3…4D
Метрологические характеристики
Минимально возможная погрешность
коэффициента расхода
± 0,6% ± 0,7% ± 1,0%
Типичная погрешность коэффициента
расхода на практике при соблюдении всех требований ГОСТ 8.586–2005
± 0,9% ± 1,0%

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).

Измерительные диафрагмы

Стандартные сужающие устройства по ГОСТ 8.586.1…5-2005, специальные сужающие устройства по РД 50-411-83.

Осредняющие напорные трубки (ОНТ) серии TriMeter-deltaP

Расходомеры TriMeter-deltaP предназначены для измерений объемного (массового) расхода жидкости, газа, насыщенного и перегретого пара в напорных трубопроводах с номинальным диаметром от DN100 до DN6500.