Принцип дії витратомірів із звужуючим пристроєм заснований на зміні потенційної енергії вимірювальної речовини при проходженні через штучно звужений перетин трубопроводу. Широке використання цього принципу пов'язане з рядом властивих йому переваг. До них відносять: простоту і надійність, відсутність рухомих частин, легкість серійного виготовлення засобів вимірювання практично на будь-які тиски і температури вимірювального середовища, низьку вартість, можливість вимірювання практично будь-яких витрат і, що особливо істотно, можливість одержання градированої характеристики витратомірів розрахунковим шляхом, тобто без використання дорогих метрологічних установок.
Витратомір складається із звужуючого пристрою, змонтованого в трубопроводі для створення місцевого стиску потоку (первинний перетворювач), диференціального манометра, призначеного для вимірювання різниці статичних тисків середовища, що має перебіг, до і після звужуючого пристрою (вторинний прилад), і сполучних ліній (двох трубок) , що зв'язують між собою обидва прилади.
Звужуючий пристрій звичайно має круглий отвір, розміщений концентрично щодо стінок труби, діаметр якого менше внутрішнього діаметра трубопроводу.
Диференціальний манометр (дифманометр-витратомір) виконується показуючим або самописним і додатково може мати вбудований інтегратор. Шкала промислового дифманометра-витратоміра градирується в об'ємних або масових одиницях витрати.
Витратомір із звужуючим пристроєм, що має електричну дистанційну передачу показань, містить, як правило, безшкальний дифманометр-витратомір (проміжний перетворювач) у комплекті з показуючим або самописним вторинним приладом.
Витратоміри із звужуючим пристроєм придатні для вимірювання речовини, що проходить по трубопроводу, за умови заповнення нею усього поперечного перерізу труби і встановленого у ній звужуючого пристрою.
При проходженні потоку через звужуючий пристрій відбувається зміна потенційної енергії речовини, частина якого внаслідок місцевого стиснення потоку і відповідного збільшення швидкості потоку перетворюється в кінетичну енергію. Зміна потенційної енергії приводить до появи різниці статичних тисків (перепаду тиску), що визначається за допомогою дифманометра.
На рис.6.1 показана схема встановлення в трубопроводі найбільш простого звужуючого пристрою (діафрагми) у вигляді тонкого диска із круглим отвором посередині і зображенням характеру потоку. Там само показано розподіл статичного тиску Р по довжині потоку l. Стиснення потоку почина-ється перед діафрагмою і завдяки дії сил інерції досягає найбільшої величини на певній відстані за нею, після чого потік знову розширюється до повного перетину трубопроводу. Перед діафрагмою і за нею в кутах утворяться зони з вихровим рухом, причому зона вихрів після діафрагми більш значна, ніж до неї. Тиск потоку біля стінки трубопроводу (суцільна лінія) трохи зростає за рахунок підпору перед діафрагмою і знижується до мінімуму за діафрагмою в точці найбільшого звуження потоку, де перетин потоку менше, ніж отвір діафрагми. Далі, в міру розширення потоку, тиск біля стінки знову підвищується, але не досягає колишнього значення на величину РП через наявність безповоротних втрат на завихрення, удар і тертя. Зміна тиску потоку по осі трубопроводу практично збігається зі зміною тиску біля його стінки, за винятком ділянки перед діафрагмою і безпосередньо в ній, де тиск потоку по осі труби знижується (пунктирна лінія). При проходженні вимірювального потоку через отвір звужуючого пристрою збільшується швидкість потоку в порівнянні з його швидкістю до звуження. Завдяки цьому тиск потоку на виході із звужуючого пристрою зменшується, і на звужуючому пристрої створюється перепад тиску, вимірюваний дифманометром, який залежить від швидкості у звуженні або від витрати потоку.
Рівняння для масової G і об'ємної Q витрат нестисливої рідини
(6.3)
Якщо через звужуючий пристрій проходить стисливе середовище (газ або пара), то внаслідок зниження тиску збільшується її об’єм. Це приводить до того, що швидкість потоку зростає і стає більшою швидкість нестисливого середовища. У результаті на звужуючому пристрої збільшується перепад тиску. Врахування зазначеного явища виконується введенням у рівняння витрат (6.3) додаткового коефіцієнта ?<1, що називається поправочним множником на розширення вимірювального середовища. Тоді рівняння для масової G і об'ємної Q витрат стисливого середовища записується у вигляді
(6.4)
де - постійний коефіцієнт;
? - густина середовища;
d – діаметр отвору діафрагми;
? - коефіцієнт діафрагми (величина, яка тарується);
Р1 і Р2 – відповідно тиск потоку перед діафрагмою і після неї.
Рівняння (6.3) і (6.4) є основними рівняннями витрати як для стисливих, так і нестисливих середовищ, при цьому для останніх ?=1.
Звужуючі пристрої. Для вимірювання витрати середовища дістали поширення три види нормалізованих звужуючих пристрої: витратомірна діафрагма (рис.6.2 а), витртомірне сопло (рис.6.2 б), сопло Вентурі (рис.6.2 в) і труби Вентурі (рис.6.2 г), які мають посередині круглий отвір. Дослідним шляхом для цих звужуючих пристроїв знайдені точні значення коефіцієнта витрати ?, що дозволяє застосовувати їх без попереднього градирування. На рис.6.2 показані місця відбору тисків Р1 і Р2 від звужуючих пристроїв до дифманометра. Характерною рисою звужуючих пристроїв (рис.6.2 б, в, г) є менша, ніж для діафрагми, безповоротна втрата тиску.
Втрата тиску при використанні діафрагми або сопла практично та сама. У соплах Вентурі втрата тиску значно менша, що фізично пояснюється наявністю дифузора на виході, завдяки якому йде відновлення потенційної енергії.
За способом відбору тиску до дифманометра витратомірні діафрагми і сопла поділяють на камерні і безкамерні (із точковим відбором). Більше удосконаленими з них є камерні пристрої.
На рис.6.3 показана схема установлення на трубопроводі діафрагми, рис.6.3 а – камерного типу, а на рис.6.3 б — безкамерного типу. У камерній діафрагмі тиски до дифманометра передаються за допомогою двох кільцевих зрівняльних камер, розміщених у її корпусі перед і за диском з отвором, з'єднаним з порожниною трубопроводу двома кільцевими щілинами або групою рівномірно розміщених по колу радіальних отворів (не менше чотирьох з кожного боку диска). Кільцева камера перед диском називається плюсовою, а за ним - мінусовою. Наявність у діафрагмі кільцевих камер дозволяє усереднити тиск по колу трубопроводу, що забезпечує більш точний вимір перепаду тиску.
Відбір перепаду тиску в безкамерній діафрагмі виконується за допомогою двох окремих отворів у її корпусі або у фланцях трубопроводу перед і за диском. У цьому випадку вимірювальний перепад тиску є менш точним, ніж при кільцевих камерах.
Точність вимірювання витрати за допомогою діафрагм залежить від ступеня гостроти вхідної крайки отвору, що впливає на значення коефіцієнта витрати ?. Для виготовлення проточної частини діафрагм і сопел застосовуються матеріали, стійкі проти корозії та ерозії, тобто нержавіюча сталь, а в деяких випадках - латунь або бронза. За звужуючий пристрій найчастіше застосовується діафрагма. Сопло вибирається у випадках, коли необхідно зменшити вплив корозії та ерозії звужуючого пристрою на результати вимірювання
Діафрагми і сопла більше вивчені і тому дають більш високу точність вимірювання, ніж сопла Вентурі. Основна похибка діафрагм і сопел становить ±0,6-2,5%. Значно впливають на точність вимірювання умови монтажу звужуючих пристроїв у трубопроводах. При неправильному установленні похибка вимірювання значно зростає.
До і після звужуючого пристрою необхідно мати прямі заспокоювальні ділянки трубопроводу постійного діаметра, тому що різні місцеві опори (коліна, вентилі, засувки і т.п.) приводять до перекручування профілю швидкостей по перетину потоку і, отже, впливають на коефіцієнт витрати ?. Рекомендується зазначену арматуру по можливості розміщувати за звужуючим пристроєм.
Установлення дифманометрів. Дифманометри призначені для визначення перепаду тиску між двома точками вимірювання в рідкому, газовому або паровому середовищі. Особливо широкого застосування вони набули для вимірювання перепаду тиску у витратомірах із звужуючим пристроєм. Основна похибка двотрубних дифманометрів ±2 мм висоти стовпа зрівноважувальної рідини.
Промислові дифманометри-витратоміри, які застосовуються в теплоенергетиці, звичайно є деформаційними приладами, що працюють у комплекті із звужуючим пристроєм при вимірюваннях витрати рідини, газу і пари. Механічні дифманометри-витратоміри можуть застосовуватися в тих випадках, коли відстань між звужуючим пристроєм і приладом не перевищує 50 м. При більш значних відстанях використовуються електричні дифманометри-витратоміри.
Механічні та електричні дифманометри і працюючі з ними в комплекті вторинні прилади встановлюються в місцях, що не зазнають вібрації і тряски, а також дії високої або низької температури і вологості навколишнього повітря. Вплив температури не повинен викликати в електричних дифманометрах надмірного нагрівання обмоток.
Щоб уникнути запізнювання показань, довжина сполучних ліній звичайно не перевищує 50 м, а внутрішній діаметр їх становить не менше 6 мм. Для вільного видалення зі сполучних трубок води (газові лінії) або повітря (водяні лінії) вони прокладаються вертикально або з нахилом не менше 0,1 убік продувних вентилів, газозбірників або відстійних посудин. Утворення в сполучних лініях повітряних пробок при вимірюванні витрати рідини або пари - при вимірюванні витрати газу (повітря) веде до перекручування результатів вимірювання. Рекомендується періодично продувати сполучні лінії.
Дифманометр 2 (рис.6.4) може бути встановлений вище або нижче звужуючого пристрою 1. При вимірюванні витрати рідини бажано установлення його нижче звужуючого пристрою (рис.6.4 Iа) для того, щоб уникнути проникнення із трубопроводу повітря в сполучні лінії. Якщо ж дифманометр розміщується вище звужуючого пристрою, то у верхніх точках ліній установлюються газозбірники із продувними вентилями (поз. 4, 5).
При вимірюванні витрати газу (повітря) дифманометр доцільно встановлювати вище звужуючого пристрою 1 (рис.6.4 IIб). У випадку зворотного розміщення в нижніх точках сполучних ліній містяться відстійні посудини для води 4, що утворюється під час конденсації пари.
При вимірюванні витрати пари більш бажаним є установлення дифманометра нижче звужуючого пристрою. У протилежному разі у верхніх точках ліній обов'язкове приєднання газозбірників. В обох випадках необхідно забезпечити сталість і однаковість рівнів конденсату в сполучних трубках для того, щоб тиски стовпів води на дифманометр взаємно врівноважувалися і не відбивалися на його показаннях.
На рис.6.1 показана схема встановлення в трубопроводі найбільш простого звужуючого пристрою (діафрагми) у вигляді тонкого диска із круглим отвором посередині і зображенням характеру потоку. Там само показано розподіл статичного тиску Р по довжині потоку l. Стиснення потоку почина-ється перед діафрагмою і завдяки дії сил інерції досягає найбільшої величини на певній відстані за нею, після чого потік знову розширюється до повного перетину трубопроводу. Перед діафрагмою і за нею в кутах утворяться зони з вихровим рухом, причому зона вихрів після діафрагми більш значна, ніж до неї. Тиск потоку біля стінки трубопроводу (суцільна лінія) трохи зростає за рахунок підпору перед діафрагмою і знижується до мінімуму за діафрагмою в точці найбільшого звуження потоку, де перетин потоку менше, ніж отвір діафрагми. Далі, в міру розширення потоку, тиск біля стінки знову підвищується, але не досягає колишнього значення на величину РП через наявність безповоротних втрат на завихрення, удар і тертя. Зміна тиску потоку по осі трубопроводу практично збігається зі зміною тиску біля його стінки, за винятком ділянки перед діафрагмою і безпосередньо в ній, де тиск потоку по осі труби знижується (пунктирна лінія). При проходженні вимірювального потоку через отвір звужуючого пристрою збільшується швидкість потоку в порівнянні з його швидкістю до звуження. Завдяки цьому тиск потоку на виході із звужуючого пристрою зменшується, і на звужуючому пристрої створюється перепад тиску, вимірюваний дифманометром, який залежить від швидкості у звуженні або від витрати потоку.
(6.3)
(6.4)
- постійний коефіцієнт;
Втрата тиску при використанні діафрагми або сопла практично та сама. У соплах Вентурі втрата тиску значно менша, що фізично пояснюється наявністю дифузора на виході, завдяки якому йде відновлення потенційної енергії.
