Диафрагма на трубопроводе назначение. Диафрагмы для измерения расхода: подробно простым языком

Принцип работы

Диафрагма создает динамический напор. Через вертикальный столб вещества в трубопроводах перепада давления он передается на измерительную ячейку измерительного преобразователя дифф. давления. Измерительный преобразователь преобразует сигнал давления с корневой характеристикой в пропорциональный расходу ток или цифровой сигнал, например, Profibus.

Конструкции дроссельных приборов

Формы отверстия дросселя

Дроссельные приборы изготовляются по DIN EN ISO 5167. Поэтому сфера применения нормированного отверстия дросселя форма A ограничена числом Рейнольдса. Границы зависят от соотношения диаметра β = d/D. (D: внутренний диаметр трубы).

Для чисел Рейнольдса в диапазоне от приблизительно 103 до 105 можно измерять с отверстием дросселя форма B (четверть круга) при несколько более высокой погрешности. Радиус профиля r зависит от соотношения диаметра β и получается из расчета диаметра отверстия дросселя d.

Цилиндрическое отверстие дросселя форма D используется для измерения в обеих направлениях течения.

Заборные штуцеры

Тип резьбовых и сварных соединений в зависимости от измеряемого вещества и ном. давления запорной арматуры

Тип соединений штуцера зависит от измеряемого вещества и ном. давления запорной арматуры; длина штуцера зависит от диаметра (диаметр трубы) дроссельного прибора и рабочей температуры (из-за теплоизоляции!); положение штуцера зависит от измеряемого вещества и направления протока.

Резьбовые соединения заборных штуцеров, размеры в мм

Сварные соединения заборных штуцеров, размеры в мм

Положение заборных штуцеров

При измерении жидкостей и газов расположение заборных штуцеров может быть любым; при измерении пара уравновешивающие резервуара должны находится на той же высоте.

• горизонтальные паропроводы

Горизонтальная линий от стены с дроссельным прибром и комбинацией вентилей; у диафрагмы с кольцевой камерой или цельной диафрагмы специальной монтажной длины 65мм.

У горизонтальных паропроводов прямые штуцеры располагаются друг против друга или, если трубопроводо проходит близко к стене, выгнутые штуцеры на одной стороне.

• вертикальные паропроводы

Вертикальная линия пара с дроссельным прибором и комбинацией вентилей

У вертикальных или сгибающихся линий паропроводов нижний штуцер изогнут вверх, так что и здесь соединительные фланцы и уравновешивающие резервуары находятся на одной высоте.

	Проводка трубопровода и направление расхода			Положение заборных штуцеров		Использование
	горизонтально					с уравновешивающими резервуарами
	вертикально
	горизонтально					без уравновешивающих резервуаров
	горизонтально, вертикально
	вертикально

1) Не возможно у диафрагм с отдельными отверстиями (монтажная длина 40 мм). Возможна спец. монтажная длина 65 мм.

²) Возможно только у диафрагм с кольцевыми камерами (монтажная длина 65 мм.) с загнутыми заборными штуцерами.

³) Угол γ зависит от номинального давления и диаметра согласно DIN 19 205.

Принцип метода измерения перепада давления

Принцип метода измерения перепада давления: распределение давления в сужении линии

Для измерения расхода в месте измерения устанавливается дроссельный прибор, который сужает и имеет два соединения для забора перепада давления. Если свойства дроссельного прибора и измеряемого вещества известны, так что приведенное ниже уравнение может быть расчитано, то перепад давления является мерой для абсолютного расхода. Нет необходимости проводитьсравнительное измерение; измерение расхода может быть проверено независимо производителем прибора.

Метод измерения перепада давления основывается на законе неразрывности и уравнении Бернулли.

По закону неразрывности расход текучего вещества в трубопроводе во всех местах одинаков. Сужение поперечного сечения в одном месте вызывает увеличение скорости расхода в данном месте. Согласно уравнению Бернулли внутренняя энергия текущего вещества является постоянной, она складывается из суммы статической (давление) и кинетической (движение) энергии. Поэтому увеличение скорости вызывает уменьшение статического давления (см. рис. “Принцип метода измерения перепада давления: распределение давления в сужении линии”). Эта разница давлений, так называемый перепад давления, является мерой для расхода.

Общее соотношение: q = c√Δp

• q: расход (q m , q v) maссовый или объёмный расход
• Δp: перепад давления
• c:коэффициент, зависящий от размера трубопровода.

Это уравнение доказывает, что возникающиее из-за сужения перепад давления пропорционален квадрату расхода (см. рисунок „Связь между расходом q и перепадом давления Δp“).

Связь между расходом q и перепадом давления Δp

Техническая поддержка

Стандартная измерительная диафрагма представляет собой тонкий металлический диск с центральным круглым отверстием, имеющим острую кромку. Перепад давления на ней возникает в результате локального увеличения скорости потока в соответствии с законом сохранения энергии и условием неразрывности потока. Зависимость перепада давления от расхода имеет квадратичный характер.

Одним из основных преимуществ диафрагмы является наличие огромного теоретического и практического материала, а также четкой нормативной базы по влиянию различных факторов на соотношение между расходом и перепадом давления.

Типы диафрагм:

Исходя из данных Международного стандарта ИСО 5167, регламентирующего применение трех разновидностей стандартной диафрагмы, различающихся конструктивно, в промышленности широко применяются следующие типы диафрагм:

ДБС – диафрагма бескамерная;

ДКС – диафрагма камерная;

ДФК – диафрагма фланцевая.

Стандартные диафрагмы имеют весьма широкую область применения. ГОСТ 8.586-2005 допускает использование их при следующих условиях:

Однофазная и однородная среда (газ, пар, жидкость);

Число Рейнольдса от 3,2∙103 до 108 (в зависимости от метода отбора давления возможны дополнительные ограничения по числу Рейнольдса);

Трубопроводы круглого сечения с внутренним диаметром 50...1000 мм;

Стационарный или медленно меняющийся поток;

Скорость потока в отверстии диафрагмы не превышает скорости звука.

Существенным фактором является то, что на физические свойства собственно среды (электропроводность, плотность, вязкость и т. д.) ограничений не накладывается, ограничиваются лишь гидродинамические параметры потока.
Еще одним важным преимуществом диафрагмы является относительная простота изготовления и низкая стоимость по сравнению с другими типами преобразователей (при сравнительно небольших диаметрах трубопровода и давлениях). Варьируя отношение внутреннего диаметра диафрагмы d к внутреннему диаметру трубопровода D (так называемый коэффициент β = d/D), можно обеспечить требуемый диапазон перепада давления в достаточно широком диапазоне скоростей потока.

Однако, наряду с преимуществами, стандартные диафрагмы обладают и весьма серьезными недостатками, которые ограничивают их применение и заставляют искать альтернативные методы и средства измерения расхода. К таким недостаткам относятся:

наличие застойных зон и скопление осадка у диафрагмы;
значительные потери давления;
необходимость остановки трубопровода для монтажа/демонтажа диафрагмы;
жесткие требования к прямым участкам трубопровода;
увеличение погрешности при износе острых кромок в процессе эксплуатации диафрагм диаметром до 125 мм (эта проблема частично решена для износоустойчивых диафрагм, у которых кромки изначально притуплены, но такие диафрагмы не предусмотрены ГОСТ 8.586-2005);
ограничения по диаметру и форме сечения трубопровода;
громоздкость и сложность монтажа при больших диаметрах трубопроводов и высоких давлениях.

Диафрагма (измерение расхода)

Схема установленной диафрагмы в кольцевой камере (которая в свою очередь вставлена в трубу). Принятые обозначения: 1. Диафрагма; 2. Кольцевая камера; 3. Прокладка; 4. Труба. Стрелки показывают направление жидкости/газа. Оттенками цвета выделено изменение давления.

где
	= объёмный расход (at any cross-section), м³/с
	= массовый расход (at any cross-section), кг/с
	= коэффициент истечения, безразмерная величина
	= коэффициент расхода, безразмерная величина
	= площадь сечения трубы, м²
	= площадь
	= диаметр трубы, м
	= диаметр отверстия в диафрагме, м
	= соотношение диаметров трубы и отверстия в диафрагме, безразмерная величина
	= скорость жидкости до диафрагмы, м/с
	= скорость жидкости внутри диафрагмы, м/с
	= давление жидкости до диафрагмы, Па (кг/(м·с²))
	= давление жидкости после диафрагмы, Па (кг/(м·с²))
	= плотность жидкости, кг/м³.

Течение газа через диафрагму

В основном, уравнение (2) применимо только для несжимаемых жидкостей. Но оно может быть модифицировано введением коэффициента расширения с целью учёта сжимаемости газов.

Равен 1.0 для несжимаемых жидкостей и может быть вычислен для газов.

Расчёт коэффициента расширения

Коэффициент расширения , который позволяет отследить изменение плотности идеального газа при изоэнтропийном процессе , может быть найден как:

Для значений менее чем 0.25, стремится к 0, что приводит к обращению последнего члена в 1. Таким образом, для большинства диафрагм справедливо выражение:

где
	= коэффициент расширения, безразмерная величина
	=
	= отношение теплоёмкостей (), безразмерная величина.

Подставив уравнение (4) в выражение для массового расхода (3) получим:

Таким образом, конечное выражение для несжатого (т.е., дозвукового) потока идеального газа через диафрагму для значений β меньших, чем 0.25:

Помня что и (уравнение состояния реального газа с учётом фактора сжимаемости)

где
	= отношение теплоёмкостей (), безразмерная величина
	= массовый расход в произвольном сечении, кг/с
	= расход реального газа до диафрагмы, м³/с
	= расходный коэффициент диафрагмы, безразмерная величина
	= площадь сечения отверстия в диафрагме, м²
	=

Мерные диафрагмы можно считать основным общепромышленным средством измерения расхода жидкости, газа и пара. Такое широкое распространение сужающих устройств обусловлено целым рядом их достоинств, среди которых важнейшими являются универсальность применения, возможность измерения в широких пределах. Простота изготовления, а также отсутствие необходимости в образцовых расходомерных установках для градуировки и поверки в случае применения нормализованных сужающих устройств. Это позволяет определить расход по перепаду на диафрагме расчетным путем, причем погрешность такого метода может быть достаточно точно оценена.

Зависимость между расходом и перепадом давления на мерной диафрагме

Движение потока жидкости через диафрагму схематически изображено на рис. 6.1. Сужение струи начинается в сечении А-А перед диафрагмой, в сечении В-В сжатие струи максимально. В сечении С-С струя расширяется до первоначального размера, заполняя полностью сечение трубы. Возрастание средней скорости от значения до значения в сечении В-В, а следовательно, и кинетической энергии происходит за счет уменьшения давления до давленияв горле (наименьшем сечении) струи.

В сечении С-С давление больше, чем в сечении В-В, но не достигает значения в сечении А-А, вследствие потерь энергии на диафрагме.

Запишем уравнение Бернулли для сечений А-А и В-В:

- коэффициенты кинематической энергии в сечениях А-А и В-В,

- коэффициент сопротивления на участке от А-А до В-В, отнесенной к скорости .

- плотность рабочей жидкости;

- ускорение силы тяжести.

А) б) в)

Рис. 6.1. Течение через диафрагму:

а) – схема течения;

б) – изменение давления (у стенки трубы,

в середине трубы);

в) – изменение средней скорости.

Отношение площади горла струи к площади отверстия диафрагмыпредставляет собой коэффициент сжатия струи.

Введем отношение площади отверстия диафрагмы к площади сечения трубы
- относительную площадь сужающего устройства (модуль диафрагмы),

.

Выразив
, получим, используя уравнение Бернулли,

В этой формуле с помощью коэффициента учитывается, что точки отбора давленияипосле диафрагмы, как правило, не совпадает с сечениями А-А и В-В.

Н
аиболее распространенными способами отбора давлений является угловой и фланцевый (см. рис. 6.2 и 6.3).

Рис. 6.2. Стандартная диафрагма:

а – с точечным угловым отбором и;

б – с камерным угловым отбором и

(1мм <С <12 мм)

Рис. 6.3. Диафрагма с фланцевым отбором давления:

а – во фланцах; б – в объеме;

, где
мм

Если отбор давления производится в сечении А-А и В-В, то коэффициент
.

Выражая расход жидкости через получим

, причем

.

Из изложенного ясно, что коэффициент расхода для диафрагм зависит от. Для удобства анализа влияния этих факторов на коэффициент расходапредставим его в виде произведения ряда сомножителей, каждый из которых характеризует влияние одной из перечисленных величин:

,

где для диафрагмы:

определяет долю участия начальной кинетической энергии в образовании кинетической энергии струи, выходящей из сужающего устройства (в горле струи);

;

коэффициент потерь;

коэффициент распределения скоростей. От коэффициента потерь он практически не зависит, т.к. при
ошибка не превосходит
%. Еслии
равны 1, то

Для удобства расчета сужающих устройств вводится коэффициент истечения

.

Коэффициент С характеризует процессы, происходящие непосредственно в сужающем устройстве.

Кроме названных факторов на величину коэффициента расхода влияет шероховатость трубопровода, притупление входной кромки и т.д.

Не останавливаясь подробно на изучении поведения каждого из коэффициентов (более подробно с этим можно ознакомиться в ), перейдем к определению расхода, используя рекомендации по определению коэффициентов истечения, полученные в результате обработки множества опытных данных.

Металлическая пластина с отверстием является простым и относительно недорогим стандартным первичным элементом расходомера. Диафрагма сжимает поток для создания перепада давления на пластине. В результате получается высокое давление перед (по направлению потока) диафрагмой и низкое давление после диафрагмы, разница которых пропорционально квадрату скорости потока. Диафрагма обычно оказывает большее сопротивление потоку, чем другие первичные устройства.

Практическое преимущество этого устройства в том, что стоимость его незначительно увеличивается с размером трубопровода. Ну и, конечно, очень хорошо разработана теория применения диафрагм, методика калибровки и поверки. Поэтому на коммерческих узлах учета газа до сих пор большинство расходомеров используют диафрагму в качестве первичного элемента.

Измерительные диафрагмы широко используются в промышленности. Они эффективны для измерения потока «чистых» продуктов и в тех случаях, где линейные потери давления или дополнительные нагрузки на насосы не являются критичными.