Что такое диафрагменный расходомер? Принцип работы, точность, применение и выбор

Принцип звучит просто, но надежность измерения расхода через отверстие зависит не только от самой пластины. Диаметр отверстия, коэффициент бета, состояние кромки, расположение точки отбора давления, плотность жидкости, число Рейнольдса, профиль потока вверх по течению, диапазон датчика перепада давления и установка — все это влияет на результат.

В этом руководстве объясняется принцип работы расходомера с диафрагмой, от гидравлического ограничения до конечного сигнала расхода, а затем показано, что влияет на неопределенность измерения, где технология работает хорошо и что инженеры должны проверить, прежде чем выбирать систему.

Что такое диафрагменный расходомер?

Диафрагменный расходомер следует рассматривать как полноценную систему измерения дифференциального-давления, а не как металлическую пластину, установленную между двумя фланцами.

Диафрагма

Пластина создает ограничение. Обычная пластина с концентрическими-окромками имеет круглое отверстие, расположенное по центру трубы. Размер его отверстия, толщина, входная кромка и ориентация установки должны соответствовать проектным основам, использованным для расчета расхода.

Для конкретных услуг доступны пластины различной геометрии. Руководство повыбор типа диафрагмыобеспечивает дополнительный контекст, когда стандартная концентрическая пластина может не подходить для жидкости.

Отводы для измерения давления и импульсные соединения

Отводы для измерения давления измеряют статическое давление на входной и выходной сторонах ограничителя. Трубки или встроенные каналы передают эти сигналы давления на прибор дифференциального давления.

Устройство отвода является частью схемы измерения. Его нельзя перемещать произвольно после того, как пластина была выбрана по размеру, поскольку давление меняется в зависимости от положения вокруг ограничения.

Датчик перепада давления

Вторичный измерительный элемент определяет разницу между сторонами высокого-давления и низкого-давления. Подходящийдатчик перепада давленияпреобразует эту механическую разницу давления в полезный электронный сигнал.

В более широком смысле,конфигурации преобразователя давленияследует выбирать в соответствии с технологическим давлением, температурой, требуемым диапазоном, условиями окружающей среды и требованиями системы управления-.

Как работает диафрагменный расходомер?

1. Жидкость приближается к ограничению

Перед пластиной жидкость занимает все поперечное-сечение трубы. Для стандартизированного измерения приближающийся поток должен соответствовать условиям установки, требуемым выбранным методом расчета. Близлежащие колена, клапаны и другие помехи могут изменить профиль скорости до того, как жидкость достигнет отверстия.

2. Скорость увеличивается через отверстие.

Отверстие обеспечивает меньшую площадь потока, чем труба. Для поддержания непрерывности жидкость ускоряется при прохождении через отверстие.

Это ускорение имеет решающее значение для измерения расхода по перепаду-давлению. Измеритель не измеряет скорость непосредственно на пластине; вместо этого он измеряет изменение давления, связанное с ускорением.

3. Падение статического давления

По мере увеличения скорости статическое давление уменьшается. Принцип Бернулли обеспечивает базовую физическую взаимосвязь между давлением, скоростью и высотой для идеализированного потока, а практические расчеты отверстий добавляют коэффициенты, которые учитывают реальное поведение жидкости.

Таким образом, давление на входе выше, чем давление, измеренное на стороне выхода за ограничителем.

4. Контрактная вена формируется ниже по течению

Поток жидкости не сразу расширяется до полного диаметра трубы после пересечения пластины. На небольшом расстоянии ниже по течению оно продолжает сжиматься. Место, где струя достигает минимальной-площади поперечного сечения, называетсяконтрактная вена.

После этого момента поток расширяется и некоторое статическое давление восстанавливается. Восстановление не является полным, поскольку разделение и турбулентность рассеивают механическую энергию. Эта неизвлеченная часть выглядит как постоянная потеря давления.

5. Система измеряет перепад давления.

Преобразователь воспринимает два сигнала давления:

ΔP = P1 − P2

где P1 — давление отбора на входе, а P2 — давление на выходе после.

По мере увеличения расхода растет перепад давления. Однако связь нелинейная.

6. Дифференциальное давление преобразуется в поток.

Для фиксированной геометрии и других стабильных условий процесса упрощенная зависимость выглядит следующим образом:

Q ∝ √ΔP

Это имеет важное практическое последствие. Если перепад давления падает до 25 % от полного-значения шкалы, соответствующий теоретический расход составит около 50 % от полной шкалы, а не 25 %.

Функция извлечения квадратного-корня может выполняться внутри интеллектуального преобразователя или в ПЛК, РСУ или компьютере расхода. Обычно его не следует применять дважды. ЭмерсонаРуководство по проектированию потока DPособо отмечает, что извлечение квадратного-корня может быть выполнено в передатчике или где-либо еще в системе управления, и предостерегает от выполнения этого в обоих местах.

Результирующий сигнал также может быть накопленсумматор расходакогда приложение требует общего объема или массы с течением времени.

Что входит в фактическое уравнение потока через отверстие?

Отношение квадратного-корня объясняет принцип, но не является полным уравнением инженерного расчета. Фактические расчеты учитывают геометрию и поведение первичного элемента, а также свойства жидкости.

Важные переменные включают в себя:

• диаметр отверстия отверстия;
• внутренний диаметр трубы;
• перепад давления;
• плотность жидкости;
• коэффициент расхода;
• коэффициент бета;
• число Рейнольдса;
• коэффициент расширения сжимаемых жидкостей.

Коэффициент разряда

Коэффициент расхода, обычно обозначаемый буквой C, учитывает разницу между идеализированным расчетом расхода и фактическим расходом через ограничение. На него влияют геометрия и режим потока, поэтому стандартную диафрагму нельзя заменить примерно аналогичным отверстием и рассчитывать на ту же основу расчета.

Состояние кромок пластины также имеет значение. Округление, отложения, эрозия или механические повреждения могут изменить поведение локального потока и, следовательно, повлиять на качество измерения.

Фактор расширяемости

Для жидкостей изменения плотности через элемент дифференциального давления часто достаточно малы, чтобы считать жидкость практически несжимаемой для применимых расчетов. Газ и пар ведут себя по-разному.

При прохождении сжимаемой жидкости через ограничение изменения давления сопровождаются изменениями плотности. Коэффициент расширения учитывает этот эффект при расчете применимого отверстия. Это одна из причин, по которой для определения размеров газа и пара требуется больше информации о процессе, чем просто диаметр трубы и максимальный расход.

Что такое бета-коэффициент и почему это важно?

Бета-коэффициент, обозначаемый как , представляет собой соотношение между диаметром отверстия отверстия и внутренним диаметром трубы:

= d / D

где d — диаметр отверстия дросселя, а D — внутренний диаметр входной трубы.

Меньший диаметр отверстия относительно трубы создает более сильное ограничение и обычно создает больший перепад давления при данном расходе. Больший диаметр отверстия создает меньший перепад давления и, как правило, меньшую постоянную потерю давления.

Это не означает, что очень маленький или очень большой коэффициент бета автоматически лучше. Коэффициент бета зависит от числа Рейнольдса, коэффициента расхода, доступного перепада давления, неопределенности и чувствительности установки. Его следует рассчитывать на основе реальных условий процесса, а не выбирать только для создания удобного диапазона измерения преобразователя.

Какое расположение крана давления используется?

ISO 5167-2:2022 охватывает стандартные диафрагмы, используемые с фланцевыми, угловыми и угловыми кранами, а также кранами D и D/2.официальная спецификация ISO 5167-2также определяет геометрию, условия установки и эксплуатации стандартных пластин, используемых в полностью круглых трубопроводах.

Фланцевые краны

Присоединения давления расположены во фланцах на стандартизированных расстояниях рядом с плитой. Это обычное промышленное соглашение.

Угловые краны

Давление измеряется непосредственно рядом с входной и выходной поверхностями пластины.

Метчики D и D/2

Кран выше по потоку расположен на один диаметр трубы выше по потоку, а кран ниже по потоку расположен на половине диаметра трубы ниже по потоку.

Эти устройства не просто обеспечивают три различных способа соединения трубок. Расположение крана изменяет измеряемый перепад давления, поэтому конфигурация крана должна соответствовать методу расчета, используемому для определения расхода.

Что влияет на точность и погрешность измерения диафрагменного расходомера?

Полезнее думать о неопределенности всей измерительной системы, чем присваивать каждому измерительному прибору один общий показатель точности.

Геометрия первичного элемента

Диаметр отверстия, плоскостность пластины, толщина, состояние острых-кромок и диаметр трубы — все это влияет на первичное измерение. Пластина, изготовленная правильно, но установленная задом наперед, также может дать результат, выходящий за рамки предполагаемого расчета.

Профиль потока

Колено, частично открытые клапаны, переходники и другие фитинги могут создавать вихревые или асимметричные профили скорости. Эффект зависит от возмущения, его расстояния от пластины и геометрии измерителя.

Вот почему не существует полезного универсального утверждения о том, что для каждого диафрагменного расходомера требуется ровно одинаковое количество диаметров труб на входе. Стандартные требования к установке следует проверить на предмет фактической конфигурации трубопроводов.

Число Рейнольдса

Число Рейнольдса описывает взаимосвязь между инерционными и вязкими эффектами в текущей жидкости. Поскольку коэффициент расхода связан с режимом потока, число Рейнольдса является частью стандартизированных расчетов и пределов применимости.

ISO 5167-2 определяет определенные условия эксплуатации и пределы применения, а не рассматривает коэффициент пластины как независимый от режима потока.

Диапазон передатчика DP

Датчик, который хорошо работает в расчетном рабочем диапазоне, может вносить пропорционально большую неопределенность, когда перепад давления становится очень малым.

Это важно, поскольку DP быстро падает по мере уменьшения расхода. Если расход составляет 30 % от расчетного расхода, перепад давления составляет лишь около 9 % от соответствующего расчетного перепада давления согласно упрощенному квадратичному соотношению.

Таким образом, производительность при низком-потоке зависит не только от номинальной точности преобразователя, указанной в технических характеристиках.

Отводы для измерения давления и импульсные линии

Заблокированные краны, утечки, неравный напор жидкости, захваченный газ или конденсат могут привести к ложному перепаду давления еще до того, как преобразователь обработает сигнал.

Вот почему проверка всего тракта давления часто более полезна, чем немедленная повторная калибровка преобразователя, когда показания становятся нестабильными.

Плотность жидкости и компенсация

При изменении условий газа или пара плотность может меняться настолько, что влияет на расчетный расход. Многопараметрическая система может учитывать статическое давление и температуру, поэтому расчеты отражают изменяющиеся условия процесса.

Калибровка остается частью общего процесса управления измерениями-. Руководство сайта покак откалибровать расходомерпредоставляет дополнительную информацию, в то время как для измерения давления может потребоваться собственная документация.интервал калибровки датчика давления.

Где используются диафрагменные расходомеры?

Поток жидкости

Диафрагмы позволяют измерять многие чистые-однофазные жидкости, если потеря давления и условия установки приемлемы. Типичными примерами являются вода, технологические жидкости и углеводороды.

Грязные жидкости требуют большей осторожности. Отложения могут изменить геометрию отверстия, а твердые частицы могут разрушить кромку или заблокировать штуцеры для измерения давления.

Расход газа

Измерение дифференциального-давления также широко используется для газа. Однако необходимо учитывать сжимаемость и изменение плотности. Система, предназначенная для передачи данных о стандартном объемном или массовом расходе, может нуждаться в компенсации давления и температуры в дополнение к DP.

Читатели, оценивающие применение газа, могут продолжить изучение сайта.измерение расхода промышленного газаресурсы.

Поток пара

Пар является важным приложением измерения расхода DP-, поскольку первичный элемент не имеет вращающегося измерительного механизма, подверженного воздействию высоко-температурного процесса.

Сложнее всего зачастую не пластина, а система измерения давления. В традиционных конструкциях с мокрым-отводом конденсат в импульсных линиях должен контролироваться таким образом, чтобы обе стороны обеспечивали стабильный и сопоставимый напор на датчик. Плохой уклон линии, неравномерность отводов конденсата или пара, попадающего в преобразователь, могут создать проблемы с измерениями и надежностью.

Плотность пара также меняется в зависимости от условий эксплуатации, поэтому система, используемая в широком диапазоне давлений или температур, может потребовать компенсации. Альтернативные паровые технологии обсуждаются в теме сайта.расходомер парараздел.

Когда диафрагма является плохим выбором?

Система отверстий привлекательна тем, что основной элемент прост и стандартизирован, но ее компромиссы-имеют значение.

• Стоимость потерь из-за высокого постоянного давления-:Если энергия насоса или компрессора имеет решающее значение, другой первичный элемент может обеспечить лучшее восстановление давления.
• Абразивная жидкость или жидкость,-образующая отложения:Эрозия кромок и заблокированные краны могут ухудшить результаты измерения.
• Очень широкий рабочий диапазон:низкий расход приводит к очень малому перепаду давления, что может сделать всю систему менее подходящей, чем другая технология.
• Сильная пульсация:стандартная область применения ISO 5167-2 исключает пульсирующий поток.
• Плохой входной трубопровод:сильное завихрение или искажение профиля скорости-может сделать стандартную установку непрактичной без изменения конструкции.
• Требуется прямой массовый расход:система отверстий обычно требует дополнительной информации о давлении, температуре и плотности, а не измерения массы.

Отверстие против Вентури, Вихря, Турбины и Кориолиса

A Расходомер ВентуриОсобенно стоит сравнивать, когда важна постоянная потеря давления. Секции постепенного сужения и восстановления обычно сохраняют большее давление, чем резкое расширение после отверстия.

Для Steam или коммунальных услуг сравните приложение свихревой расходомер. Для чистых жидкостей, где допускается использование механического ротора,диапазон турбинных расходомеровобеспечивает другой подход к измерению. Если приоритетом является прямой массовый поток, руководство сайта поПринцип работы расходомера Кориолисаобъясняет принципиально иной метод.

Услуги по проводящей жидкости также могут оправдать сравнение сэлектромагнитный расходомер, особенно когда желательно устранить навязчивое ограничение.

Как выбрать расходомер с диафрагмой

Полезная спецификация начинается с процесса, а не с размера фланца.

1. Определите жидкость и фазу.Укажите, является ли процесс жидкостью, газом или паром и остается ли он однофазным в рабочих условиях.
2. Обеспечьте минимальный, нормальный и максимальный поток.Одного расчетного расхода недостаточно для оценки низкого-перепада давления или требуемого диапазона регулирования.
3. Дайте определение давления и температуры.Включите нормальные и расчетные условия. Эти значения также могут потребоваться для расчета газа и пара для компенсации плотности.
4. Подтвердите внутренний диаметр трубы.Номинальный размер трубы не всегда достаточен для точного расчета первичного-элемента.
5. Определите допустимую постоянную потерю давления.Это может стать ограничением энергопотребления-жизненного цикла, а не просто проблемой оборудования.
6. Выберите геометрию и материал пластины.Учитывайте чистоту жидкости, коррозию, температуру и применимые стандарты.
7. Установите коэффициент бета и спроектируйте DP.Их следует рассчитывать вместе, а не выбирать по отдельности.
8. Выберите необходимое расположение кранов.Отводы должны соответствовать базе расчета.
9. Подберите размер преобразователя DP.Оцените ожидаемый перепад давления в реальном рабочем диапазоне, а не только при максимальном расходе.
10. Определите компенсацию и выпуск.Определите, требуется ли системе извлечение квадратного-корня, суммирование, компенсация давления/температуры или расчет массового-расхода.
11. Проверьте расположение трубопроводов.Прежде чем завершить проектирование, просмотрите помехи в восходящем направлении, требования к прямому-прохождению, расположение передатчика и маршрутизацию импульсной-линии.

Распространенные ошибки при установке и вводе в эксплуатацию

Компания Emerson описывает системы расхода DP как комбинацию первичного элемента, преобразователя перепада давления и вспомогательных компонентов, таких как импульсные трубопроводы, клапаны и соединители. Такое представление на уровне системы-полезно при устранении неполадок, поскольку хорошая пластина не может исправить плохой сигнал давления. См. ЭмерсонОбзор измерения расхода при перепаде давлениядля получения дополнительной технической информации.

Часто задаваемые вопросы

Является ли диафрагменный расходомер расходомером дифференциального давления?

Да. Диафрагма создает контролируемую разницу давления, и измерительная система использует эту разницу давления для определения расхода.

Почему расход изменяется пропорционально квадратному корню из перепада давления?

Для фиксированной геометрии и стабильных условий жидкости перепад давления варьируется примерно в зависимости от квадрата расхода. Таким образом, расчетный расход изменяется в зависимости от квадратного корня из DP.

В чем основной недостаток диафрагменного счетчика?

Постоянная потеря давления – один из основных-компромиссов. Резкое ограничение и отрыв потока ниже по течению рассеивают энергию, которая не восстанавливается полностью.

Что такое бета-коэффициент?

Бета-коэффициент представляет собой диаметр отверстия отверстия, разделенный на внутренний диаметр трубы. Это влияет на создаваемый перепад давления, поведение нагнетания, потерю давления и применимые условия определения размера.

Может ли диафрагменный расходомер измерять пар?

Да. Первичный элемент хорошо подходит для работы при высоких-температурах, но точность измерения пара также зависит от состояния пара, расчета плотности, информации о давлении и температуре, а также от правильной установки импульсной-линии.

Требуется ли для каждой диафрагмы одинаковая длина прямой трубы?

Нет. Требование зависит от помех на входе, коэффициента бета, расположения трубопроводов и применимого стандарта расчета. Один прямой-номер запуска не следует применять к каждой установке.

Как часто следует калибровать диафрагменный расходомер?

Для всей системы не существует универсального интервала. Частота калибровки должна отражать критичность измерений, стабильность преобразователя, условия эксплуатации, историю технического обслуживания и требования к качеству-системы. Проверка пластины и проверка траектории давления-отдельны от калибровки преобразователя.

Можно ли использовать ISO 5167 для всех типов отверстий?

№ ISO 5167-2 определяет конкретную область применения стандартизированных диафрагм и условия эксплуатации. Согласно официальному описанию стандартов, он применяется к полным трубопроводам, определенным устройствам отбора-отводов под давлением, однофазному дозвуковому потоку и определенным размерам и диапазонам чисел Рейнольдса; пульсирующий поток выходит за рамки заявленных возможностей.

Заключение

Расходомер с диафрагмой преобразует контролируемое гидравлическое ограничение в дифференциальное давление, которое можно связать с расходом. Пластина создает изменение скорости и давления, краны давления передают результирующие сигналы, а датчик перепада давления или система управления выполняет преобразование, необходимое для индикации и суммирования расхода.

Надежность измерений зависит от всей системы. Бета-коэффициент, коэффициент расхода, число Рейнольдса, плотность жидкости, состояние пластины, профиль потока, расположение отводов давления, диапазон измерения датчика и компенсация — все это влияет на конечный результат.

Для нового применения перед определением размера пластины определите жидкость, фазу, рабочий диапазон расхода, давление, температуру, внутренний диаметр трубы, допустимую потерю давления и требуемые характеристики измерения. Затем убедитесь, что система трубопроводов и датчик могут поддерживать ожидаемый диапазон перепада давления. Этот процесс значительно облегчает определение того, подходит ли диафрагменный расходомер или технология Вентури, вихревая, турбинная, электромагнитная или кориолисовая технология подходят лучше.