Дроссельные расходомеры
Работа дроссельных (нем. drosseln — ограничивать, снижать) расходомеров основана на возникновении разности давлений на дросселе, установленном в потоке жидкости или газа.
Дроссельный расходомер (рис.
10.2, а) содержит дроссель (часто называемый сужающим устройством), размещенный в трубопроводе, и датчик разности давлений. При протекании измеряемого потока в дросселе, имеющем площадь поперечного сечения меньшую, чем площадь трубопровода, скорость движения жидкости или газа увеличивается. Благодаря этому происходит определенная потеря энергии потока, поэтому статическое давление Р2 на выходе сужающего устройства будет меньше, чем давление Pi на его входе. Разность давлений Рі — Р2 = АР, которую обычно называют перепадом давлений, песет информацию о расходе среды, протекающей через дроссель. Мри увеличении расхода перепад давления увеличивается. Перепад давлений на дросселе измеряют датчиками разности давлений (см. гл. 9). При этом в «плюсовую» камеру этого датчика подается большее Р\, а в «минусовую» — меньшее Р2 давление. Сигнал датчика в зависимости от решаемой задачи посылается на регистратор или в вычислительное устройство. Дроссельные расходомеры называют также расходомерами переменного перепада давлений.Зависимость между расходом и перепадом определяется типом дросселя, а также тем, за счет каких процессов происходит потеря энергии на них, что определяет режим течения через дроссель. В свя-
Рис. 10.2. Схемы дроссельных расходомеров:
1 — трубопровод; 2— дроссель; 3 — датчик разности давления; 4 — диафрагма; 5 — капилляр; 6— сетка-фильтр; 7 сетка-дроссель; 8 — пакет капилляров
зи с этим дроссели разделяют на турбулентные, ламинарные и смешанного типа.
Турбулентные дроссели представляют собой диски с центральным отверстием, размещаемым поперек потока.
Наибольшее применение имеют диафрагмы (рис. 10.2, б).Характерным для турбулентных дросселей является малое отношение толщины 8 диска к диаметру отверстия d. В таких дросселях потеря давления при протекании потока вызывается местным сопротивлением и потерями энергии, возникающими за счет вихревых движений, сопровождающих сужение потока в отверстии дросселя.
Для турбулентных дросселей зависимости между массовым и объемным расходами и перепадом давлений для жидких и газообразных сред при малых изменениях давления, когда газ можно рассматривать как несжимаемую среду, имеют вид:
(10.3)
(10.4)
Q = af^Pl-- I±=bJPl-P2, Р
где а — коэффициент расхода, определяемый экспериментально; /— площадь поперечного сечения отверстия дросселя; р — плотность
среды перед дросселем; a = af -Jp и b =а/7р — постоянные коэффициенты.
Как видно, зависимости массового и объемного расходов от перепада давлений на турбулентном дросселе явля ются пел и 11 е й и ы м и.
Ламинарные дроссели представляют собой трубки с отношением длины /к диаметру, большему 50, которые называют капиллярами (рис. 10.2, в). В трубке обеспечивается ламинарный режим течения. Потери давления при этом обусловливаются в основном наличием трения среды о стенки трубки. Для ламинарных дросселей зависимости между массовым, объемным расходами и перепадом давления при условиях, оговоренных выше для турбулентных дросселей, имеют вид:
где г) — динамическая вязкость жидкой или газообразной среды;
nd4o , %d4 , ,
кс
=----- —- и к0 =-------------- постоянные коэффициенты.
128л/ 128л/
Как видно, зависимости массового и объемного расходов от перепада давления на ламинарном дросселе являются линейными.
В дросселях смешанного типа не соблюдается чисто ламинарное или турбулентное течение.
Потери давления в них определяются как вихревыми движениями, так и трением между слоями среды и трением среды о стенки трубки. Зависимости между массовым, объемным расходами и перепадом давлений для дросселей смешанного типа являются нелинейными и не имеют аналитического описания, обычно определяются экспериментально.Дроссельные расходомеры с миниатюрными турбулентными и ламинарными дросселями используют в лабораторной практике для измерения малых расходов жидких и газообразных сред. Их называют реометрами (греч. rheos — поток).
Дроссельные расходомеры, используемые для исследований системы дыхания, называют пневмотахометрами или пневмотахографами. Здесь используются как турбулентные, так и ламинарные дроссели.
Например, при использовании в качестве турбулентного дросселя диафрагмы (см. рис. 10.2, б) для получения линейной статической характеристики расходомера необходимо использовать дополнительное устройство для извлечения квадратного корня из сигнала датчика разности давлений, так как этот сигнал пропорционален квадрату расхода.
В расходомере (рис. 10.2, г), где в качестве дросселя используется мелкая сетка, для получения линейной статической характеристики применяется канал специальной конической формы. Для фильтрации капель воды, образующихся в процессе выдоха за счет конденсации паров воды, содержащихся в выдыхаемом газе, в данном расходомере, а также в других дроссельных расходомерах на входе в канал размещается сетка-фильтр, ячейки которой в несколько раз больше, чем ячейки сетки-дросселя. Если дроссельный расходомер используется только для исследований процесса выдоха, то для измерения расхода достаточно применять датчики давления, с помощью которых измеряется только давление Р1, а давление Р2 равно атмосферному.
В пневмотахометрах также используют ламинарные сопротивления, обеспечивающие линейность статической характеристики. Причем, для уменьшения сопротивления протекающего газового потока при вдохе и выдохе применяют ламинарные дроссели в виде пакета капилляров (рис. 10.2, д), пакета трубок треугольного сечения, перегородки из мелкопористого материала или полоски металлической сетки, свернутой по спирали.
Использование в дроссельных расходомерах датчиков разности давления позволяет при соответствующей конструкции последних измерять расход газовой среды как при выдохе, так и при вдохе.
Для предотвращения конденсации паров воды во многих дроссельных расходомерах нагревают трубку, в которой установлен дроссель, до температуры 40—45 °С. Для обработки сигналов датчиков давления и разности давлений дроссельных расходомеров используют различные аналоговые и цифровые вычислительные устройства.
Погрешность измерений расхода дроссельными расходомерами составляет ± (2—5) %.
10.3.