Измерение расхода методом переменного перепада давления на сужающем устройстве

Метод переменного перепада давления — один из наиболее распространённых способов измерения расхода жидкостей, газов и паров в промышленных трубопроводах. Его основа — использование сужающих устройств (СУ), создающих локальное сопротивление потоку и тем самым формирующих измеримый перепад давления.

а — диафрагма; 1 — трубопровод, 2 — сужающее устройство (диафрагма);

б — распределение давления у сужающего устройства: P₁′ — давление в сечении S₁; P₁ — давление перед диафрагмой, P₂′ — давление в сечении S₂; P₂ — давление после диафрагмы; ΔP — перепад давления на диафрагме

Физический принцип

При прохождении потока через сужение:

• скорость потока возрастает (согласно закону сохранения массы);
• статическое давление падает (по уравнению Бернулли);
• разность давлений до и после сужения (перепад давления) пропорциональна квадрату расхода.

Таким образом, измеряя перепад давления, можно рассчитать расход среды.

Основные элементы системы измерения

1. Сужающее устройство (СУ) — первичный преобразователь:
   • диафрагма;
   • сопло;
   • труба Вентури и др.
2. Датчики давления — измеряют давление до и после СУ.
3. Дифференциальный манометр — фиксирует перепад давления.
4. Вычислитель расхода — обрабатывает сигнал и рассчитывает расход.

Основные расчётные формулы

1. Объёмный расход (при рабочих условиях)

​​

где:

• $Q$ — объёмный расход, м³/с;
• $d$ — диаметр отверстия СУ, м;
• $\alpha$ — коэффициент расхода (зависит от типа СУ и числа Рейнольдса);
• $\epsilon$ — коэффициент расширения (для газов и паров);
• $\Delta P$ — перепад давления на СУ, Па;
• $\rho$ — плотность среды при рабочих условиях, кг/м³.

2. Массовый расход

​

где:

• $G$ — массовый расход, кг/с;
• остальные обозначения — как выше.

3. Приведённый объёмный расход (при стандартных условиях)

Для газов часто требуется пересчёт к стандартным условиям (обычно 20 °C и 1 атм):

​​

где:

• Qст​ — объёмный расход при стандартных условиях, м³/ч;
• $P$, $T$ — давление и температура при рабочих условиях;
• Pст​, Tст​ — стандартные давление и температура;
• $Z$, Zст​ — коэффициенты сжимаемости при рабочих и стандартных условиях.

Коэффициенты и поправки

1. Коэффициент расхода ($\alpha$)
   Учитывает:
   • потери на трение;
   • форму СУ;
   • число Рейнольдса потока.
     Определяется экспериментально и нормируется в стандартах (например, ГОСТ 8.586).
2. Коэффициент расширения ($\epsilon$)
   Корректирует влияние сжимаемости газа. Для жидкостей $\epsilon =1$. Для газов зависит от:
   • отношения давлений;
   • показателя адиабаты;
   • конструкции СУ.
3. Поправка на температуру и давление
   Необходима для точного расчёта плотности $\rho$ и коэффициента сжимаемости $Z$.

Преимущества метода

• Универсальность — подходит для жидкостей, газов, паров.
• Надёжность — СУ не имеют движущихся частей.
• Стандартизация — методики расчёта нормированы (ГОСТ, ISO).
• Простота обслуживания — СУ легко заменять и поверять.

Ограничения и погрешности

• Зависимость от числа Рейнольдса — точность падает при малых расходах.
• Чувствительность к состоянию СУ — износ или загрязнение меняют $\alpha$.
• Требования к прямолинейным участкам — необходимы прямые отрезки трубы до и после СУ для стабилизации потока.
• Погрешность — обычно 1–3 % при соблюдении условий монтажа.

Практические рекомендации

1. Выбор СУ
   • для чистых сред — диафрагма;
   • для абразивных сред — сопло или труба Вентури;
   • для малых расходов — специальные СУ с низким $\alpha$.
2. Монтаж
   • обеспечить требуемые длины прямых участков (обычно 10–20 диаметров трубы до СУ и 5–10 после);
   • исключить перекосы и деформации трубопровода;
   • установить датчики давления в правильных точках.
3. Эксплуатация
   • регулярно проверять состояние СУ;
   • контролировать герметичность импульсных линий;
   • проводить периодическую поверку.

Заключение

Метод переменного перепада давления остаётся одним из базовых в промышленной метрологии благодаря сочетанию простоты, надёжности и достаточной точности. Ключевое условие его эффективной работы — строгое соблюдение требований к монтажу, калибровке и эксплуатации, а также корректный учёт физико‑химических свойств измеряемой среды.