Расходомеры 

Расход воды в трубопроводе или канале можно измерить двумя способами: 

1) целиком, без определения скоростей в отдельных точках (дроссельные и скоростные (крыльчатые) расходомеры, объемные и весовые расходомеры и др.); 

2) измерением скорости в каждой точке сечения потока с последующим вычислением средней скорости, а затем всего расхода по этим скоростям и площади сечения (гидрометрические вертушки и трубки Пито, термоанемометры и флюгер-скоростемер и др.). Целиковые способы (1) измерения расхода положены в основу конструкции водомеров для учета расхода воды в системах водоснабжения, а точечные (2), как более точные и сложные, применяются при лабораторных и опытно-промышленных исследованиях. Ниже рассматриваются наиболее распространенные приборы и устройства, применяющиеся для измерения расхода воды на насосных станциях, а также приведены краткие сведения о лабораторных и других способах измерения расхода. 

Дроссельные расходомеры 

Схема дроссельного расходомера представлена на рис. 1362. Вверху показаны линии токов через суженное сечение диафрагмы, а внизу— изменение напора на этом пути. При увеличении скорости движения в диафрагме напор падает с  до , а затем восстанавливается до . Уравнение Бернулли для сечений I и II имеет такой вид:  отсюда  

В приведенном расчете, дающем общее представление о физическом явлении в диафрагме, не приняты во внимание коррективы скоростей, потери напора на трение и то, что сужение сечения струи за диафрагмой 2 меньше отверстия диафрагмы 0. При вводе в расчет всех поправок для Q получается более сложное выражение. 

Для практических расчетов применяется следующее преобразованное выражение: . 

Здесь С — объединяет постоянные величины  зависит также от единиц измерения; а — коэффициент расхода; h — перепад давления в дифманометре;  - объемный вес жидкости дифманометра; К1 и К2 — поправочные множители к коэффициенту расхода; d—диаметр отверстия диафрагмы. Основная величина, характеризующая дроссельный прибор, — а. 

Самый простой из дроссельных водомеров представляет собой диафрагму, вставленную в трубку. Основные размеры диафрагм нормированы правилами № 169. Диафрагмы бывают бескамерные и камерные. 

На рис. 137 левая половина изображает бескамерную диафрагму, а правая — камерную, камера кольцевая. Диафрагма делается из нержавеющей стали или бронзы. Более сложный прибор - представляет трубка Вентури. 

На рис 138 показаны: вверху — коническая труба, а внизу — труба Вентури с входным профилем нормального сопла. Точность измерения расходов коническими трубами ± 2%, а труб с нормальным соплом ± 1%. Расширяющаяся часть трубы Вентури имеет центральный угол конуса 6—8°. 

Упрощенные трубы Вентури представляют собой измерительные вставки (рис. 139). Они изготовляются из нержавеющих материалов, вполне заменяют трубы Вентури с нормальным соплом и дают при правильной установке такую же точность измерения расходов. Размеры измерительных вставок небольшие и они дешевые. 

Трубы Вентури и измерительные вставки требуют малых потерь напора; при  для первых потеря напора составляет 12%, а для вторых—18%. Потеря напора для диафрагм такого же размера доходит до 75% перепада давлений. Правилами № 169 нормированы длины прямых участков до сопел и диафрагм и после них. Прямой участок после сопел и диафрагм при всех отношениях d/D установлен в 5 м. 

Примерно та же длина нужна и перед соплами при d/D до 0,4. При увеличении же отношения диаметров до 0,5 длина прямого участка перед измерительным прибором увеличивается до 10 D. На станциях чаще вcего нельзя обеспечить прямого участка такой длины, поэтому расходомеры надо устанавливать вне станции в особых камерах или колодцах. 

При уменьшении длин прямых участков в 2—3 раза против указанных погрешности могут превысить 2%. Поэтому в таких случаях нужна тарировка водомера на месте. Если по каким-либо причинам перепад у водомера Вентури получается недостаточным, он может быть повышен применением второго, усилительного вентуриемера (рис. 140). 

Такой усилительный расходомер меньшего размера приключается к основному в обвод (шунт) между входом в него и горловиной. В нем получается значительно большая разность давления, и прибор становится более чувствительным. 

Дифференциальные манометры 

Перепады давлений, образующиеся в дроссельных расходомерах, измеряются дифференциальными манометрами. На рис. 141 представлены три типа простейших дифманометров. Рабочей жидкостью в манометрах, показанных на рис. 141 а и б, служит ртуть, а в третьем манометре (рис 141 в) — вода. 

Верхнее воздушное пространство заполнено сжатым воздухом. Посередине вертикальных колен установлены шкалы для измерения высот стояния уровней. В двух крайних дифманометрах необходимо отсчитывать уровни в обоих коленах, в среднем же отсчет производится по одному правому колену, так как уровень в левой чаше меняется очень мало и поправку на его изменение легко подсчитать, зная диаметры трубки и чаши. 

Такие манометры применяются также в лабораториях при проверке и тарировке водомеров. Механический поплавковый дифманометр (типа ДП) показан на рис. 142 в разрезе. Он состоит из чаши (плюсовой) 1 для ртути, поплавка 2 сменного (минусового), цилиндра 3 (перемена диаметров цилиндров меняет подъемы поплавка), соединительных трубок с кранами 4 и 5. уравнительного крана 6. Для заливки прибора и спуска из него ртути и воды служат отверстия 7 и 9, закрываемые болтами. Клапан 9 удерживает ртуть в приборе при перегрузках. 

Подъем и опускание поплавка 2 передаются при помощи рычага 11 на ось 10. Рычаг 11 шарнирно соединен с поплавком. Ось 10 выходит из поплавковой камеры через уплотнение 12. По выходе из камеры конец оси 10 (рис. 142) соединяется с рычагом 13 указателя. 

Вращение оси 10 передается через рычаг 13 и тягу 14 коромыслу 15. Второй конец коромысла 15 соединен тягой с сектором рычага 16, а сектор имеет зубчатое зацепление с колесом 17, на котором укреплена стрелка. Регулирование стрелки производится сочленениями рычага 16 и кулисы 18 с тягами. На рис. 143 показан внешний вид этого прибора. Для превращения прибора в самопишущий вместо шкалы помещается круглая диаграмма, на которой стрелка с пером чертит ломанную линию. Вращение диаграммы производится часовым механизмом. 

Кольцевые весы 

В качестве измерительного прибора для жидкостей и газов применяются кольцевые весы (рис. 144). Полное кольцо 1, свободно вращающееся на оси 2, проходящей через его центр, до половины заполнено жидкостью (маслом, водой или ртутью). В верхней части кольцо имеет перегородку 3, которая разделяет не заполненное жидкостью пространство на два отсека, каждый из которых при помощи гибких трубок 4 и соединительных трубок 5 приключается к месту измерения. 

В зависимости от разности давлений в отсеках жидкость, заполняющая кольцо, перемещается в сторону отсека с меньшим давлением до тех пор, пока разность уровней жидкости в обоих отсеках не уравновесит разности давлений. Вследствие нарушения равновесия кольца, вызванного перемещением жидкости, кольцо будет поворачиваться вокруг своей оси до тех пор, пока вращающий момент, возникший вследствие перемещений жидкости, не уравновесится моментом от груза 6, укрепленного в нижней части кольца. 

Таким образом, при установившейся разности давлений всегда имеется равновесие между моментом, создаваемым жидкостью с одной стороны, и моментом, создаваемым грузом 6, с отклонением на некоторый угол от вертикальной оси, — с другой. Кольцо кинематически связано со стрелкой 7, двигающейся вдоль вертикальной шкалы прибора 8. В зависимости от конструктивного оформления и способа включения прибор может служить манометром, вакуумметром, мановакуумметром или расходомером. 

При использовании прибора в качестве манометра пли мановакуумметра давление подводится к левой полости кольца, правая же— сообщается с атмосферой. При работе прибора в качестве тягомера (вакуумметра) правая полость сообщается с пространством, разрежение в котором измеряется, а левая — с атмосферой. При подаче в обе полости кольца двух различных сравниваемых давлений прибор работает как дифференциальный манометр и измеряет разности давлений. 

Подобное включение имеет место при использовании его в качестве расходомера, как это 'показано на рис. 144, где прибор включен в сочетании с дисковой диафрагмой 9, помещенной в трубопроводе 10, расход по которому подлежит измерению. Ввиду того, что расход пропорционален корню квадратному из перепада давления в сужающем органе, то в расходомере кинематическая связь между кольцом и стрелкой выполнена так, что стрелка показывает величины, пропорциональные корню квадратному из разности давлений при равномерной разбивке шкалы. 

Скоростные (крыльчатые) расходомеры 

Скоростные расходомеры (Вольтмана) (рис 145) применяются для труб диаметром от 50 до 200 мм. Водомер представляет собой цилиндрический корпус 1, в котором на оси в подшипниках с небольшим трением вращается турбинка (вертушка) 2. Число оборотов турбинки прямо пропорционально количеству протекающей воды. 

Вращение турбинки посредством червячного зацепления и зубчатого передаточного механизма передается счетчику, отмечающему количество воды, прошедшее через водомер. Для гидравлической характеристики скоростных водомеров введено условное понятие характерный расход, который представляет собой часовой расход воды в кубических метрах, при котором потеря напора в водомере равна 10 м вод. ст. 

При подборе скоростного водомера исходят из того, чтобы: а) временный максимальный расход был не более 50 % от характерного; б) наибольшая эксплуатационная нагрузка составляла 20—25% от характерного расхода; в) наименьший расход, обуславливаемый чувствительностью расходомера, был в пределах 2—5% от характерного. Потеря напора в скоростном расходомере определяется по формуле , где Q — расчетный расход в м3/час Qхар – характерный. 

При установке расходомера необходимо принимать во внимание то, что точность измерения расхода зависит от правильности установки расходомера. Для точной работы расходомера требуется, чтобы он был установлен расход в м3/час (принимается по таблице 18) на прямолинейном участке трубопровода длиной, равной 5—10 диаметрам от водомера и 3—5 диаметрам после расходомера.

Расходомеры, снабженные струевыпрямителем, могут быть установлены в непосредственной близости к фасонным частям, но не ближе чем 0,5 м от задвижки и колен. Скоростные расходомеры можно устанавливать на горизонтальных и вертикальных участках трубопроводов с движением воды снизу вверх. Для выключения расходомера с целью его осмотра или ремонта по обе его стороны должны быть установлены задвижки. 

Для измерения расхода жидкости в трубопроводах больших диаметров (250 мм и более) применяются порциальные расходомеры с использованием обычных скоростных расходомеров. Принцип действия порциальных расходомеров основан на измерении не всего расхода, а лишь части его. При этом небольшой расходомер подключен к основному трубопроводу в обвод (шунт). 

На рис. 146 показана схема такого расходомера с диафрагмой, установленной на горизонтальном трубопроводе. Его работа основана на измерении скоростным водомером малого калибра расхода, от шунтированного от основного потока за счет перепада давления в диафрагме. Отшунтированный расход q пропорционален расходу Q в трубопроводе. Поэтому объем воды, проходящей по основному трубопроводу, можно определить умножением количества воды, замеренного скоростным водомером, на постоянный коэффициент. 

В случае, если на насосной станции отсутствуют стационарные расходомеры, кратковременные замеры расхода воды могут быть произведены при помощи переносного порциального расходомера. Конструкция такого расходомера разработана институтом Водгео.