Напорными называются устройства, создающие перепад давления, зависящий от динамического давления потока, или, проще говоря, от скорости потока. Зная скорость потока среды в трубопроводе, статическое давление в трубопроводе и характеристики этого трубопровода (внутренний диаметр) можно вычислить расход. Самыми распространенными напорными устройствами являются трубка Пито-Прандтля и Annubar.
Трубка Пито-Прандтля представляет собой две Г-образные трубки, при этом одна трубка размещена внутри другой. Внутренние полости трубок не сообщаются между собой. Трубка вставляется в трубопровод, изгибом параллельно потоку и желательно соосно оси трубопровода. Внутренняя трубка имеет торцевое отверстие, в результате чего воспринимает полное давление в трубопроводе равное сумме динамического (зависимого от скорости потока) и статического давления трубопровода. Наружная трубка имеет отверстия на боковой поверхности и служит для отбора только статического давления. Довольно часто на производстве трубку Пито-Прандтля называют просто трубкой Пито. Это неправильно, так как с помощью трубки Пито невозможно измерить перепад давлений, а значит и расход, так как она не измеряет статическое давление в трубопроводе отдельно от динамического.
Давление Рвнутр, воспринимаемое внутренней трубкой через отверстие в торце, равно сумме динамического Рдин и статического Рст давлений среды:
Динамическое давление зависит от плотности измеряемого вещества ρ и скорости потока вещества V в трубопроводе. Перепад давлений, измеренный трубкой Пито-Прандтля, будет равен:
Трубка Пито-Прандтля достаточно редко применяется в системах технического учета потребления энергоносителей. В коммерческих узлах учета она не применяется вовсе. Это связано с высокой погрешностью измерения, достигающей 5% и узким диапазоном измеряемых расходов (в лучшем случае минимально возможный измеряемый расход связан с максимальным измеряемым расходом соотношением 1:10). Кроме того, нижняя граница скорости потока достаточно высока. Чаще всего трубки Пито-Прандтля используют для измерения расхода вентиляторного воздуха (стенды нагрева, печи) где не требуется высокой точности измерения и рабочий диапазон изменения расхода воздуха довольно узок. Кроме того трубопроводы подачи вентиляторного воздуха могут иметь весьма внушительные размеры – до 1,5 метров в диаметре. Применение в этом случае расходомеров другого типа влечет за собой значительные материальные затраты и сложность монтажа и последующего обслуживания.
Кроме простоты конструкции трубка Пито-Прандтля имеет и другие достоинства: высокую температурную стойкость (до 300°, а в некоторых случаях и до 650°С), высокую коррозионную стойкость.
В случае появления недостоверных показаний необходимо проверить правильность установки трубки в трубопровод. Довольно часто глубину погружения трубки можно регулировать с помощью специального уплотнительного резьбового соединения. В некоторых случаях, например, из-за вибрации трубопровода, это резьбовое соединение ослабляется, и глубина погружения трубки Пито-Прандтля в трубопровод изменяется. Поэтому желательно нанести на трубку контрольную метку, чтобы в случае необходимости выставить по этой метке нужную глубину погружения.
Еще одной распространенной неисправностью является проворачивание трубки относительно своей оси. Проконтролируйте чтобы отбор статического давления, находящийся снаружи, параллельный и сонаправленный измерительному торцу трубки, был параллелен оси трубопровода.
При измерении расхода вентиляторного воздуха отверстия в трубке могут, например, забиться пылью. Если забьется торцевое отверстие, то показания датчика перепада давлений, скорее всего, уйдут в минус. Если забьются боковые отверстия, то показания датчика перепада возрастут. Для того чтобы прочистить трубку Пито-Прандтля не вынимая ее из трубопровода, необходимо отсоединить подключенный к ней датчик перепада и подать в освободившиеся отборы трубки осушенный сжатый воздух небольшого давления (1,5…3 атмосферы в зависимости от толщины стенок трубки Пито-Прандтля).
Большее, по сравнению с трубками Пито-Прандтля, применение в промышленности нашли осредняющие трубки Annubar, которые обеспечивают измерение динамического давления потока в нескольких точках сечения трубопровода. Из-за того, что скорость потока в трубопроводе различна (самая высокая скорость по центру сечения трубопровода, самая низкая – у стенок трубопровода) то вычисление расхода лишь по одному значению измеренной скорости потока даст существенную погрешность. Осредняющая трубка Annubar представляет собой как бы "многоэтажную" трубку Пито-Прандтля и состоит из двух вертикальных полостей в одном корпусе, расположенных под углом 90º друг к другу (у трубки круглого сечения). Отверстия положительной полости ("+") расположены встречно потоку, а отрицательной ("-") – перпендикулярно потоку. Благодаря большему количеству точек "отбора" значений скорости потока точность измерения расхода существенно возрастает, вплоть до приемлемой в коммерческих узлах учета. В остальном принцип измерения расхода трубкой Пито-Прандтля и трубкой Annubar ни чем не отличается.
Поперечное сечение измерительной части трубки аннубар может иметь различную форму: круглую, ромбовидную или даже Т-образную, со встроенным датчиком температуры. Как правило, все ухищрения с формой измерительной части сводятся к одному – попытке повысить точность измерения. Потери давления на измерительной части трубки аннубар выше, чем на трубке Пито-Прандтля, но существенно меньше, чем, например, на измерительных диафрагмах, которые все же чаще всего применяют для измерения расхода в трубопроводах большого диаметра.
В случае если измерительного диапазона одной трубки Annubar не достаточно для покрытия всего измерительного диапазона, то дополнительно может быть установлена еще одна трубка (или даже несколько) и подключена к своему датчику перепада. Если скорость потока в трубопроводе велика то трубку Annubar рекомендуется устанавливать на подпятник, который будет препятствовать деформации трубки набегающим потоком.
Соединение трубки Пито-Прандтля и трубки Annubar с датчиками перепада осуществляется импульсными линиями. Для уменьшения погрешности измерения (которая может быть связана, например, с наличием утечек и потерей давления в импульсных линиях) длина этих линий должна быть как можно короче. Целесообразнее и вовсе отказаться от их применения и использовать интегрированное решение, при котором датчик перепада через вентильный блок устанавливается на трубку Annubar.
При монтаже осредняющей трубки Annubar следует строго соблюдать рекомендации завода изготовителя по углам и месту установки. Отверстие в трубопроводе под установку трубки рекомендуется просверливать сверлом, а не прожигать сварочным аппаратом или горелкой. Поверка метрологических характеристик у большинства трубок Пито производиться в малогабаритных аэродинамических установках. Поверка трубок Annubar выполняется аналогично или, в некоторых случаях, сводиться к проверке отсутствия повреждений и загрязнений измерительной части и линейно-угловым измерениям (проверке геометрических размеров).