книги / Расходомеры и счетчики количества веществ. Расходомеры обтекания, силовые, тепловые, оптические, ионизационные, ядерно-магнитные, концентрационные, меточные, корреляционные, вихре
.pdfна лопасти. Но при углах поворота, больших чем 60-65°, и при измерении расхода газа амплитуда вибраций может резко возра сти. У жидкостей (благодаря их большей вязкости) этого не на блюдается даже при углах поворота 80-85°. В связи с этим для газов угол поворота не должен превосходить 60°, а для жидко стей — 80° (тем более, что затем наступает резкое падение чув ствительности расходомера). В работе [13] указывается, что нача ло колебаний тела обтекания возникает при числах Re = 800 1500 и достигает частоты 50 Гц при Qmax и силе гидродинамического давления 5-15 Н. Там же рекомендуется для уменьшения вязко го трения заострять все кромки поворотного диска или другого вида лопасти до 0,2-0,5 мм. При измерении расхода нефти, со держащей смолистые вещества, грязь и парафин, небольшие виб рации лопасти необходимы для ее самоочистки. В этом случае нижний предел измерения надо согласовать с началом возникно вения вибраций.
Для борьбы с вибрациями большой амплитуды, затрудняющи ми измерение расхода, надо в лопасти сделать ряд отверстий для выравнивания давления на ее тыльной стороне. Если лопасть имеет прямоугольную форму, то в ней делают несколько узких парал лельных щелей или небольших отверстий. В лопасти, изготов ленной в виде диска, рекомендуется делать ряд трапецеидальных отверстий [13], расположенных концентрически, а наружный ди аметр диска принимать равным 0,75П, где D — диаметр трубо провода. Это благоприятно еще и потому, что при этом постоян ство коэффициента сопротивления обтекаемого тела наступает при значительно меньших числах Re.
Расходомеры с поворотной лопастью, имеющей грузовое уравновешивание
Эти расходомеры устанавливают только в горизонтальном тру бопроводе. На рис. 14 схематически показана лопасть площадью /л, повернувшаяся вокруг оси вращения на угол а под действием гидродинамического давления потока R
R = Флри2/л cos а / 2 = ФлрФо4 cos ос/2F,
где QQ — объемный расход; F — площадь трубопровода.
При а = 0 сила R приложена в центре О площади лопасти, но с возрастанием угла а точка приложения силы R начина ет сдвигаться к оси подвеса. Согласно работе [7], расстояние /а = / (1 - 3,8 •10~3а), где а измеряется в градусах. Момент Мд, приложенный к лопасти, равен произ
Рис. 14. Схема расходомера с поворотной лопастью
31
ведению плеча на проекцию силы R на нормаль к плоскости ло пасти, т. е.
М „ = R cos aL. |
(15) |
|
А |
о |
|
Противодействующий момент М пр создается весом лопасти Gn и в общем случае еще и весом дополнительного груза Gr, которые приложены на расстояниях 1Ли 1Гот оси вращения, т. е.
м пр = (с л*л + Grlr) Sin а.
Из равенства моментов М д и М пр находим, что
<2^ = ky]ig a /co s а, |
(16) |
где |
|
k = F[2(Gnln + Grlr)/4> M |
f b . |
Ha рис. 15 пунктиром изображена кривая 1, построенная по уравнению (16) в предположении к = const, и три эксперименталь ные кривые, полученные Гудритом в Киевском институте газа на трубе диаметром 123 мм. Кривая 2 получена на газе при прямо угольной площади лопасти (/л = 15,6 % F) [4]. Она довольно близ ко совпадает с кривой 1. Кривая 3 получена на газе, а кривая 4 на воде при значительной площади лопасти (/л = 67,4 % F). Оче видно, при больших отношениях fn/F коэффициент сопротивле ния лопасти <рл и плечо /а более существенно зависят от угла по ворота а. Так, согласно работе [7] при /л = 71 % F коэффициент срл изменяется в 8-10 раз при возрастании а от О до 60°. В связи с этим кривые 3 и 4 не так хорошо, как кривая 2, совпадают с теоретической кривой 1. Далее из рис. 15 следует, что с увели чением отношения fn/F диапазон измерения возрастает. Если считать Qmin при угле а = 5°, то для газа при /л = 15,6 % имеем
Рис. 15. Зависимость между рас ходом и углом поворота лопас ти с грузовым противодействием
Qmax/Qmin = 7, а при fJ F = 67,4 % име ем Qmax/Q min= 14. Для воды же благодаря увеличению ctmax до 75-80° этот диапазон достигает даже 20 и более. Но с увеличением fJ F диапазон изме рения смещается в сторону меньших расходов. Так, при f =:
= 85 м3/ч, a Qmax = 601,4 Md/4, в то время как при f = 67,4% (кривая 3)
®min=23-2 м / ч ’ а Qmax= 324-5 ™3/4 -
Смещения диапазона измерения в сто рону больших расходов можно достичь также, увеличивая вес лопасти Gn или груза Gr, что следует из уравнения (16).
Несколько конструкций расходоме ров с поворотной лопастью и грузовым
32
уравновешиванием разработано в Киевском институте газа [014]. Один из них типа ДРО-Ю предназначен для измерения расхода газа до 250 м3/ч при давлении до 5 МПа, подаваемого в подзем ное газохранилище и выдаваемого из него, т. е. при двусторон нем действии газохранилища. В трубе диаметром 100 мм уста новлена лопасть в виде полукруга. С помощью магнитной муфты угол поворота оси лопасти передается сельсину, расположенному снаружи трубопровода. Диапазон измерений 1 0 :1 . Предельная погрешность ±2 % .
Исследованием и разработкой расходомеров с поворотной лопастью занимались также в Одесском политехническом ин ституте [5, 7]. При этом было обнаружено, что если сделать в центре тяжести лопасти отверстие, площадь которого состав ляет 15-20 % от площади лопасти, то уменьшаются вибра ции и градуировочная характеристика становится более ли нейной.
Простота устройства расходомеров с поворотной лопастью поз воляет создавать их даже самими потребителями и применять в различных практических случаях, в частности для измерения расхода сточных вод, содержащих крупные механические примеси [1].
Расходомеры с поворотной лопастью нередко применяют в ка честве сигнализаторов или индикаторов расхода. Таким является прибор типа РПВ-2 завода «Киевприбор», имеющий поворотную лопасть квадратной формы (100 х 100 мм) и работающий при не большом избыточном давлении 100 мм вод. ст. (1000 Па). Он служит для замыкания сигнальной цепи при достижении задан ной скорости воздуха (в пределах 4-10 м /с) посредством поворо та рычага ртутного выключателя.
Расходомеры с поворотной лопастью, имеющей пружинное уравновешивание
Эти расходомеры могут устанавливаться как на горизонталь ных, так и на вертикальных трубопроводах. У них поворотная лопасть либо укреплена на конце торсионной трубки, создающей при своей закрутке противодействующий момент М пр, либо свя зана с винтовой, спиральной или другого рода противодействую щей пружиной.
Момент М д действует со стороны потока на лопасть и опреде ляется уравнением (15), а момент М п противодействует ему. В общем случае, когда лопасть установлена на горизонтальной трубе и к моменту М пр, создаваемому пружиной, присоединяется еще момент от веса (7Ллопасти, момент
Мп —GJJ/JJsin ct + МПр.
33
Из равенства моментов М д и М п получим
Qo = F [2 (Ол1л tg а / cos а + Мпр / cos2 а)/(Флр У а ]° .
В большинстве случаев моментом от веса лопасти можно пре
небречь, тогда имеем |
|
Qo = т(М пр /co s2 а)0,5, |
(17) |
где m = f (2/флрМ )0’5.
Как правило, М пр = са, где с — жесткость пружины на закру
чивание; тогда |
|
= m(ca/cos2 a)0,5. |
(18) |
Если усложнить зависимость между моментом М пр, создавае мым пружиной, и углом а, то можно приблизиться к получению линейной зависимости между расходом Q0 и углом а. Так, в об щем случае для этого надо между М пр и а иметь зависимость
М пр = Ь ф лк0 -2 c o s 2 a >
где k = const.
В работе [17] реализован другой сравнительно простой спо соб линеаризации шкалы прибора. Для этого к поводку длиной 8,3 см, сидящему жестко на оси поворотной лопасти, прикрепля ется винтовая пружина с первоначальным натягом 8 Н и длиной 10 см, имеющая жесткость с = 10 Н/см. Подобное устройство при менено в приборе, разработанном Донецким политехническим институтом, для измерения в трубах диаметром 100 мм расхода (80 м3/ч) загрязненной воды в шахтах. Поворотная лопасть — диск диаметром 50 мм и толщиной 2 мм. Полный угол поворота 70°.
На рис. 16, а показана схема прибора ДР-21 для измерения расхода нефти и нефтепродуктов в трубах диаметром 100 мм [13]. Поворотная лопасть в виде перфорированного диска 5, имеющего
а)
Рис. 16. Схема расходомеров с поворотной лопастью: а — пружинным противо действием; б — с пневматической компенсацией
34
диаметр, составляющий 0,75 от диаметра трубопровода, укрепле на на оси 3, жестко связанной с концами двух торсионов 2 и 4, которые предварительно закручены в противоположные стороны на некоторый угол для температурной и гистерезисной компенса ции. Центральный стержень 6 вызывает при закрутке торсиона 2 поворот ротора 1 дистанционной передачи показаний. Для пово ротных лопастей, связанных с торсионами, характерен очень ма лый угол поворота, обычно находящийся в пределах 1°. После 5000 ч работы не наблюдалось оседания парафина и механичес ких примесей на поворотном диске. Погрешность измерения на нефти ±2,5 % , на однородной жидкости ±1 % . Поворотный диск с небольшим отверстием в середине, укрепленный на конце тор сионной трубки, был применен также в приборе для измерения в трубе диаметром 20 мм расхода воды и пароводяных эмульсий при температуре до 350 °С.
Оригинальная поворотная лопасть в виде диска, плоскость ко торого параллельна оси трубы, была применена в приборе для измерения расхода глинистого раствора.
В Одесском политехническом институте для труб большого диаметра (> 200 мм) разработан расходомер, поворотная лопасть которого выполнена в виде стержня, имеющего круглое, квадрат ное или треугольное сечение. Диаметр стержня d не более 0,06D, где D — диаметр трубопровода. Подобный стержень создает очень малое гидравлическое сопротивление. Полный ход противодей ствующей пружины и связанного с ним сердечника индуктивной катушки не более 3 мм. Имеется вариант с противодействующей плоской пружиной, снабженной тензопреобразователем.
Особую группу приборов представляют расходомеры, у кото рых верхний конец лопасти жестко закреплен. Такая лопасть под действием динамического давления потока не поворачивается, а работает на изгиб. При этом противодействующий момент обра зуется силами упругости лопасти. Так, в Канаде для измерения расхода жидкости в тепловых сетях разработан расходомер обте кания [20], преобразователь которого состоит из работающей на изгиб тонкой стальной пластинки (толщиной 0,05-0,1 мм); один конец пластинки закреплен в стенке трубопровода. Тензорезистор, укрепленный на пластинке, преобразует механическое на пряжение у ее закрепленного конца в выходной сигнал. Приве денная погрешность не превышает ±1 % .
Компенсационные расходомеры с поворотной лопастью
На рис. 16, б приведена схема прибора ДРП-1, разработанного в Воронежском филиале ОКБ автоматики. Лопасть 1 дисковой формы укреплена на конце силового рычага 5, уплотненного силь фоном 2. При повороте рычага 5 против часовой стрелки вокруг
35
упругой опоры 3 заслонка 6 приближается к соплу 7. Давление воздуха между дросселем 8 и соплом 7 возрастает и, проходя через пневмоусилитель 9, воздействует на сильфон 10 обратной связи. Это усилие через рычаг 11 и тягу 4 создает на силовом рычаге 5 уравновешивающий момент. При этом лопасть 1 прак тически не меняет своего положения. Давление воздуха р в силь фоне — выходной сигнал прибора, соответствующий формуле
Q = k (fcl4l2/l1l3)°-5p0-5,
где k - F -v/2 / yjqtpfn ; fc — эффективная площадь сильфона. Диск 1 устанавливается в вертикальных трубах диаметром
100 мм при направлении потока снизу вверх. Допустимы: давле ние до 1 МПа, температура до 100 °С; погрешность ±1 % . Диапа зон как измеряемых веществ, так и расходов весьма значителен. Возможно измерение расхода жидкостей с плотностью от 600 до 1200 кг/м3 и газов с плотностью от 0,6 до 1,8 кг/м3, при вязкос ти от 1,5 * 10~4 до 50 - 10~4 Па •с. При перемещении тяги 4, изме няющей соотношение плеч 12 и Z3, а также при смене лопастных дисков, имеющих диаметры 75, 87, 96 и 98 мм, максимальные расходы могут быть: 0,08; 0,16; 0,25; 0,32; 0,4; 0,63; 1; 1,6; 2,5: 4; 6,3; 10 и 16 м3/ч для воды и 10; 16; 25; 40; 63; 100 и 160 ьг/ч для воздуха. Испытания двух расходомеров ДРП-1 во ВНИИМ подтвердили их хорошие метрологические характеристики. Сред няя квадратическая погрешность не превысила 0,5 % .
Расходомеры с поворотной лопастью и пневматической ком пенсацией с успехом применяются для измерения расхода жид костей, особые свойства которых затрудняют применение других приборов. Они применяются для измерения расхода отработан ной серной кислоты; суспензий, имеющих высокую концентра цию твердой фазы [11]; водного раствора карбамида, который может кристаллизоваться [15], и во многих других случаях. По добные приборы нередко создаются эксплуатационниками на базе имеющихся пневмопреобразователей (например, дифманометра ДМПК-100 или другого типа). Поворотная лопасть выполняется обычно в виде диска, связанного с силовым рычагом пневмопре образователя.
Известны расходомеры с поворотной лопастью и электромаг нитной силовой компенсацией [34]. Поворот диска, воспринима ющего динамическое давление потока, преобразуется дифферен циально-трансформаторной системой в сигнал, который управля ет силой тока в обмотке электромагнита. Последний расположен снаружи трубы и создает силовую компенсацию на конце двупле чего рычага, с другим концом которого связан диск. Сила тока в электромагните, возвращающая диск в исходное положение, пропорциональна расходу жидкости. В другом более компактном варианте электромагнитное компенсирующее устройство распо ложено внутри трубы сзади диска.
36
1.5. ПАРЦИАЛЬНЫЕ РАСХОДОМЕРЫ ПОСТОЯННОГО ПЕРЕПАДА ДАВЛЕНИЯ
При измерении парциального расхода q ротаметром или дру гим расходомером постоянного перепада давления не будет про порциональности между расходами Q и q. Действительно, в этом случае зависимость между расходом q и перепадом давления на концах обводной трубки будет иметь вид
Ар = kx + ksq2у
где ftj — перепад давления на поплавке ротаметра, не зависящий от расхода; &3 — коэффициент, учитывающий сопротивление всех остальных частей трубки. Решая это уравнение, получим Q = q +
+К*з/*)§2 + *1 /ЧГ0, »ПРИ Q » q имеемQ = [(ks/k) q2 + fcj/fc]”0,5, или (k/kt) Qr - (k^/k^) q2 = 1. Зависимость между Q и qy носящая ха рактер гиперболы, изображена на рис. 17, а, а зависимости диа пазона измерения — на рис. 17, б. Наименьший расход Qmin (рис. 17, а), измеряемый таким расходомером, соответствует точ ке 1 пересечения гиперболы с осью абсцисс Q = (fe^/fe)”0,5. Обо значая Артах — падение давления в обводной трубке при 9тах, найдем (при Q » q), что Qmax = (&PmecK/k)” . Тогда диапазон из мерения расходомера определится уравнением Qmax/Q mill =
37
= (APmax/ ^ Г 0,5* Если все сопротивление обводной трубки опреде ляется сопротивлением ротаметра, то при тяжелых поплавках отношение Apmax/&i = 3 * 6. Применяя подобные ротаметры в ка честве парциальных расходомеров, получим диапазон измерения
Qmax/^min = ^ * 2,5. Этот диапазон будет возрастать при умень шении kv т. е. при переходе к более легким поплавкам и при увеличении АРтах или, что то же, &3, путем установки в обводной трубке дополнительного сопротивления, например диафрагмы. Первое будет приближать точку 1 к началу координат и, следова тельно, уменьшать Qmin. Второе будет снижать наклон асимпто ты Оа и удалять точку 2, т. е. будет увеличивать QmaxЕсли отно
шение Артах/Л = 100, то диапазон измерения Qmax/Q min возРастет до 10. Положение точки 1 на рис. 17, а зависит также от значе ния kv т. е. от диаметра сужающего устройства в основном тру бопроводе. Но изменение k не вызовет возрастания диапазона из мерения, так как при уменьшении к будут в одинаковой мере снижаться значения Qmin и Qmax, при которых будут достигаться соответствующие перепады Артах и Apmin на обводной трубке. Зона измеряемых расходов будет при изменении к сдвигаться в ту или другую сторону (рис. 17, в). В заключение заметим, что загрязне ние обводной трубки вызовет увеличение к3 и снижение угла на клона асимптоты 0а, т. е. нарушение градуировочной кривой.
Г л а в а 2
СИЛОВЫЕ РАСХОДОМЕРЫ
2.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
Силовыми называются расходомеры, в которых с помощью силового воздействия, зависящего от массового расхода, потоку сообщается ускорение того или другого рода, и измеряется ка кой-либо параметр, характеризующий степень этого воздействия или его эффекта.
Ускорение потока возникает в процессе изменения его перво начального движения. В зависимости от характера этого измене ния и сообщаемого при этом ускорения силовые расходомеры разделяются на: 1) кориолисовые; 2) гироскопические; 3) турбосиловые.
Силовое воздействие может быть внешним и внутренним. Внеш нее воздействие сообщается обычно от электродвигателя, кото рый вращает (или колеблет) один из элементов преобразователя расхода, например прямолопастную крыльчатку, закручивающую проходящий через нее поток. Внутреннее воздействие осуществ ляется за счет снижения потенциальной энергии потока, напри мер, при его закручивании неподвижными винтовыми лопатками.
Дополнительное ускорение, сообщаемое потоку в силовых рас ходомерах, пропорционально массовому расходу. Соответственно пропорционален массовому расходу и измеряемый параметр, ха рактеризующий степень силового воздействия, — например мощ ность, затрачиваемая на закручивание потока, угол закрутки про тиводействующей пружины и т. п. Поэтому силовые расходоме ры как типичные представители приборов, измеряющих массо вый расход, нередко назывались ранее массовыми расходомерами.
Измерение массового расхода — основное и весьма существен ное их достоинство. Кроме того, они пригодны для измерения среднего значения пульсирующих расходов, а их показания срав нительно мало зависят от профиля скорости, благодаря чему не требуется значительных прямых участков после большинства местных сопротивлений, за исключением двойного колена, со здающего винтовое движение потока. Недостаток силовых расхо домеров — сложность конструкции их преобразователей расхода и большое число вращающихся элементов внутри трубопровода.
Первые сведения о силовых расходомерах были опубликованы за рубежом в 1953-1954 гг. [13, 14]. Затем было разработано много различных конструкций этих приборов, различающихся видом ускорения, сообщаемого потоку, источником силового воз действия, родом измеряемого параметра и т. п. Особенно боль шой вклад в разработку турбосиловых и кориолисовых расходо меров сделан у нас сотрудниками Института автоматики и теле
39
механики (ИАТ) [4-6]. У турбосиловых расходомеров один из элементов (ротор, крыльчатка) должен непрерывно вращаться. У кориолисовых же и гироскопических в некоторых случаях ог раничиваются лишь непрерывными колебаниями подвижного эле мента вокруг оси. Подобные расходомеры получили название вибрационных.
Приведенная погрешность силовых расходомеров ±0,5-3,0 % . Большинство из них предназначено для измерения расхода жид ких видов топлива, имеются конструкции и для измерения рас хода газа. На практике применяются редко. Особую группу сило вых расходомеров образуют перепадно-силовые расходомеры, в которых в результате внешнего силового воздействия создается разность давлений в отдельных местах потока, пропорциональ ная массовому расходу [1, 11, 16].
2.2. ТУРБОСИЛОВЫЕ РАСХОДОМЕРЫ
Принцип действия и общая характеристика. Турбосиловыми называют силовые расходомеры, в преобразователе которых в ре зультате силового воздействия, пропорционального массовому рас ходу, поток закручивается.
На рис. 18 показана принципиальная схема такого расходоме ра при внешнем силовом воздействии. Внутри трубопровода 2 ус тановлен ротор 3 с малым радиальным зазором, имеющий кана лы для прохода жидкости, разделенные перегородками, парал лельными его оси, или же выполненный в виде прямолопастной крыльчатки. Ротор вращается от электродвигателя 1 с угловой скоростью о и закручивает жидкость, которая приобретает вин товое движение, показанное стрелками. Далее жидкость поступа ет на ротор 5, закрепленный на пружине 6, и закручивает послед нюю на угол <р, пропорциональный массовому расходу. Непо движный диск 4 уменьшает вязкостную связь между роторами.
Главный момент количества движения жидкости 1Х относи тельно оси вращения роторов определяется выражением
ix = j x<*,
Рис. 18. Принципиальная схема турбосилового расходомера
40