книги / Расходомеры и счетчики количества веществ. Расходомеры обтекания, силовые, тепловые, оптические, ионизационные, ядерно-магнитные, концентрационные, меточные, корреляционные, вихре

вертикальной оси на 0,5° с частотой 10 Гц. Преобразователь на расход Qmax = 27 т/ч имел трубку из коррозионно-стойкой стали

кольца с частотой 12 Гц вокруг вертикальной оси.

В более новой конструкции зарубежного вибрационно-гиро­ скопического расходомера его преобразователь расхода (рис. 31) состоит из U-образной трубки 3, укрепленной в основании i, че­ рез которую протекает жидкость, и из Т-образной листовой пру­ жины 2 с раздвоенным концом типа камертона. Для приведения U-образной трубки 3 в непрерывные колебания вокруг оси х —х служит силовая катушка 4, помещенная на конце пружины 2,

61

мент, приводящий в непрерывные колебания U-образную трубку вокруг оси у—у. С помощью оптических устройств 5 и 7 измеря­ ется время т перемещения при колебательном движении вокруг оси у—у колен U-образной трубки, пропорциональное углу пово­ рота 0 вокруг этой оси, а следовательно, и расходу QMв соответ­ ствии с уравнением QM= cLx/вг2, где с — жесткость U-образной трубки. Были испытаны на воде три преобразователя с U-образ­ ной трубкой. Преобразователь с d = 3 мм испытывался на рас­ ходах от 57 до 7300 г/мин, с d = 6 мм — на расходах от 0,45 до 22,7 кг/мин, с d = 25 мм — на расходах от 4,5 до 245 кг/мин. В большей части указанных диапазонов погрешность не превы­ шает ±0,5 % . Заметим, что частота колебаний трубки зависит от плотности измеряемого вещества.

2.6.СРАВНЕНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ СИЛОВЫХ РАСХОДОМЕРОВ

Для измерения расхода однофазных веществ (жидкости или газа) в большинстве случаев наиболее целесообразны турбосиловые расходомеры (особенно при измерении больших расходов). Гироскопические расходомеры пригодны лишь для измерения малых расходов в трубах, имеющих диаметр менее 50 мм. Кори­ олисовы расходомеры занимают промежуточное положение.

Преобразователи турбосиловых и кориолисовых расходомеров, не имеющие электропривода, проще, компактнее и надежнее в работе. Но угловая скорость вращения их зависит от расхода, измерительная схема сложнее и чаще приходится применять из­ мерительные пружины. При этом точность измерения будет за­ висеть от совершенства упругих свойств пружин, влияния темпе­ ратуры на эти свойства и возможности их изменения во времени и при изменении частоты их вращения из-за отсутствия или не­ совершенства динамической балансировки.

Преобразователи с внешним электроприводом сложны и нера­ циональны. Электропривод лучше иметь внутри преобразовате­ ля, когда их роторы совмещены друг с другом, а статор отделен диамагнитной втулкой. Относительно просты расходомеры с элек­ троприводом, у которых расход определяется измерением мощ­ ности, питающей электродвигатель. Но у них шкала с подавлен­ ным нулем (мощность при нулевом расходе), а пропорциональ­ ность между мощностью или силой питающего тока и расходом сохраняется лишь в определенных пределах.

Если вязкость измеряемого вещества может существенно изменяться, надо применять двухроторные турбосиловые или кориолисовы расходомеры с компенсацией вязкости. При этом роторы и зазоры у них должны быть совершенно одинаковы, равно как и характеристики электродвигателей, вращающих роторы.

62

Предпочтительно применение силовых расходомеров для из­ мерения расхода двухфазных сред, в частности нефтегазовых по­ токов. Но при этом возникает опасность расслоения фаз при вра­ щении подвижного элемента преобразователя расхода, особенно в турбосиловых расходомерах. В меньшей степени это явление наблюдается в кориолисовых расходомерах, поэтому они нашли применение для измерения расхода нефтегазовых потоков, но не с вращающимся ротором, а с колеблющейся (вибрирующей) тру­ бой при небольшой частоте ее вибрации.

2.7. ПЕРЕПАДНО-СИЛОВЫЕ РАСХОДОМЕРЫ

Перепадно-силовые расходомеры существенно отличаются от ранее рассмотренных силовых расходомеров, создающих в преоб­ разователе расхода ускорение, пропорциональное массовому рас­ ходу QM. В них в результате внешнего силового давления создает­ ся перепад давления, также пропорциональный QM. Это наиболее существенное их достоинство по сравнению с расходомерами

ссужающими устройствами.

Вперепадно-силовых расходомерах в результате действия осо­ бых насосов или вращения подвижного элемента преобразовате­ ля абсолютная или относительная (по отношению к подвижному элементу) скорость v в одном месте потока увеличивается на Av i n . 15, 16], а в другом — уменьшается на Av и измеряется возни­ кающая при этом разность давлений (полных или статических).

На рис. 32 дана схема расходомера, где измеряется разность статических, а не полных давлений. В преобразователе расхода труба 1 разветвляется на две одинаковые параллельные ветви 2

и4, в которых установлены одинаковые сужающие устройства (например, трубы Вентури). Дифманометр 3 измеряет разность статических давлений в горловине той и другой трубы Вентури. Насос 5 непрерывно отбирает некоторое количество жидкости из ветви 2 и подает ее в ветвь 4у уменьшая среднюю ско­

рость в ветви 2 на Av и уве­ личивая ее на такую же ве­ личину в ветви 4. Очевидно, перепад давления в трубе Вен­ тури в первой ветви будет

63

Г л а в а 3

ТЕПЛОВЫЕ РАСХОДОМЕРЫ

3.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Тепловыми называются расходомеры, основанные на измере­ нии зависящего от расхода эффекта теплового воздействия на поток или тело, контактирующее с потоком. Они служат для измере­ ния расхода газа и реже для измерения расхода жидкости.

Существует много разновидностей тепловых расходомеров, различающихся способом нагрева, расположением нагревателя (снаружи или внутри трубопровода) и характером функциональ­ ной зависимости между расходом и измеряемым сигналом. Ос­ новной способ нагрева — электрический омический. Индуктив­ ный нагрев почти не применяется на практике. Кроме того, в не­ которых случаях находит применение нагрев с помощью элект­ ромагнитного поля и с помощью жидкостного теплоносителя. По характеру теплового взаимодействия с потоком тепловые расхо­ домеры подразделяются на калориметрические, термоконвектив­ ные и термоанемометрические. При электрическом омическом на­ греве у калориметрических расходомеров нагреватель расположен внутри, а у термоконвективных — снаружи трубы. Но в литера­ туре нередко называют калориметрическими также и некоторые расходомеры с наружным нагревом.

У калориметрических и термоконвективных расходомеров из­ меряется разность температур АТ газа или жидкости (при посто­ янной мощности W нагрева) или же мощность W (при АТ = const). У термоанемометров измеряется сопротивление R нагреваемого тела (при постоянной силе тока 0 или же сила тока i (при R = = const).

Раньше всех появились термоанемометрические приборы для измерения местных скоростей потоков, потом калориметричес­ кие расходомеры с внутренним нагревом, но они не получили заметного применения. Позднее стали разрабатываться термокон­ вективные расходомеры. Благодаря наружному расположению нагревателя они находят все более широкое применение в про­ мышленности. Термоконвективные расходомеры разделяются на квазикалориметрические и теплового пограничного слоя. В пер­ вых измеряется разность температур потока, или же мощность нагрева, во вторых — разность температур пограничного слоя или же соответствующая мощность нагрева. Они применяются для измерения расхода главным образом в трубах небольшого диаметра от 0,5-2,0 до 100 мм. Для измерения расхода в трубах большого диаметра находят применение особые разновидности термоконвективных расходомеров: парциальные с нагревателем на обводной трубе; с тепловым зондом; с наружным нагревом ограниченного участка трубы.

65

Калориметрические и термоконвективные расходомеры изме­ ряют массовый расход при условии неизменности теплоемкости измеряемого вещества, что является их достоинством. Другое достоинство термоконвективных расходомеров — отсутствие кон­ такта с измеряемым веществом. Недостаток тех и других — боль­ шая инерционность. Для улучшения быстродействия применяют корректирующие схемы, а также импульсный нагрев. В отличие от остальных тепловых расходомеров термоанемометры весьма малоинерционны, но они служат преимущественно для измере­ ния местных скоростей, хотя и имеются конструкции термоанемометрических расходомеров. Приведенная погрешность термоконвек­ тивных расходомеров обычно лежит в пределах ± (1,5 + 3) % . У ка­ лориметрических расходомеров она меньше и равна ± (0,3 1) %.

Значительно реже применяются тепловые расходомеры с на­ гревом электромагнитным полем или жидкостным теплоносите­ лем. Достоинство первых — сравнительно малая инерционность. Электромагнитное поле создается у них с помощью излучателей энергии высокой частоты, сверхвысокой частоты или инфракрас­ ного диапазона. Они предназначены в основном для электроли­ тов и диэлектриков, а также селективно-серых агрессивных жид­ костей. Расходомеры с жидкостным теплоносителем нашли при­ менение в промышленности при измерении расхода пульп, их иногда применяют и при измерении расхода газожидкостных по­ токов.

Температурный предел применения термоконвективных рас­ ходомеров обычно не превосходит 150-200 °С и в редких случаях достигает 250 °С. При нагреве электромагнитным полем или жид­ костным теплоносителем этот предел повышается до 450 °С.

Особая разновидность тепловых — меточные расходомеры, в которых измеряется время перемещения тепловой метки на оп­ ределенном участке пути (см. гл. 8).

3.2. КАЛОРИМЕТРИЧЕСКИЕ РАСХОДОМЕРЫ

Калориметрические расходомеры основаны на зависимости от мощности нагрева среднемассовой разности температур пото­ ка. Калориметрический расходомер состоит из нагревателя 3 (рис. 33, а), расположенного внутри трубопровода, и двух термо­ преобразователей 1 и 2 для измерения температур до Т1 и после Т2 нагревателя. Термопреобразователи располагаются обычно на равных расстояниях (^ = /2) от нагревателя. Распределение тем­ ператур по обе стороны от источника нагрева будет зависеть от расхода вещества. При отсутствии расхода QM= 0 температурное поле симметрично, как это видно из кривой I на рис. 33, б. При появлении расхода эта симметрия нарушаетсяПри малых ско­ ростях потока Т1 падает вследствие притока холодного вещества сильнее, чем температура Т2, которая при малых скоростях мо-

66

AT = T2 - T t

Рис. 33. Калориметрический расходомер: а — принципиальная схема; б — распре­ деление температур; в — зависимость ДТ от расхода QMпри W ~ const

жет даже возрастать (кривая II). В результате вначале с ростом расхода растет разность температур ДТ = Т2 - Тг (рис. 33, в). Но при достаточном увеличении расхода QMтемпература станет постоянной, равной температуре притекающего вещества, в то время как Т2 будет падать (кривая III). При этом разность темпе­ ратур ДТ будет уменьшаться с увеличением расхода QM, как вид­ но из рис. 33, в. Рост ДТ при малых значениях QMпочти пропор­ ционален расходу. Затем этот рост замедляется и после достиже­ ния максимума кривой начинается падение ДТ по гиперболичес­ кому закону. На рис. 34 приведены полученные экспериментально при измерении очень малых расходов воды кривые зависимос­ ти ДТ от расхода QM[46]. С увеличением мощности нагрева W максимум кривых возрастает. Кроме того, расположение термо­ преобразователей также влияет на градуировочные кривые. Про­ порциональность между ДТ и QMнаблюдалась лишь до скорости 0,2 м /с. При измерении расхода воздуха линейная лт мкВ зависимость сохранялась до скорости 0,5 м/с. Но малые скорости встреча­ ются преимущественно в трубах малого диамет-

Рис. 34. Разность температур ДТ (в мкВ ТЭДС) в зависимости от расхода воды (расход 10 мл/ч со­ ответствует скорости 0,346 мм/с), силы тока в нагревателе и мест расположения термопреобразова­

телей:

----- — для ближней термобатареи;

------ — для дальней термобатареи

67

же завихритель, расположенный до нагревателя, позволит уст­ ранить его теплообмен с термопреобразователем, служащим для из­ мерения Т у Применение завихрителей сопряжено с увеличением потери давления, но в случае применения калориметрического рас­ ходомера в качестве образцового прибора это не имеет значения.

Если прибор предназначен для измерения больших расходов, то разность температур ДТ при Qmax ограничивают 1-3° во избе­ жание большого расхода мощности W. Так, для расхода воз­ духа QM= 1000 кг/ч при ДГ = 2 °С и ср = 1,01 •103 Дж (кг - К) мощность W уже равна 560 Вт. Так как теплоемкость у жидко­ стей много больше, чем у газов, то калориметрические расходо­ меры находят применение лишь для измерения очень малых рас­ ходов жидкостей, и прибор работает на начальной восходящей ветви кривой. Основное назначение этих приборов — измерение расхода газа.

Первая разработка подобного прибора была выполнена Тома­ сом. Для равномерности нагрева потока нагреватель состоял из двух проволочных конусов, сложенных основаниями. Для изме­ рения Tj и Т2 были применены терморезисторы в виде круглых сит, перекрывающих внутреннее сечение трубопровода. Прибор работал по схеме ДТ = const. С помощью регулируемого сопротив­ ления, изменявшего силу тока в нагревателе, электрический мост, в плечи которого включены оба терморезистора, автоматически уравновешивался при заданной разности ДТ. В другом приборе, предназначенном для измерения расхода воздуха в трубе диамет­ ром 300 мм, нагреватель был изготовлен из нихромовой проволо­ ки d = 4 мм и длиной 25 м, свитой в спираль. Мощность нагрева 10 кВт. Разность температур ДТ = 3 °С при Qmax = 6500 м3/ч. Терморезисторы пересекали сечение трубопровода в виде зигзаго­ образной медной проволоки.

Калориметрические расходомеры с внутренним нагревом не получили распространения в промышленности из-за малой на­ дежности работы в эксплуатационных условиях нагревателей и термопреобразователей, располагаемых внутри трубопровода. Они более пригодны для различных исследовательских и эксперимен­ тальных работ. Кроме того, целесообразно применять их в каче­ стве образцовых приборов для поверки и градуировки других расходомеров. При этом особенно ценным является то, что они измеряют массовый расход, а сами могут быть проградуированы путем измерения мощности W и разности температур ДТ. Оцени­ вая погрешность измерения W значениями ±(0,1-5-0,15)%, а из­ мерения ДТ — значениями ±(0,1 •* 0,2) % , можно в случае попра­ вочного коэффициента k = 1 обеспечить измерение расхода с от­ носительной приведенной погрешностью ±(0,3 -г- 0,5) % . При не­ обходимости потери тепла в окружающую среду можно оценить с помощью тепломера, измеряющего тепловой поток через стенку.

69

3.3. ТЕРМОКОНВЕКТИВНЫЕ РАСХОДОМЕРЫ

Общая характеристика. Термоконвективными называются теп­ ловые расходомеры, у которых ни нагреватель, ни термопреобра­ зователь не вводятся внутрь трубопровода, а располагаются сна­ ружи. Это существенно повышает эксплуатационную надежность расходомеров и делает их удобными для применения. Передача тепла от нагревателя к измеряемому веществу осуществляется через стенку трубы за счет конвекции. Имеется несколько раз­ новидностей термоконвективных расходомеров, которые можно объединить в следующие группы:

1) квазикалориметрические расходомеры:

а) с симметричным расположением термопреобразователей; б) с нагревателем, совмещенным с термопреобразователем; в) с нагревом непосредственно стенки трубы; г) с асимметричным расположением термопреобразователей;

2)расходомеры, измеряющие разность температуры погранич­ ного слоя;

3)расходомеры особых разновидностей для труб большого диа­ метра.

Уприборов 1-й группы градуировочные характеристики, как

иу калориметрических расходомеров (см. рис. 33 и 35), имеют две ветви: восходящую и нисходящую, а у приборов 2-й группы — только одну, так как у них преобразователь начальной темпера­ туры Т изолирован от нагревательного участка трубы. Кроме того, квазикалориметрические расходомеры применяются преимуще­ ственно для труб малого диаметра, начиная от 0,5-1,0 мм и выше.

Чем больше диаметр трубы, тем в меньшей степени прогрева­ ется центральная часть потока, и прибор все в большей мере из­ меряет лишь разность температур пограничного слоя, которая зависит от его коэффициента теплоотдачи, а значит, и от скорос­ ти потока. При малых диаметрах прогревается весь поток и здесь так же, как и в калориметрических расходомерах, измеряется разность температур потока с той и другой стороны нагревателя. Но уравнение (26), в котором поправочный коэффициент k бли­ зок к единице, здесь не применимо, так как значительная часть тепла, выделяемого нагревателем, распространяется вдоль стен­ ки трубы, а не передается потоку.

Основы теории термоконвективных квазикалориметрических расходомеров. При конструировании теплового расходомера с на­ ружным расположением нагревателя важно правильно выбрать длину нагревателя и расположение термопреобразователей отно­ сительно него. Это можно сделать исходя из анализа процесса теплообмена между нагреваемой трубкой и газом или жидкостью, движущимися внутри нее. Примем допущение, что температура нагревателя постоянна по его длине и не зависит от расхода газа [5]. Тогда температурное поле преобразователя при расходе QM> О

иего отсутствии QM= 0 будет иметь вид, показанный на рис. 36.

70