книги / Расходомеры и счетчики количества веществ. Расходомеры переменного перепада давления, расходомеры переменного уровня, тахометрические расходомеры и счетчики

для диафрагм m2 =m 1( l - 5 2) / ( l + lf27m2)100;

для сопелтп2 =m 1( l - 5 a) / ( l + m2)100.

Полученное значение m2 и будет окончательным в подавляю­ щем большинстве случаев.

Аналогичным путем можно учесть и изменения е, происходя­ щие вместе с изменением т , но они обычно ничтожно малы за пределами погрешности в 0,2 % .

По окончательному значению m2 находим диаметр отверстия

где kt и k't — коэффициенты линейного расширения материала СУ и трубопровода соответственно.

Для проверки расчета значений a, е, kt, d2o> Р и Др подставляем в правые части формул расхода. Если полученный расход отли­ чается от заданного не более чем на 0,2 % , то расчет правиль­ ный.

Для диафрагм с угловым отбором расчет можно сильно упро­ стить, если воспользоваться таблицей зависимости а от произве­ дения т а (для ряда значений т 2 и Re), приведенной ниже. Для d > 125 мм, когда km — очень мало, это значение а и будет окон­ чательным для жидкости. Относительную площадь диафрагмы находим по формуле m = m a/a, а ее диаметр — по формуле (80). Для газа и пара после получения m уточняем значение е и по нему — значение т а . Затем по таблице находим уточненные значения a i, m1 = (m a)i/ai и d20-

Если же d < 125 мм, то надо дополнительно определить попра­ вочные множители на шероховатость трубопровода К ш и при­ тупление входной кромки диафрагмы Ки и внести поправку в полученное значение a

a —аиКшКи.

Значение а будет окончательным.

Для труб Вентури нет необходимости при определении d на­ ходить произведение т а , потому что у них коэффициент истече­ ния С в определенной области чисел Re постоянный, не завися­ щий от т , а значит и от d. Тогда искомый диаметр d находится непосредственно из формулы расхода для жидкостей (е = 1). Ре­

Для газа и пара исходя из полученного для жидкости значе­ ния d находим т = d2 / D2 и по нему, имея отношение Др / pi, определяем коэффициент е, после чего определяем диаметр гор­ ловины d\ трубы Вентури для газа и пара по формуле d\ - dve.

92

Г л а в а 2

МИКРОРАСХОДОМЕРЫ

ИПАРЦИАЛЬНЫЕ РАСХОДОМЕРЫ

ССУЖАЮЩИМИ УСТРОЙСТВАМИ

2.1.ОБЛАСТЬ ИЗМЕРЕНИЯ МАЛЫХ РАСХОДОВ

Измерение малых расходов жидкостей и газов весьма необхо­ димо в создании различных полузаводских установок, при прове­ дении многих научно-исследовательских работ и при контроле некоторых промышленных процессов.

Целесообразно верхнюю границу малых расходов связать с со­ ответствующей верхней границей диаметра трубопровода DB. Если принять DB ~ 10 мм, то <7тах для жидкостей будет около 1 м3/ч,

а для газов — около 10 м3/ч. Если же за верхнюю границу при­ нять DB= 5 мм, то указанные значения gmax уменьшатся в четыре раза. Нижняя же граница малых расходов определяется требова­ ниями практики, например 1 см3/ч для жидкостей и 50 см3/ч для газов. Для измерения микрорасходов применяют особые разно­ видности рассмотренных ранее методов измерения и, кроме того, созданы некоторые специальные методы и приборы, в частности пузырьковые и капельные расходомеры.

2.2. РАСХОДОМЕРЫ С СУЖАЮЩИМИ УСТРОЙСТВАМИ, КАПИЛЛЯРНЫЕ, ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ,

МОСТЫ, РЕОМЕТРЫ И УДАРНО-СТРУЙНЫЕ

Для измерения малых расходов применяют миниатюрные су­ жающие устройства, преобразователи типа различных гидравли­ ческих сопротивлений (капиллярные, гидравлические мосты и реометры), а также ударно-струйные преобразователи. Все они требуют индивидуальной градуировки.

Сужающие устройства. На рис. 27 изображены диафрагмы [17] с d = 0,5 мм. Их проточные части изготовлены из синтети­ ческих рубинов или сапфиров в целях повышения стойкости к истиранию и достижения лучшей взаимозаменяемости. Проточ­ ная часть 2 каждой диафрагмы (рис. 27, б) запрессована в латун­ ный диск 3, поверхность которого обработана заподлицо с проточ­ но частью и отполирована алмазной пастой. Диск 3 вместе с уп­ лотняющими прокладками 4 зажат между фланцами 1,приварен­ ными к трубопроводу, имеющему внутренний диаметр d = 6,4 мм и длину прямого участка до диафрагмы 50D. Диафрагмы испы­ тывали в лаборатории фирмы «Бритиш Петролеум» на водороде под давлением 1,4 МПа (при Re = 80+350) и на азоте под давле-

93

Рис. 27. Виды приборов диафрагм с проточной частью из синтетических рубинов и сапфиров: а — разновидности; б — монтаж диафрагм; в — винто­

вой капиллярный преобразователь

нием 7 МПа (при Re - 300*1500). Лучшие результаты дали ди­ афрагмы типа Б, показавшие постоянство а в области Re от 80 до 1500. У одной из них, имевшей 0= 51° и t = 0,283 мм, коэффици­ ент а = 0,747, у другой с углом 0= 54° и t = 0,28 мм, коэффициент

а=0,752.

ВЛьвовском политехническом институте в качестве микро­

преобразователей расхода испытывали часовые камни типа СЦ из синтетического корунда. Испытание часового камня с d = 0,08 мм показало, что при числах Re от 700 до 1800 коэффициент а = = 0,747 ± 0,5 % [15].

Имеются сообщения об исследовании металлических сужаю­ щих устройств различного типа для измерения малых расходов жидкости и газа. Так, в работе [23] испытывали диафрагмы с d, равным 0,5, 0,9,1,6, 2,8 и 5 мм, имевшие угол входа 90° и толщи­ ну е = d. Испытания проводили при числах Re^ от 103 до 1,5 х

94

х 104. Для диафрагм, имевших d от 1,6 мм и выше, при особо тщательном их изготовлении, коэффициенты расхода диафрагм, имев­ ших одинаковые d9отличались друг от друга не более чем на 2,5 % . Отбор давлений был радиальный. При диаметрах d < 1,6 мм разброс значений коэффициента расхода был больше. В другой работе [24] на трубе диаметром 5 мм исследовали диафрагмы, имевшие d = 0,35-5-0,65 мм, толщина которых е была в пределах (1+4)d. Имеются сообщения [13] о применении металлических диафрагм с d = 3,6+6 мм для измерения расхода углекислого газа в пределах 2-12 м3/ч при давлении 0,1-0,5 МПа. Для изме­ рения малых расходов нашли применение [36] металлические сопла четверть круга с d = 0,5+6,25 мм. Они были конструктивно объединены с мембранным преобразователем перепада давления

иустановлены на выходе из сравнительно большой «плюсовой» полости последнего. Это исключало необходимость иметь длин­ ный прямой участок трубы. Поток, входящий в сопло из сравни­ тельно большой камеры, имеет равномерный профиль скоростей.

Капиллярные преобразователи. Капиллярные преобразовате­ ли, основы работы которых также рассмотрены далее (см. гл. 5), особенно подходят для измерения небольших расходов жидкости

игаза. Но делать диаметр капиллярной трубки менее 0,25 мм не следует из-за опасности засорения. Поэтому для получения дос­ таточного перепада давления при малом значении расхода при­ меняют различные способы.

Длину капиллярной трубки увеличивают и располагают ее в виде спирали для достижения компактности преобразователя. При измерении расхода серной кислоты в пределах до 450 см3/ч при­ меняли [19] трубку из коррозионно-стойкой стали диаметром 2,1 мм и длиной 1,75 м. В случае необходимости погашения большого перепада давления при истечении водорода из цилинд­ ра под давлением 10 МПа служила [20а] спиральная трубка из коррозионно-стойкой стали диаметром 0,25 мм и длиной 90 м. При изменении расхода от 1,5 до 24 л/ч перепад на капилляре изменялся от 0,77 до 4,2 МПа. В подобном же случае при изме­ рении расхода водного раствора радиоактивного изотопа приме­ няли спиральную трубку диаметром 0,62 мм и длиной 18 м. При изменении расхода жидкости от 0,06 до 0,72 л/ч перепад на капилляре изменялся от 0,42 до 7 МПа. В спиральном капилля­ ре ламинарный режим работы сохраняется при числах Re до 15 000 [30]. Недостаток спиральных капилляров — отсутствие линейной зависимости между расходом и перепадом давления вследствие действия центробежной силы, резко увеличивающей перепад давления по сравнению с прямым капилляром.

Другой путь состоит в применении прямого капилляра доста­ точного диаметра, но со стержнем внутри трубки. При этом из­ меряемое вещество движется по кольцевой щели. Здесь можно обеспечить линейную зависимость между расходом и перепадом давления путем расположения отверстий для отбора давлений в

95

пределах прямолинейного участка трубки. Такие преобразовате­ ли нашли распространение в химической промышленности. Раз­ работаны три типоразмера преобразователя с диаметрами трубки dT, равными 4, 10 и 16 мм, имеющими расстояния между местами отбора pi и р2, равные 85,150 и 150 мм и обеспечивающие измере­ ние расходов жидкости до 1, 25 и 100 л/ч соответственно. У пер­ вого типоразмера диаметр внутреннего стержня dc равен 3,6 и 3,8 мм, у второго — 9,2, 9,4 и 9,6 мм и у третьего — 15 и 15,4 мм. Толщина кольцевого зазора у этих преобразователей от 0,1 до 0,5 мм [2].

В некоторых случаях [21] преобразователи с внутренним стер­ жнем применяют для предотвращения конденсации газа в труб­ ках малого диаметра.

Иногда кольцевую щель преобразователя образуют двумя коаксиально расположенными цилиндрами. Так, в работе [1] рас­ смотрен преобразователь, у которого внутренний цилиндр имеет d = 20 мм, а щель — длину 8 мм и высоту 0,1 мм.

Третий путь — применение капиллярных преобразователей винтового типа. Их основа — прецизионная винтовая пара с не­ полной ленточной, трапецеидальной или конусной резьбой. Дос­ тоинство — возможность легкого перехода на разные пределы измерения путем регулирования длины винтовой части, находя­ щейся в зацеплении. Пример такого преобразователя [17] пока­ зан на рис. 27, в. Вращая рукоятку 5 винта 3, снабженного уплот­ нением 4 и опирающимся на шарикоподшипник 2 и пружину 1, изменяют длину спирального капиллярного прохода. Для облег­ чения установки винта в нужное положение имеются указатель 6 и шкала 7. Подача и отвод жидкости производятся через отвер­ стия в крышке 10 и корпусе £, скрепленных шпильками 9. Меж­ ду расходом и перепадом давления нет строгой пропорциональ­ ности. Другой пример конструкции капиллярного преобразова­ теля винтового типа приведен в работе [16].

Так как вязкость жидкости сильно зависит от температуры, то при точных измерениях надо стабилизировать температуру ка­ пиллярного преобразователя, например с помощью нагревающей или охлаждающей рубашки. Это легко осуществить в преобразо­ вателе винтового типа. Иногда капилляр помещают в водяную баню с регулируемой температурой [19] или в термостат с таю­ щим льдом [20а].

Если вязкость жидкости меняется не только с температурой, но и с изменением ее состава или концентрации, то применяют компенсационный метод измерения [22]. Через одну трубку про­ текает жидкость, расход q которой надо измерить, а через другую насос объемного типа подает аналогичную жидкость при посто­ янном расходе одИзмеряют перепады давления в первой Ар и во второй Аро трубках. Искомый расход q = qQ(Ар / Аро)- Капил­ лярные преобразователи могут измерять расходы до 1 см3/ч [27].

96

Приведенная погрешность измерения при соблюдении необходи­ мых условий» и прежде всего чистоты трубок, равна ± (0,5+1) % .

Гидравлические и газовые мосты. Гидравлические мосты на­ ряду с капиллярными преобразователями представляют одну из возможных схем преобразователей типа гидравлического сопро­ тивления. Две схемы такого моста показаны на рис. 28. На рис. 28, а в четырех плечах моста расположены сопротивления R l, R2, R3 и R4, выполненные в виде капиллярных трубок или маленьких сужающих устройств. Сопротивления Rl = R4 и R2 = ЯЗ, но Rl > R2, a R4 > R3. По одной диагонали моста протекает жидкость, расход q которой надо измерить. Перепад давления Ар = - Pl ~ Р2 измеряется в другой диагонали моста. Соответствую­ щим подбором сопротивлений достигается [6, 29] независимость показаний от вязкости вещества. На рис. 28, б показан мост, все четыре сопротивления которого (в виде маленьких диафрагм или капилляров) равны друг другу [16а]. В диагонали моста установ­ лен насос, имеющий постоянную подачу q. При измерении малых расходов q > Q. В этом случае измеряется перепад давления р\ - - р4. При измерении больших расходов q > Q. Здесь измеряют перепад давленияР2~Рз* Зависимостьр\ - р4 и р2 - Рз от расхода q для моста с насосом показана на рис. 28, в. При условии посто­ янства расхода q9создаваемого насосом, и равенства всех четырех сопротивлений измеряемые перепады давлений Pi - р4 и Р2 - рз будут пропорциональны массовому расходу. В этом отношении мост (рис. 28, б), иногда называемый активным в отличие от мо­ ста (рис. 28, а), аналогичен перепадно-силовым расходомерам, с которыми он имеет много общего. Чувствительность моста рас­ тет с ростом q. В работах [28, 31] рассмотрено применение такого моста для измерения весьма малых расходов при q > Q. Его сопро­ тивления были изготовлены из четырех одинаковых стальных ди­ афрагм из коррозионно-стойкой стали. Наименьшая область из­ мерения 0 -5 кг/ч жидкости при диапазоне измерения 50 : 1. При-

Рис. 28. Гидравлические мосты: а — схема с равными расходами в обеих ветвях; б — схема с насосом в диагонали моста; в — зависимость pi - Р4 и Р2 “ РЗ от расхода дт у моста с насосом

97

7 П. П. Кремлевский

веденная погрешность ± (0,£н-1) % . Наименьший измеряемый рас­ ход равен 0,05 кг/ч, или 0,014 г/с. Динамические свойства моста высокие. Его постоянная времени составляет 5-15 мс. Он с успе­ хом был применен для исследования работы автомобильного кар­ бюратора.

Реометры. Реометр — это сочетание миниатюрного стеклян­ ного гидравлического сопротивления с однотрубным стеклянным дифманометром. Последний заполняют водой или спиртом и снаб­ жают шкалой, градуированной по воздуху в единицах расхода. Газ, проходящий по горизонтальной трубке, создает на сопротив­ лении в виде маленькой диафрагмы или капилляра перепад дав­ ления, измеряемый дифманометром. Таким образом, реометр— микрорасходомер переменного перепада давления. Пределы из­ мерения реометра с капиллярным гидравлическим сопротивле­ нием от 0-0,6 до 0-1 л/мин. Для возможности измерения расхо­ да газа, имеющего вязкость Vj и плотность р1# отличные от вязко­ сти v и плотности р воздуха, в работе [7] предложены уравнения: 9 l/vi = <?/v и Ар = (V!2/v 2)(pi/p), позволяющие построить градуиро­ вочную кривую для любого газа.

Ударно-струйные расходомеры. Ударно-струйные расходоме­ ры, предназначенные для измерения малых расходов жидкостей и газов, предложены и разработаны Левиным. Они основаны на измерении перепада давления, возникающего в процессе удара струи о твердое тело непосредственно или через слой измеряемо­ го вещества. Давление удара ру зависит от скорости п, плотности р вытекающей жидкости и определяется уравнением ру = pv2 (1 - - cos а), где а — угол между направлением движения жидкости до и после удара. Обычно а = п/2, тогда ру = pi>2, т. е. в два раза

больше динамического давления по­ тока. Так как v = qo/f, где q$ — объем­ ный расход; f — площадь струи, то

Ру = PQo/r-

98

трубки, снаружи которой находится катушка 6 индуктивной или дифференциально-трансформаторной передачи.

В расходомерах РМР-Н, рассчитанных на статическое давле­ ние 0,6 МПа, верхние пределы измерения: 16; 25; 63; 100; 160 и 250 л/ч при диаметрах сопла: 1,2; 1,5; 1,9; 2,4; 3; 3,6 и 4,5 мм и числах Re^: 4700; 5900; 7400; 9300; 11 700; 15 900 и 19 400 соот­ ветственно.

Ряд конструкций ударно-струйных расходомеров приведен в работе [9], в том числе для измерения расхода пароводородной смеси при давлении 5 МПа и температуре 300 °С, жидкого фреона, а также азота (gmax = 0,5 м3/ч). Во всех случаях совмещают в одной конструкции ударно-струйный преобразователь расхода с преобразователем перепада давления в электрический или пнев­ матический сигнал.

Недопустимо измерение расхода веществ, содержащих меха­ нические частицы более 0,2d (где d — диаметр сопла), создающие осадки на стенках сопла и вскипающие во время прохождения через него.

При измерении расхода газа, учитывая его малую плотность, необходимо увеличение скорости в сопле до 20-30 м /с и примене­ ние преобразователей давления (мембраны, поршня и т. п.) с боль­ шой эффективной площадью.

2.3. ХАРАКТЕРИСТИКА ПАРЦИАЛЬНЫХ РАСХОДОМЕРОВ

Парциальными называются расходомеры, основанные на из­ мерении лишь небольшой части расхода, обычно ответвляемой от основного потока измеряемого вещества.

Применяют различные способы ответвления. В первом из них в основном трубопроводе устанавливают сужающее устройство или какое-либо сопротивление, по обе стороны от которого присо­ единены концы небольшой обводной трубки. Парциальный по­ ток в последней возникает под влиянием разности статических давлений pi и р2» создаваемой сужающим устройством или со­ противлением в основном трубопроводе. При втором способе обводная трубка введена в основной трубопровод так, что ее перед­ нее отверстие направлено навстречу потоку, а заднее — в проти­ воположную сторону. Парциальный поток в обводной трубке об­ разуется здесь под влиянием разности динамических давлений у ее концов. При третьем способе обводная трубка установлена на колене трубопровода, где под влиянием центробежной силы со­ здается разность давлений, зависящая от расхода. Этот способ удобен при измерении расхода воды на всасывающем патрубке коленчатой формы у крупных вертикальных насосов.

Наряду с основным вариантом парциальных расходомеров, когда ответвленный поток возвращается в основной трубопровод,

99

7*

иногда встречаются расходомеры с невозвращаемым ответвлен­ ным потоком и расходомеры, у которых парциальный поток об­ разуется вспомогательным веществом.

Для возможности определения расхода Q в основном трубо­ проводе по измеренному парциальному расходу q надо знать фун­ кциональную связь между ними или иметь градуировочную за­ висимость. Лучше всего, если q прямо пропорционально Q.

Сужающее устройство в основном трубопроводе создает пере­ пад давления Др в соответствии с уравнением

Ар = k (Q - q)2,

где k — постоянная величина.

Этот перепад создает в обводной трубке расход q в соответ­ ствии с уравнением

Ар = *1 + *2я + *зя2*

где fclf *2 и *з — постоянные, характеризующие в обводной трубке элементы, сопротивление которых не зависит отд, пропорциональ­ но q и пропорционально q2 соответственно.

Решая совместно эти два уравнения, получим в общем случае зависимость между Q и q:

Q = q + J(ka /k)q2 +(k2 /k)q + k1/k.

В большинстве случаев можно считать k\ и равными нулю, тогда

Откуда следует, что парциальный расход q есть некоторая часть 1/т расхода Q.

Для обеспечения постоянства ft3, а следовательно, и градуиро­ вочного множителя т , в обводной трубке обычно устанавливают маленькую диафрагму, образующую основное сопротивление в ней. В этом случае получим зависимость

q/(Q ~q) = «W n d 2 / cced2) (p / pn)-°>5,

где dn, d, ап, а, ед, г — диаметры отверстий, коэффициенты расхода и поправочные множители на расширение вещества у парциаль­ ной и основной диафрагм соответственно; рп и р — плотности вещества перед парциальной и основной диафрагмами соответ­ ственно.

Тогда множитель т будет определяться уравнением

m = aed2/ a ^ d 2) (p / pn) °*5+ l.

100

При чистом измеряемом веществе т будет сохранять посто­ янство при условии постоянства отношения плотностей р / р п. При необходимости для обеспечения постоянства р / рп патрон

спарциальной диафрагмой можно поместить в основной трубо­ провод [33]. В случае загрязненного газа лучше применять схему

спарциальным потоком, образованным чистым измеряемым ве­ ществом, например воздухом [37].

Если парциальный поток q в обводной трубке создается за счет динамического напора, без установки сужающего устройства

восновном трубопроводе, то имеем q = ип/, где vn — средняя скорость в обводной трубке, имеющей площадь поперечного сече­ ния / и Q = vcF, где ис — средняя скорость в основном трубопро­ воде, имеющем площадь поперечного сечения JF. После деления

Q на q получим Q = mq, где т = (uc /vn)(F/f).

Таким образом, в этом случае будем иметь прямую пропорцио­ нальность между Q и q при условии постоянства отношения vc /ип.

Погрешность измерения расхода Q с помощью парциальных расходомеров будет выше погрешности измерения парциального расхода q из-за дополнительной погрешности градуировочного коэффициента т. От точности его определения будет в сильной степени зависеть точность измерения Q. Наибольшая точность может быть получена лишь опытным путем, что не всегда, осо­ бенно при больших расходах, выполнимо.

Основная область применения парциальных расходомеров — измерение расхода в трубах большого диаметра, например в водо­ оросительных системах при отсутствии преобразователей расхо­ да большого калибра или при желании иметь сравнительно недо­ рогостоящее средство измерения при допустимости повышенной погрешности результата.

Парциальный метод позволяет с помощью одного серийно из­ готовленного калибра преобразователя измерять расход в трубах разного диаметра, как это имеет место, например, у тепловых пар­ циальных расходомеров. Кроме того, с помощью особых схем [37] парциальный метод позволяет измерять пульсирующие расходы.

Если парциальный поток создается с помощью диафрагмы, ус­ тановленной в основном трубопроводе, то, как было указано выше,

вобводной трубке полезно иметь диафрагму для обеспечения про­ порциональности между расходами Q и q. Но измерять парци­ альный расход q с помощью этой диафрагмы целесообразно разве лишь при пульсирующем расходе. В небольшой обводной трубке можно сравнительно легко сгладить пульсации с помощью не­ больших емкостей. На рис. 30 показана схема парциального рас­ ходомера [37], предназначенного для измерения пульсирующего расхода загрязненного газа. В этом случае парциальный поток создается вспомогательным веществом — чистым воздухом, а диафрагма 8> установленная на обводной трубке, служит лишь для обеспечения пропорциональности между расходом воздуха q

101