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

которых не превосходит ±(0,5^1) % . Дополнительные их досто­ инства — компактность конструкции, малая металлоемкость и легкость перехода на другой предел измерения путем изменения соотношения плеч рычагов, к которым приложены силы, уравно­ вешивающие друг друга. Но для этих приборов требуется высо­ кое качество изготовления и они менее пригодны для работы в тяжелых условиях эксплуатации, в частности в условиях запы­ ленной окружающей среды.

10.2. ДИФМАНОМЕТРЫ БЕЗ УНИФИЦИРОВАННЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Компенсационный метод можно реализовать в любых дифманометрах как жидкостной, так и деформационной систем. Име­ ются конструкции компенсационных поплавковых, кольцевых и колокольных жидкостных дифманометров. Их схемы приведены

вработе [012].

Впервом из них поплавок связан стержнем с двумя железны­ ми сердечниками. При перемещении одного из них внутри индук­ тивной катушки возникает разность потенциалов в мостовой схе­ ме, вызывающая после усиления значительный ток в цепи солено­ ида, внутри которого находится второй сердечник. Магнитное поле соленоида создает усилие, действующее на этот сердечник, которое уравновешивает изменение гидростатического давления маномет­ рической жидкости на поплавок. Последний практически почти не перемещается. Так как компенсационное усилие пропорционально

квадрату силы тока в соленоиде, то ток оказывается пропорцио­ нальным измеряемому расходу, и с помощью счетчика ампер-часов можно измерять количество вещества.

В кольцевом дифманометре с грузовой компенсацией при выхо­ де кольца из нулевого положения замыкаются контакты реле, и двигатель перемещает противодействующий груз по горизонталь­ ной штанге до тех пор, пока кольцо не вернется в исходное поло­ жение. В кольцевом дифманометре с пневматической компенсаци­ ей кольцо перемещает заслонку относительно воздушного сопла и при этом меняет давление воздуха в сильфоне, создающем проти­ водействующий момент на горизонтальном рычаге.

Рассмотренные приборы не получили значительного примене­ ния. Несколько шире были распространены компенсационные двух­ колокольные дифманометры СДМ-2. В них при изменении пере­ пада давления замыкались контакты, включавшие двигатель, ко­ торый перемещал каретку пера и одновременно изменял натяг противодействующей пружины до тех пор, пока колокола не воз­ вращались в нейтральное положение.

Большее значение имеют деформационные компенсационные дифманометры. Одними из первых были освоены компенсацион­ ные мембранные дифманометры ДМК и двухсильфонные дифма-

232

нометры ИРКВФ [012]. Перемещение жесткого центра вялой мембраны

уДМК или сильфонов

уИРКВФ вызывает пе­ ремещение плунжера в индуктивной катушке. Возникающий сигнал проходит через усили­ тель и включает двига­ тель, перемещающий стрелку прибора и рам-

одновременно изменяющий натяг винтовой противодействующей пружины, которая возвращает мембрану или сильфоны в исход­ ное положение. Дифманометры ДМК рассчитаны на давление до 1,6 МПа и имеют Артах от 0,63 до 22 кПа. Класс точности этих дифманометров 1. Дифманометр ИРКВФ был предназначен для измерения расхода вязких жидкостей при давлении до 1 МПа и температуре от 10 до 100 °С. В конструкции предусматривается монтаж на трубе диаметром 32 мм и исключается необходимость в импульсных трубках.

Значительно шире распространены бесшкальные компенсаци­ онные дифманометры разработки НИИтеплоприбор. Они имеют пневматическую или электрическую компенсацию.

Принципиальная схема дифманометра с пневматической ком­ пенсацией показана на рис. 98.

Чувствительный элемент 1 тягой 2 соединен с силовым рыча­ гом 3, имеющим сильфонное 4 или мембранное уплотнение. При повороте рычага 3 вокруг оси 5 находящаяся на его конце заслонка 10 изменяет степень открытия сопла 11. Это вызывает изменение давления рс в линии после дросселя 12, к которому непрерывно подается воздух под постоянным давлением. Соот­ ветственно изменяется давление рк на выходе из пневмоусилите­ ля 13. Давление передается в сильфон обратной связи 15 и созда­ ет компенсационное усилие, передающееся через вспомогатель­ ный рычаг 8 и тягу 7 на силовой рычаг 3. Одновременно давле­ ние рк по линии 13, 14 поступает к сильфонному манометру и служит показателем измеряемого перепада давления. Пружина 6 служит для настройки прибора, а демпфер 9 сглаживает коле­ бания. На основе этой схемы было разработано много дифмано­ метров, отличавшихся друг от друга чувствительными элемента­ ми и пределами измерения. Дифманометр ДМПК-4 имеет рези­ нотканевую мембрану и рассчитан на давление до 0,4 МПа и АРтах ОТ 0,025 до 0,4 кПа; ДМПК-100 имеет мембранный блок (как у ДМ), предельное давление до 10 МПа и Дртах от 0,63 до

233

1,6 кПа; ДСПК-4 имеет сильфоны, предельное давление до 0,4 МПа и ДРщах от 0,025 до 0,4 кПа. Более новый дифманометр (преобра­ зователь разности давления) 13ДЦ11 рассчитан на давление 2,5 МПа и Дрщах от 1 Д° Ю кПа (модели 722 и 724) и на давление 16 МПа и Дрщах от 16 до 6300 кПа (модель 720). Класс точности 0,6; 1,0 и 1,5. Чувствительный элемент двухмембранный блок, заполненный полиэтиленовой жидкостью или водоглицериновым раствором. Материал мембран легированная сталь или тантал. Он укомплектован унифицированным пневматическим преобра­ зователем, создающим компенсационное усилие на рычаге.

У дифманометров с электрической компенсацией чувствитель­ ным элементом может быть как резинотканевая мембрана, так и мембранный блок.

Дифманометр ДМЭК-М имеет магнитоэлектрическую, а ДМЭК-Ф ферродинамическую компенсацию. У них при изменении перепада давления силовой рычаг перемещает сердечник индуктивного ин­ дикатора равновесия; при этом изменяется ток в катушке, нахо­ дящейся в поле постоянного магнита (у ДМЭК-М) или в поле электромагнита (у ДМЭК-Ф). В результате изменяется сила, при­ ложенная к катушке, которая создает компенсирующий момент на силовом рычаге; последний связан с рычагом, на котором под­ вешена катушка. Дифманометры ДМЭК-М и ДМЭК-Ф в отличие от дифманометров с пневматической компенсацией не получили широкого распространения. Вместо них стали выпускаться диф­ манометры с унифицированными электрическими преобразовате­ лями. Более подробные сведения по компенсационным дифманометрам, не имеющим унифицированных преобразователей, даны

вработе [012].

10.3.УНИФИЦИРОВАННЫЕ ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ

ИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Рассматриваемые преобразователи разработаны в НИИтеплоприбор. Они создают компенсационный момент на силовом рыча­ ге и пригодны для сочетания с различными дифманометрами — колокольными, мембранными и сильфонными.

Принципиальная схема унифицированного пневматического преобразователя показана на рис. 99. Чувствительный элемент дифманометра (колокол, мембрана, сильфон) воздействует на си­ ловой Т-образный рычаг 1 по любому из направлений, которые указаны стрелками А, Б и В, поворачивая его вокруг ленточной опоры 1 7. При этом заслонка б, укрепленная на конце рычага 1, изменяет степень открытия сопла 5, через которое непрерывно вытекает воздух, подаваемый от источника питания через пнев­ моусилитель 16 и дроссель 2 /. Если заслонка 6 приближается к соплу 5, то давление в нем и в камере 12 возрастает. При этом мембраны 10 и 13 из прорезиненного полотна перемещают кла-

234

Рис. 99. Принципиальная схема унифицированного пневматического преобразователя

пан 8 вверх, прикрывая отверстие для сброса воздуха, а клапан 15 вниз, открывая отверстие для поступления воздуха. Благодаря этому давление в камерах 9 и 14 возрастает настолько же, на­ сколько оно возросло в камере 22, что определяется постоянством усилий пружин, действующих на мембраны 10 и 13. Следова­ тельно, и перепад давления на дросселе 11 будет постоянным. Это постоянство, а также малый диаметр отверстия дросселя (0,4 мм) обеспечивают малый расход воздуха через сопло, имеющее диа­ метр отверстия 0,7 мм, и очень малый (0,01 мм) полный ход заслонки б. Давление в камерах 9 и 14 — выходной сигнал пре­ образователя. Оно поступает к измерительному прибору и в силь­ фон обратной связи 7, который создает компенсирующий момент на рычаге 1 через промежуточный рычаг 3 и упор 4. Последний можно перемещать для регулирования передаточного числа. Пру­ жина 2 служит для регулировки нуля. К преобразователю пода­ ется воздух, прошедший фильтр для очистки от масла и механи­ ческих примесей и редуктор, поддерживающий давление р = = (0,14*0,014) МПа.

Принципиальная схема унифицированного электросилового преобразователя изображена на рис. 100. Чувствительный элемент дифманометра действует на левый конец рычага 2 (рис. 100, а), уплотненного гибкой мембраной 2, и через тягу 3 и рычаг 4 вы­ зывает поворот силового рычага 5 и промежуточного рычага 7 вокруг ленточных опор 19 и 9. Дальше движение через тягу 14 передается двуплечему рычагу 25, на одном конце которого име­ ется флажок 23, а на другом — катушка 27. При отклонении флажка 13 от среднего положения внутри индикатора рассогла­ сования, имеющего экран 10 и две обмотки (первичную 22 и вто­ ричную 22), возникает сигнал переменного тока частотой 50 Гц, поступающий к полупроводниковому усилителю 16. После уси-

235

Рис. 100. Принципиальная схема унифицированного электрического пре­ образователя: а — линейного; б — квадратичного

ления и выпрямления ток (0-5 мА) проходит через катушку 17, находящуюся в поле магнита 18, и поступает к измерительному прибору. Взаимодействие магнитного поля, создаваемого током в катушке 17, с полем магнита 18 вызывает появление усилия, при­ ложенного к рычагу 15 и далее через рычаг 7 и упор 8 к силовому рычагу 5, которое уравновешивает усилие от перепада давления. Упор 8 можно перемещать для изменения передаточного числа. Пружина 6 служит для регулировки нуля. В рассмотренном пре­ образователе сила выходного тока пропорциональна перепаду дав­ ления.

Чтобы получить выходной ток, пропорциональный расходу, при­ меняют преобразователь, имеющий другой силовой элемент обрат­ ной связи, изображенный на рис. 100, б. Он состоит из ярма, со­ бранного из пластин из пермаллоя, на котором надета катушка. В нее так же, как и в подвижное ферромагнитное кольцо, укреп­ ленное на конце двуплечего рычага 15 (см. рис. 100, а), поступает ток i из усилителя. Поэтому сила втягивания, действующая на ферромагнитное кольцо, пропорциональна квадрату силы тока i, а сам ток i пропорционален д/Лр, т. е. расходу. Сопротивление нагрузки не более 25 кОм при imax = 5 мА. Потребляемая мощ­ ность 15 Вт.

10.4.КОМПЕНСАЦИОННЫЕ ДИФМАНОМЕТРЫ

СУНИФИЦИРОВАННЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ

Имеются колокольные, мембранные и сильфонные компенса­ ционные дифманометры с унифицированными пневматическими и электрическими преобразователями. Все они бесшкальные. Ко­

236

локольные дифманометры рассчитаны на давление до 0,25 МПа, мембранные — до 0,25 МПа и 1 МПа и сильфонные — до 32 МПа.

Колокольные компенсационные дифманометры. Разновидно­ сти колокольных компенсационных дифманометров с унифици­ рованными преобразователями: ДКО-Э1 с электрическим линей­ ным выходным сигналом, ДКО-Э2 с электрическим квадрати­ ческим выходным сигналом. Избыточное давление 0,25 МПа. Устройство перечисленных дифманометров аналогично устрой­ ству дифманометра ДКО, но в компенсационных дифманометрах колокол передает свое усилие Т-образному рычагу унифициро­ ванного силового преобразователя.

Мембранные компенсационные дифманометры. Элемент, вос­ принимающий перепад давления, — резинотканевая мембрана 12 (рис. 101), которая укреплена между фланцами 11 и 13. Ее жест­ кий центр состоит из двух плоских 8 и двух конусных 9 дисков, стянутых штоком 16 и гайками 15. При этом достигается необ­ ходимая прочность при односторонней перегрузке. Две плоские пружинные подвески 14, скрепленные со штоком 16, предотвра­ щают провисание мембраны под действием своего веса, но не мешают ее осевому перемещению, которое с помощью ленточной тяги 7 вызывает поворот выводного коленчатого рычага 6, уплот-

Рис. 101. Компенсационный дифманометр с вялой мем­ браной ДМ-Э и ДМ-П

237

ки игольчатых клапанов. Разновидности мембранных компенса­ ционных дифманометров: ДМ-П1 и ДМ-П2 — с пневматическим линейным преобразователем, ДМ-Э1 и ДМ-Э2 — с электрическим линейным преобразователем, ДМ-ЭР1 и ДМ-ЭР2 — с электричес­ ким квадратическим преобразователем. Дифманометры ДМ-П1, ДМ-Э1 и ДМ-ЭР1 рассчитаны на предельное давление 0,25 МПа и Аршах» равный 0,1, 0,16, 0,25, 0,40, 0,63 и 1,0 кПа. Дифманометры ДМ-П2, ДМ-Э2 и ДМ-ЭР2 рассчитаны на давление до 1 МПа и Аршах* равный 1,0,1,6, 2,5, 4,0 и 6,3 кПа. Приведенная предельная погрешность выходного пневматического (0,02-0,1 МПа) или элек­ трического (0-5 мА) сигнала ±(1ч-1,5) % . Дифманометры предна­ значены для измерения расхода газа.

Сильфонные компенсационные дифманометры. На рис. 102 изображена схема двухсильфонного компенсационного дифмано­ метра типа ДС-П с пневматическим унифицированным преоб­ разователем. На этом рисунке обозначено через: 1 и 16 — сильфо­ ны, воспринимающие перепад давления; 2 и 15 — днища сильфо­ нов; 3 — мембрана, уплотняющая выводной рычаг 13; 4 — колод­ ка, прижимающая мембрану 3 к основанию 14; 5 — сильфон обрат­ ной связи; 6 — пневмоусилитель; 7 — заслонка; 8 — сопло; 9 — Т-образный рычаг; 10 — коленчатый рычаг; 11 — рычаг; 12 —

238

Г л а в а 11

ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА ДВУХФАЗНЫХ ВЕЩЕСТВ

11.1. ХАРАКТЕРИСТИКА ДВУХФАЗНЫХ ПОТОКОВ

Двухфазные вещества могут быть трех типов: смесь жидкости

итвердой фазы, смесь газа и твердой фазы и смесь жидкости

сгазом или паром. К первым из них относятся различные гидро­ смеси или пульпы. Они встречаются часто. Гидротранспорт пере­ мещает по трубам каменный угол и торф, мелкоизмельченную руду

игорные породы, каолин и целлюлозу, калийные и кальциниро­ ванные соли, строительные растворы и бетонные смеси, древесную

ибумажную массу, различные шламы, песок, грунт и многие дру­ гие материалы. Смесь газа с твердой фазой имеет место при дви­ жении по трубам пылеугольного топлива и при пневмотранспор­ те муки, цемента и других подобных веществ. Газонасыщенная нефть и влажный пар — примеры двухфазной смеси третьего типа.

Измерение расхода двухфазных веществ имеет свои особенно­ сти и трудности, связанные с негомогенностью состава смеси, раз­ личием скоростей отдельных фаз, а также их концентрацией и структурой*.

Из-за негомогенности структуры концентрация отдельных фаз нередко меняется по длине трубы, и поэтому измерение мгновен­ ного расхода имеет небольшое практическое значение. В этом слу­ чае лишь среднее значение расхода за некоторый интервал време­ ни может правильно характеризовать двухфазный поток. Мини­ мальный интервал осреднения зависит от структуры потока и для газожидкостных веществ может достигать в некоторых случаях 90-100 с. Далее средняя скорость тяжелой фазы, как правило, меньше скорости легкой фазы. Это серьезно усложняет определе­ ние как среднего расхода смеси, так и расхода его отдельных фаз и приводит к необходимости различать истинную и расходную кон­ центрацию фаз, а также истинную и расходную плотность смеси.

Истинная концентрация или доля одного из компонентов сме­ си, например тяжелого, — отношение объема VTили массы М т = = VTpT этого компонента к общему объему Vc = VT+ Vn или общей массе М с = FTpT + Глрл смеси соответственно в отрезке трубы, длина которой L должна быть достаточна, чтобы обеспечить пра­ вильное соотношение среднего содержания той и другой фазы. Здесь Vn — объем легкого компонента смеси, а рл и рт — плотности легкого и тяжелого компонентов. Связь между концентрациями обоих компонентов определяется уравнениями:

Фо “ 1 ~ Ло» Фт “ 1 ~ Лт>

где ф0 и срт — соответственно объемная и массовая концентрации легкого компонента; Ло и Лт — ТО же тяжелого компонента.

240

Зависимости для расходных объемной 80 и массовой 8т кон­ центраций тяжелого и соответственно объемной Р0 = 1 - 80 и массовой Pm = 1 - 8т концентраций легкого компонента смеси будут иметь вид:

б<> = <7о.т/(7о.с> бт = Ятт/Ятс*

Ро = Яо.л/Яо.с» Рт ““ Ятл/Яте *

где qor9 qon9 qOC9 qmr9 qmjl9 qmc — объемные и массовые расходы тяжелого, легкого компонентов и смеси соответственно.

Связь между истинными и расходными концентрациями опре­ деляется формулами:

где vr9 vn n vc — средние скорости тяжелого, легкого компонентов и смеси соответственно.

Так как обычно vn> vc > uT, то расходные концентрации 80 и 8т тяжелого компонента меньше истинных Т]0 и Г)т , а легкого ком­ понента, наоборот, больше истинных, т. е. Рс > Фо и Pm > Фт- Так, в газожидкостных потоках при значительных скоростях vc смеси скорость газа vn = (1,2^1,25)ис. Соответственно ф0 = (0,8^0,83)Ро. При малых скоростях разница между ф0 и Р0 еще больше.

Иногда концентрация тяжелого компонента задается по отно­ шению не ко всей смеси, а только к легкому компоненту. В этом случае будем обозначать r)'m — массовую истинную, Т1'0 — объем­ ную истинную, Ь'т — массовую расходную и 6'0 — объемную рас­ ходную концентрацию тяжелой фазы.

Истинную плотность рс смеси можно определять по уравнению

Рс = Рт — Фо (Рт ““ Рл)>

а расходную рс> р — по уравнению

Рс. р = Рт Ро(Рт — Рл)*

Вычитая последнее уравнение из предыдущего, получим рс- - рс. р= (Ро “ Фо)/(Рт “ Рп)* откуда следует, что расходная плотность Рс. р меньше истинной рс, так как Р0 > фс.

Структура двухфазного потока зависит от многих обстоя­ тельств: скорости потока, диаметра трубопровода, его расположе­ ния в пространстве и процентного содержания той или другой фазы. Это особенно резко выражено для смесей жидкости с га­ зом или паром (рис. 103).

Если концентрация одной из фаз мала, то получим дисперс­ ную или пузырьковую структуру, при которой капли жидкости (или пузырьки пара) равномерно распределены в паре (или жид­ кости) — рис. 103, б, з. С увеличением доли жидкости начинают­ ся расслоение фаз и появление раздельного течения. При верти­ кальной трубе жидкость все в большей степени располагается в

241

16 П. П . Кремлевский