книги / Расходомеры и счетчики количества веществ. Расходомеры обтекания, силовые, тепловые, оптические, ионизационные, ядерно-магнитные, концентрационные, меточные, корреляционные, вихре
.pdfРис. 6. Поплавковые пары у поплавковых расходомеров
16 м3/ч. Последняя пара (рис. 6, в) имеет кольцевой цилиндри ческий поплавок диаметром 151 мм, перемещающийся в отвер стии, которое образовано центральным конусом с углом Р и на-
|
Разновидности расходомеров типа РЭ |
Т а б л и ц а 1 |
||
|
|
|||
Базовая модель |
Обозначение |
Условный |
Зщ«(п,овоДе>- |
Рабочее |
|
|
диаметр, мм |
М/Ч |
давление, МПа |
РЭ-1 |
РЭ-0,025ЖУЗ |
6 |
0,025 |
|
РЭ-0,04ЖУЗ |
0,04 |
|
||
|
|
|
||
|
РЭ-0.063ЖУЗ |
10 |
0,063 |
|
РЭ-П |
РЭ-ОДЖУЗ |
10 |
0,1 |
|
РЭ-0,16ЖУЗ |
15 |
0,16 |
|
|
|
РЭ-0.25ЖУЗ |
15 |
0,25 |
|
|
РЭ-0.4ЖУЗ |
15 |
0,4 |
0,6; 1,6; 6,4 |
|
РЭ-0.63ЖУЗ |
25 |
0,63 |
|
РЭ-1П |
РЭ-1ЖУЗ |
25 |
1,0 |
|
РЭ-1,6ЖУЗ |
40 |
1,6 |
|
|
|
РЭ-2.5ЖУЗ |
40 |
2,5 |
|
|
РЭ-4ЖУЗ |
40 |
4,0 |
|
РЭ-1У |
РЭ-6.3ЖУЗ |
70 |
6,3 |
|
РЭ-ЮЖУЗ |
70 |
— |
|
|
|
РЭ-16ЖУЗ |
100 |
16 |
|
РЭУ |
РЭ-25ЖУЗ |
100 |
25 |
0.6; 1.6 |
РЭ-40ЖУЗ |
150 |
40 |
||
|
РЭ-63ЖУЗ |
150 |
63 |
|
П р и м е ч а н и е . Для расходомеров типа РП наименьший расход 0,16 м3/ч (РП-0,16ЖУЗ) и наибольший расход 16 м3/ч (РП-16ЖУЗ), а рабочее давление 6,4 МПа для расходомеров с Qnmне более 2,5 м3/ч и 1,6 МПа — для остальных.
21
ружной конической расточкой с углом а. При изменении угла а охватываются три верхних предела измерения в пятой РЭ-V базо вой модели» Разновидности расходомеров типа РЭ приведены в табл. 1. У всех расходомеров типа РЭ и РП нижние пределы измерения составляют не более 20 % от верхних.
Основная приведенная погрешность в комплекте со вторич ным прибором дифференциально-трансформаторной системы ±2,5 % . Материал всех деталей, соприкасающихся с измеряемым веществом, сталь 12Х18Н9Т.
Устройство поплавкового расходомера типа РЭ показано на рис. 7. На этом рисунке: 1 — входной штуцер; 2 is. 5 — направляющие и ограничители хода конусного поплавка 4, перемещающегося в отверстии диафрагмы 3; 6 — пружина, на которую опирается катушка 8 дифференциально-транспортной передачи; 7 — ферро магнитный сердечник, перемещающийся внутри диамагнитной труб ки; 9 — упорная втулка; 10 — выходной штуцер. В комплект рас ходомера входят вторичные приборы КСД2, КСДЗ и других типов.
В дальнейшем предусмотрен выпуск |
ротаметров |
типа РЭ |
|
не с дифференциально-трансформаторной |
передачей, |
а с токо |
|
|
вым выходным сигналом. |
||
|
Для измерения расхода агрес |
||
|
сивных жидкостей Волгоградское |
||
|
СКВ НПО «Нефтехимавтоматика» |
||
|
разработало поплавковые расходо |
||
|
меры типа ВИР, которые похожи |
||
|
по устройству на приборы типа РЭ. |
||
|
Внутри трубы из немагнитной ста |
||
|
ли запрессована и развальцована по |
||
|
торцам присоединительных флан |
||
|
цев фторопластовая труба с распо |
||
|
ложенным в ее нижней части ко |
||
|
ническим проходным отверстием. |
||
|
Внутри поплавка из фторопласта-4 |
||
|
находится |
стальной сердечник. |
|
|
Дифференциально-трансформатор |
||
|
ная катушка намотана на наруж |
||
|
ную трубу поверх изоляционного |
||
|
слоя из стеклолакоткани и залита |
||
|
компаундом марки ВИКСИНТ К-18. |
||
|
Измерительный прибор типа КСД-3. |
||
|
Разработано |
семь типоразмеров |
|
|
расходомеров на верхние пределы |
||
|
измерения от 1000 л/г (тип ВИР-1, |
||
|
ОЖУ2) до 16 000 л/г (тип ВИР-16, |
||
|
ОЖУ2). Приборы предназначены |
||
|
для жидкостей, которые нейтраль |
||
Рис. 7. Поплавковый расходомер РЭ |
ны к фторопласту-4, имеющих вяз |
||
с дифференциально-трансформатор |
кость в пределах (1 + 6) •10-6 м2/с, |
||
ной передачей |
плотность от 1000 до 1200 кг/м3, |
22
ром манометрического типа. Наибольшее расстояние между вто ричным прибором и поплавковым расходомером 300 м. Кроме того, имеется стрелка 5, указывающая расход по шкале прибора. Для питания необходим воздух давлением 0,14 МПа. Редуктор и фильтр для воздуха входят в комплект расходомера. Диапазон измере ния расхода ©max/Qmin = 5/1. Прибор снабжен местной шкалой. Рассмотренные расходомеры в зависимости от устройства и мате риала корпуса бывают трех типов: РП — корпус из нержавею щей стали, РПФ — корпус армирован фторопластом-4 и РПО — корпус из стали Х17Н13М2Т с паровым обогревом. Последняя модификация служит для измерения расхода веществ, кристал лизующихся или дающих осадки на внутренних поверхностях, например для измерения расхода сред, содержащих нафталин, парафин и т. п.
Расходомеры РПФ предназначены для измерения расхода очень агрессивных веществ, в частности монохлоруксусной кислоты.
Расходомеры, близкие по конструкции к приборам типа РП, были разработаны и получили применение в химической про мышленности.
Поршневые расходомеры
Поршневые или золотниковые расходомеры — третья разног видность расходомеров постоянного перепада давления. В этих приборах роль поплавка выполняет поршень или другой элемент, перемещающийся во втулке с окнами особой формы. Измеряемое вещество поступает под поршень и, приподнимая его, выходит через окно или прорезь во втулке. Давление над поршнем то же, что и в выходном штуцере. Чем больше расход, тем выше подни мается поршень, открывая все большую часть отверстия во втул ке. Перепад давления на поршне при этом сохраняется постоян ным. Выбирая надлежащий профиль прорези, можно получить желаемую (например, линейную) зависимость между расходом и перемещением поршня.
Существует много разновидностей поршневых расходомеров, но применяются они значительно реже ротаметров и поплавко вых расходомеров. В большинстве случаев они имеют одно вы ходное окно и, следовательно, односторонний выход жидкости. При этом равнодействующая сил давления приложена не в цент ре площади поршня и возникает момент, прижимающий поршень к той поверхности втулки, в которой расположено выходное окно. Для устранения этого недостатка предложены расходомеры с выходом жидкости через два прямоугольных окна, располо женных на противоположных поверхностях втулки [16].
К достоинствам поршневых расходомеров относятся: легкость перехода на другой предел измерения посредством изменения массы груза, действующего на поршень, а также возможность измерения веществ с механическими примесями.
24
На рис. 9 показан поршневой рас ходомер, разработанный для измере ния массового расхода нефтепродук тов [19]. Для достижения практичес кой независимости показаний от из менений плотности р измеряемого вещества плотность поршня рп в два раза больше, чем р. Конструкция расходомера очень проста. На вход ном патрубке 1 укреплен цилиндр с втулкой 3, внутри которой переме щается поршень 3, связанный с маг нитным стержнем 4; последний воз действует на заслонку у сопла, дав ление воздуха в котором служит вы ходным сигналом прибора. Во втулке 3 прорезано окно, через которое из меряемое вещество уходит в выход ной патрубок 5. Максимальные рас ходы 13; 60 и 120 т/ч. Погрешность ±1,25 % в пределах пятикратного диапазона измерения при вязкости вещества до 5 *10~5 м2/с. Прибор надежен в работе и нечувствителен
ктвердым частицам в потоке.
Внашей стране изготовлялись поршневые расходомеры типа ППЭ для труб диаметром 50 мм. Их пор шень связан с ферромагнитным сер
дечником, перемещающимся в диамагнитной трубке, снаружи которой помещена индуктивная катушка. Ход поршня 30,5 мм. Предельные расходы в приборе могли быть изменены от 250 до 8000 кг/ч путем изменения массы груза (от 0,7 до 2,3 кг), дей ствующего на поршень, и ширины прямоугольного отверстия во втулке (от 1,27 до 25,4 мм).
1.3.РАСХОДОМЕРЫ ОБТЕКАНИЯ
СИЗМЕНЯЮЩИМСЯ ПЕРЕПАДОМ ДАВЛЕНИЯ
Как и в расходомерах постоянного перепада, здесь также име ется тело (поплавок), на которое воздействует поток измеряемого вещества, и величина перемещения тела служит мерой расхода. Эти расходомеры можно подразделить на: поплавково-пружин ные, поплавково-архимедовые, расходомеры с электромагнитным уравновешиванием и шариковые с движением в криволинейной трубке. Основные среди них — поплавково-пружинные расходо меры.
25
Поплавково-пружинные расходомеры
Если поплавок или поршень в поплавковом или поршневом расходомере соединить с пружиной, то получим поплавково-пру жинный расходомер, в котором давление потока должно преодо левать не только вес подвижного элемента, но и упругость пру жины.
Достоинства поплавково-пружинных расходомеров: возмож ность существенного повышения максимального предела измере ния и удобство перехода на другой диапазон измерения путем смены пружины. Уравнение равновесия поплавка имеет вид
(Pi “ Р2) / + Д = С + сН,
где Pj ~ р2 — разность статических давлений с обеих сторон по плавка, имеющего площадь f ;R — сумма сил трения и динами ческого давления потока на поплавок; с — коэффициент жестко сти пружины; Н — высота подъема поплавка.
При направлении потока сверху вниз в этом уравнении меня ется знак у веса поплавка.
Совместное решение этого уравнения с уравнением расхода (4), справедливым и в данном случае, дает
Оо = 0Ч»/кл/(2/Р/)[(<5 - eflР) + СН - R].
Обычно весом поплавка по сравнению с силой пружины мож но пренебречь. Тогда из предыдущего уравнения следует
Q0 = a o U 2 (c H -R )/ p f.
Если принять для R выражение
R= <ppv2f 12 = ФРQ2f/ 2 f2,
вкотором с помощью коэффициента <р учитывается также влияние
сил трения потока о поплавок, и подставить это |
значение R |
в уравнение для QQ, то получим |
|
Q0 = (а / >/l + фа2) fK yj2cH / pf. |
(14) |
При этом возможны следующие случаи.
1.Площадь fK= const. Тогда из выражения (14) получаем про порциональность между QQ и у[н .
2.Площадь fK= kH, где k = const, что почти соответствует ро таметрам и поплавковым расходомерам; в этом случае получим
Q0 =k{a/yir+(pa2)yl2c/pfH 3/2.
3. Площадь fKсоответствует закону Q0 = kH. Тогда из выраже ния (14) следует, что
26
fK = k' 4 н ,
где
k' = k(\]l + (pa2 / a)yjpf /2c.
Подставляя сюда значения fK = л(гс2 - г2), где гс и г л — радиусы седла и поплавка, получим
r ? -r * = k'/nslH .
Один из элементов проточной части (поплавок или седло) можно сделать цилиндрическим, а профиль другого элемента выполнить в соответствии с данным уравнением (желательно с учетом изме нения коэффициента расхода а по мере подъема поплавка).
4.Возможно осуществить профилирование поплавка так, что
бы была достигнута пропорциональность между расходом QQ
иперепадом давления Др с обеих сторон поплавка; при этом бу дет измеряться перепад давления вместо перемещения поплавка. Такой прибор будет уже называться расходомером переменного перепада давления. Он рассмотрен ранее (см. кн. 1).
Реализованные устройства поплавково-пружинных расходоме ров весьма разнообразны. Схема одного из таких приборов, при меняемого в Японии для измерения расхода нефти и других жид костей, показана на рис. 10. Жидкость притекает по трубе 1
иприподнимает колокол 2 полусферической формы, выполняю щий роль поплавка. Колокол нагружен пружиной 3 и перемеща ет сердечник 4 дифференциально-трансформаторной передачи.
Такие приборы разработаны для труб диаметром от 10 до 260 мм на расходы от 0,03-0,15 м3/ч до 200-1000 м3/ч при давлении до 2 МПа и температуре до 120 °С.
В другом японском расходомере подвижной элемент — сужа ющее устройство типа сопла, укрепленное внутри сильфона [31]. Последний выполняет роль осевой пружины и одновременно гер метически соединяет подводящую и отводящую части трубы, сна ружи которой помещен индуктивный преобразователь. Его сер-
Рис. 10. Схема по |
Рис. 11. Поплавково-пружинный расходомер с гори |
плавково-пружинно |
зонтальным ходом поплавка |
го расходомера с верх |
|
ней пружиной |
|
27
|
дечник связан с сильфоном и преобразует переме |
|
щение последнего и выходной сигнал. |
|
Для измерения расхода различных жидкостей |
|
и газов (в частности, для измерения расхода масла |
|
в гидравлических системах при давлении до 20 МПа) |
|
разработан поплавково-пружинный расходомер, по |
|
казанный на рис. 11 [30]. Подвижной элемент — пор |
|
шень 4 нагружен пружиной 3. В середине находит |
|
ся неподвижный стержень 3, профиль которого поз |
Рис. 12. Схема |
воляет получить желаемую зависимость между |
поплавково-пру |
расходом и перемещением поршня 4. Внутри по |
жинного расхо |
следнего находится цилиндрический магнит, вызы |
домера с нижней |
вающий перемещение цилиндрического указателя |
пружиной |
расхода 5, который расположен снаружи диамаг |
|
нитной трубы 2. Шкала нанесена на прозрачной |
трубке 1 из акрила. Расходомер прост и компактен, но его по грешность составляет ±4 % .
Существует несколько иная конструкция поплавково-пружин ного расходомера1. В ней поплавок в виде подпружиненной диа фрагмы с конической наружной поверхностью перемещается вертикально внутри неподвижного седла. Жидкость проходит через отверстие диафрагмы и частично через кольцевой зазор между диафрагмой и седлом. Диафрагма несет постоянный маг нит, взаимодействующий с контактными преобразователями в виде герконов, которые расположены снаружи. При изменении вязко сти в очень широких пределах от 1 до 760 мм2/с и расходе не менее 0,1 л/мин погрешность не более 5 % от предела шкалы. Об щая область измерения, обеспечиваемая различными поддиапазо нами, от 0,01 до 80 л/мин. Предельные давления от 1,2 до 40 МПа.
В Индии предложен расходомер (рис. 12) [18], в котором ша ровой поплавок 4 притянут нижней пружиной 3 к седлу, распо ложенному в середине цилиндрической трубки 2. Жидкость по ступает в нижнюю часть трубки через штуцер 1 и приподнимает поплавок, натягивая при этом противодействующую пружину. Поплавок перемещается в верхней части трубки. Кольцевая пло щадь проходного сечения между трубкой и шаровым поплавком остается постоянной. Следовательно, расход Qc будет пропорцио нален 4н .
Весьма редко, но встречаются поплавковые расходомеры, у ко торых роль пружины выполняет гидростатическое давление на тело, связанное с поплавком и частично погруженное в более тя желую жидкость. Такие расходомеры могут быть названы по плавково-архимедовыми. Они были предложены в Индии.
1 Klaus К. Neuer Durchflussmengenmesser und Wachter nach dem Prinzip des Federbelasteten Schwebekorpers / / Messen, priifen, automatisieren. — 1987. — N 4. — S. 188-190.
28
Расходомеры обтекания с электромагнитным уравновешиванием
Имеются схемы расходомеров обтекания, у которых уравнове шивание силы динамического давления на поплавок осуществ ляются электромагнитным способом. У них поплавок связан с железным сердечником, находящимся в поле наружного соле ноида. Кроме того, имеется устройство (например, фотосопротив ление и осветитель), реагирующее на перемещение поплавка и изменяющее силу тока i в соленоиде так, чтобы обеспечить возврат поплавка в исходное положение. Подобные расходомеры работают по компенсационной схеме и предназначены для изме рения сравнительно небольших расходов. Их называют также рас ходомерами с магнитной подвеской. Сила тока i пропорциональ на объемному расходу, если вес поплавка скомпенсирован с по мощью дополнительного соленоида.
Существуют и другие разновидности подобных расходомеров, в которых фиксация местоположения поплавка осуществляется электромагнитным способом [32]; при этом не требуется фотоэле мента и осветителя.
Ш ариковые расходомеры обтекания
Более точно рассматриваемые приборы следовало бы назвать расходомерами обтекания с шариком, движущимся по дуге ок ружности. С ними не надо смешивать приборы, в которых шарик перемещается вертикально в цилиндрической трубке и при своем подъеме открывает в последней отверстие для выхода измеряемо го вещества.
Схема устройства расходомера, в котором шарик движется по дуге окружности, показана на рис. 13. При отсутствии движения жидкости шарик занимает крайнее нижнее положение. По мере увеличения расхода шарик поднимается в стеклянной трубке, имеющей форму неполного кольца. Диаметр шарика <2Шменьше внутреннего диаметра dr трубки, поэтому между трубкой и ша риком остается постоянная площадь серпообразной формы для прохода жидкости.
На шарик действует гидродинамическое давление потока
F = Ч>шРи% / 2 = (8 4 ^ р/ш
и вес поплавка в жидкости G = Vm (рш - р) g, проекция которого G sin © уравновешивает силу F. Следовательно, G sin © = F. Отку да следует, что
29
|
где |
|
k = ■ndryjG/8xVUJpmfm. |
|
Таким образом, угол © |
|
есть мера расхода. В действи |
|
тельности сила F приложена |
(Рш ~ Р) |
не в 4eHTP® шара, а на рассто- |
|
янии х от наружной стенки, |
Рис. 13. Схема шарикового расходомера |
которое больше <2Ш/ 2 (рис. 13). |
обтекания |
В связи с этим появляется мо |
|
мент, обусловливающий вра- |
щение шарика по часовой стрелке. При угле © > 60° этот момент преодолевает трение шарика о стенку, шарик теряет устойчивость и начинает вращаться. Поэтому угол 0 не должен превосходить 60°. Результаты опытов [29], проведенных при четырех отноше ниях rfm/rfT = 0,1; 0,2; 0,4 и 0,6, показали, что коэффициент со противления х¥ш зависит от числа Re и от отношения dm/dT.
1.4.РАСХОДОМЕРЫ С ПОВОРОТНОЙ ЛОПАСТЬЮ
Втрубопроводе подвешивается лопасть, на которую воздей ствует гидродинамическое давление потока жидкости или газа. Расход определяется по углу поворота лопасти или по величине противодействующей силы, уравновешивающей давление потока
вкомпенсационных приборах. В последнем случае угол поворота
лопасти может быть ничтожно мал.
Общая характеристика
По виду противодействующей силы расходомеры с поворотной лопастью подразделяются на расходомеры с грузовым и с пру жинным уравновешиванием, а также на компенсационные с пнев матическим или электрическим уравновешиванием.
Достоинства их: большой диапазон измерения, доходящий до 15-20, и возможность двустороннего действия. Кроме того, они позволяют сравнительно просто осуществить измерение больших расходов жидкости и газов, а также веществ, имеющих высокую температуру или обладающих агрессивными свойствами. Их ди намические характеристики достаточно хорошие. Время переход ного процесса (колебательного, быстро затухающего) 1,5-2 с.
Основной элемент расходомера — поворотная лопасть — даже при постоянном расходе непрерывно вибрирует вследствие срыва вихрей с ее тыльной стороны. Небольшая вибрация не мешает работе. Она в ряде случаев даже может быть полезна, так как препятствует оседанию грязи и других механических примесей
30