книги / Расходомеры и счетчики количества веществ. Расходомеры переменного перепада давления, расходомеры переменного уровня, тахометрические расходомеры и счетчики
.pdfдля 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
СУ с?2о п0 Формуле |
|
|
^20 = |
» |
№0) |
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
шая уравнение расхода с учетом того, что a = f r j l - d 4 /X)4 , |
по |
лучим |
|
d = Dqm /(0,01252С2£)4рДр + ? т )0,5- |
<81> |
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-
|
На рис. 29 изображена схема |
|
ударно-струйного расходомера [8]. |
|
Жидкость вытекает из сопла 1, уда |
|
ряясь о перегородку 2, имеющую |
|
центральное отверстие, через кото |
|
рое давление удара передается жид |
|
кости, заполняющей сильфон 3, и со |
|
здает усилие, приложенное к его |
|
днищу. Внутри сильфона действует |
|
ударное давление плюс статическое |
|
давление измеряемого вещества рс, |
|
снаружи сильфона — только давле |
|
ние рс. Перемещение дна сильфона, |
|
нагруженного измерительной пру |
Рис. 29. Схема ударно-струйного |
жиной 4, вызывает перемещение |
расходомера |
плунжера 5 внутри диамагнитной |
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