книги из ГПНТБ / Ильинский В.М. Измерение массовых расходов

ГЛАВА ПЯТАЯ1

РАСХОДОМЕРЫ С ГИСТЕРЕЗИСНЫМИ МУФТАМИ

В большинстве механических массовых расходоме­ ров применяются упругие элементы, которые обусловли­ вают погрешности измерения, зависящие от нелинейности и их характеристик, от изменения упругих свойств при изменении температуры и от упругого гистерезиса и пос­ ледействия. В последнее время наметилась тенденция в разработке массовых расходомеров без применения упругих элементов. В ИПУ (ТК) разработан метод, а так­ же .изготовлен и испытан массовый расходомер с гистере­ зисной муфтой, применяемой для торможения предвари­ тельно закрученного потока. Крыльчатку с гистерезисным тормозом при некоторых допущениях можно считать чув­ ствительным элементом расходомера.

Сущность метода заключается в следующем. Если на пути закрученного потока поставить прямолопаетную крыльчатку, свободно вращающуюся в подшипниках, но имеющую тормозное устройство типа гистерезисной муф­ ты с постоянным моментом, не зависящим от угловой скорости, то крыльчатка будет уменьшать момент коли­ чества движения потока на постоянную величину. Зная угловую скорость входящего потока, можно записать:

скорость потока при выходе из нее; гм а кс и г м и а — соот­ ветственно максимальный и минимальный радиусы из­ мерительной крыльчатки.

Из выше приведенной формулы следует, что

или период частоты биения Т угловых скоростей входя­ щего и выходящего с чувствительной крыльчатки пото-

121

заключается в том, что постоянный гистерезисный момент заставляет все время приторможенную крыльчатку рас­ кручивать предварительно закрученный поток, причем при увеличении расхода вследствие постоянства момента уменьшение угловой скорости потока становится все меньшим. Таким образом, верхним пределом этих уст­ ройств будет возможная для измерения величина раз­ ности генерируемых крыльчатками частот.

Поскольку к потоку постоянно прикладывается мо­ мент гистерезисного тормоза, то для работоспособности расходомера на нижней точке диапазона измерения тре­ буется, чтобы лоток в этом случае обладал уже каким-то моментом количества движения, причем большим, чем тормозной.

Для расходомеров, у которых перед подвижными крыльчатками установлен неподвижный шнек, формаль­ ная нижняя точка диапазона измерения определяется следующим образом. Угловая скорость потока выража­ ется уравнением

откуда определяется минимальное значение измеряемого массового расхода:

122

На рис. 32 показано влияние изменения плотности по­ тока на массовый расход G0. При уменьшении плотно­ сти и при тех же массовых расходах угловая скорость выходящего со шнека потока возрастает и, следователь­ но, при той же градуировочной характеристике расходо-

Go(ßz) Sofa)

с постоянной угловой скоростью выражения для Go не зависит от плотности потока и имеет вид:

ш Смаке + гтт>

Погрешность прибора, вызванная влиянием паразит­ ных моментов при максимальном расходе, определяется по формуле

на заторможенную крыльчатку при (5Макс и максимально допустимых вязкостях измеряемого потока.

Изменение градуировочной характеристики прибора для случая изменения лишь вязкости потока определя­ ется по формуле

~~ Мт + Ша — Ш'„ '

123

Очевидно, что момент вязкого трения состоит из мо­ ментов сил вязкого трения по наружным цилиндриче­ ским поверхностям и торцам вращающихся крыльчатки и тормоза и момента вязкого трения между первой и второй вращающимися крыльчатками расходомера.

Приведенные выражения показывают, что влияние вязкости в рассматриваемых приборах можно частично

Рис. 33,

снизить рациональными конструктивными мерами, а так­ же увеличением момента гистерезисного тормоза Мѵ.

Однако последнее решение противоречит требованию по обеспечению достаточно высокой чувствительности этих расходомеров:

лишь до пределов, когда влияние вязкости не будет пре­ вышать допустимую погрешность измерения.

На рис. 33,а показана конструкция разработанного автором расходомера с гистерезисиой муфтой. В корпусе прибора 2 последовательно по потоку расположены не­ подвижный шнек 1, прямолопастная свободно вращаю­ щаяся крыльчатка 3, прямолопастная крыльчатка 4, при­ тормаживаемая гистерезисным устройством 5, который

124

состоит из экранированного неподвижного электромагни­ та постоянного тока и жестко связанного с крыльчаткой

триваемый метод, в котором

шарик 1 вращается свободно, а второй шарик 3 притор­ маживается с постоянным моментом Мг магнитным устройством 4. Торможение шарика вызывает некоторую раскрутку потока и период Т частоты биений двух ча­ стот fi и /г, генерируемых шариками в магиитоиндукционных преобразователях 2 и 5, пропорционален вели­ чине массового расхода:

G = K 1 = K , ^ - ^ = K J \

7 . - Л

где

Здесь Пз-—число зубьев звездочки магнитоиндукционного преобразователя; k — коэффициент пропорциональ­ ности.

При измерении больших расходов постоянный мо­ мент может оказаться недостаточным для получения необходимой чувствительности. В этом случае для рассматривемых приборов возможно применение компенса­ ционной схемы измерения, т. е. с регулируемым тормоз­ ным моментом:

G = K3MTT,

где Кз и Т — постоянные величины.

Для4 реализации последней зависимости необходимо применение управляющей схемы, которая регулирует потребляемый ток тормозной системы в зависимости от

125

периода биений частот, генерируемых в магнитоиндукционных узлах. Величина потребляемого тока будет ме­ рой массового расхода.

В качестве примера на рис. 35 представлены струк­ турные схемы измерения разности частот, генерируемых крыльчатками. Первое устройство (рис. 35,а) содержит

Рис. 35.

ходе синхронизатора импульса, совпадающего во време­ ни с ближайшим последующим импульсом частоты /г- Синхронизированный импульс через расширитель Р по­ ступает на вход схемы запрета, на второй вход которой через схему задержки D и формирователь Fz подаются импульсы с частотой /г- Параметры схемы задержки и расширителя выбираются таким образом, чтобы импуль­ сы последовательности /і, прошедшие через С и Р на вход схемы запрета, перекрывали во времени те же им­ пульсы последовательности fz прошедшие через схему задержки D и формирователь Fz на второй вход схемы запрета. Импульсы на выходе схемы запрета появляют­ ся при приходе импульсов только на ее второй вход и отсутствуют при одновременном появлении импульсов на обоих входах. Таким образом, на второй вход схемы запрета поступают импульсы с частотой /2, а на первый, являющийся входом запрета, поступают импульсы с ча-

126

стотой следования fi, каждый из которых привязан во времени к одному из импульсов последовательности /г и запрещает прохождение этого импульса на выход схе­ мы запрета. В результате на выходе появляются им­

схемы запрета отсутствует. Схема обеспечивает получе­ ние разностной частоты А/ при условии

Описанное устройство выделения разностной частоты двух последовательностей импульсов не является един­ ственно возможным решением. На рис. 35,6 приведена схема устройства, в котором в качестве синхронизатора используется триггер 7і со входами установки 0 и /, а также двухвходовая схема И запрета и формирова­ тели F s и F;,.

В нормальном положении триггер находится в состоя­ нии 0. При этом на один из входов схемы И поступает сигнал запрета и ни один из импульсов частоты fi, дей­ ствующих на ее второй вход, не запускает формирова­ тель F3 и, следовательно, не проходит на вход схемы запрета. После прихода в любой момент времени им­ пульса частоты f\ триггер переходит в состояние /, в ре­ зультате чего очередной импульс частоты fi проходит через схемы И и вызывает срабатывание заторможенно­ го блокинг-генератора, используемого в качестве фор­ мирователя Рз- Импульс с выхода поступает на вход схемы запрета. Этот же импульс возвращает Т в состоя­ ние 0 и тем самым отключает схему И до прихода сле­ дующего импульса частоты /ч. В остальном работа этой схемы аналогична работе схемы по рис. 35,а [Л. 45]. На ряс. 35,в показана простейшая схема вычитания, рассчи­ танная на работу с регулярно распределенными импуль­ сами. Две последовательности импульсов ni и п% прохоходящие через формирующие каскады F5 и fe, поступают на триггер Т% с раздельным запуском. Триггер управля­ ет ключом К так, что после воздействия на 7% очередно­ го сигнала из последовательности nz ключ К пропускает на выход импульсы /ІІ. Второе состояние триггера, воз­ никающее после действия сигнала из последовательности «2, соответствует запиранию ключа. Таким образом, после действия на триггер импульса п% следующий за «им им­ пульс из последовательности щ не проходит на выход системы. Если ti\>n% и обе последовательности регуляр­ ны, то число импульсов на выходе равно гі\—п% [Л. 46].

127

ГЛАВА ШЕСТАЯ

РАСХОДОМЕРЫ ВЗВЕШИВАНИЯ

В настоящее время отдельную группу измерителей массового рас­ хода составляют приборы, в которых при измерении производятся разделение потока на определенные массовые порции. Очевидно, что эти приборы могут применяться только в стационарных измеритель­ ных системах, не подверженных воздействиям ускорений. Основным недостатком этих устройств является нарушение непрерывности пото­ ка, что в ряде случаев ограничивает области их применения. Однако в некоторых случаях такие устройства могут достаточно просто н эффективно решать задачу измерения массового расхода.

Известны расходомеры малых расходов, в которых поток посту­ пает в уравновешенную грузом чашу. При заполнении чаши опреде­ ленной массой жидкости она опрокидывается, жидкость выливается и цикл наполнения повторяется. Мерой расхода, осредненного за цикл наполнения, является частота опрокидывания чаши либо время ее на­ полнения.

Большинство приборов этого класса для -слива взвешенного объ­ ема используют сифоны. Схема такого простейшего расходомера по­ казана на рис. 36. Жидкость по трубке 1 поступает в сосуд 2 и пе­ риодически сливается из него

через сифонную трубку 3.

измерения времени 7. Значение расхода вычисляется устройством 8, которое может быть аналоговым и дискретным. Расходомер свободен от погрешностей, связанных с нестабильностью уровней начала и конца слива, а также вызванных изменениями температуры. Определяющей является погрешность измерения массы и погрешность вычисления расхода. Погрешность расходомера может быть порядка 0,1% (Л. 47]. Диаметр сифонной трубки расходомера подбирается таким образом, чтобы слив жидкости происходил достаточно быстро.

Время слива обусловливается величиной поступающего расхода, диаметром сифонной трубки, вязкостью жидкости и уровнем этой жидкости в сосуде относительно выходного конца сифонной трубки. Время Тн наполнения сосуда до уровня перегиба сифонной трубки при постоянном объеме сосуда и неизменном положении сифонной трубки определяется выражением

V

где V—объем сосуда от входного конца сифона до уровня перегиба трубки; Q — среднее объемное значение расхода за время заполнения объема V.

128

ру 10. После выравнивания уровней в камерах 2 и 10 общий центр тяжести жидкости перемещается вертикально но линии z — z, распо­ ложенной посередине между камерами (рис. 37,6). Перемещение общего центра тяжести жидкости по вертикали обеспечивается одина­ ковыми размерами и горизонтальным расположением камер 2 и 10.

Опрокидывающий момент, действующий на коромысло, зависит только от веса жидкости в левой и правой камерах и уравновеши­ вается моментом от груза /.

При равенстве моментов наступает равновесие и происходит по­

образовавшейся разности уровней А/іі жидкость из камеры 2 перете­ кает в камеру 10. Это приводит к заполнению сифона 9, и жидкость начинает выливаться в воронку 12. Поскольку горизонтальный срез

По мере выливания жидкости ее центр тяжести перемещается вправо и в положении, изображенном на рис. 37,г, когда момент

15, частота замыкания которого является мерой расхода, осреднснного за предыдущий цикл работы устройства.

Длительность цикла, если взять начало отсчета с момента вы­ дачи дозы, можно выразить как

где 7"п — время цикла; Тл — время выдачи дозы; 7"Пр — промежуток времени с момента окончания выдачи дозы до начала выдачи сле­ дующей.

Исходя из условия, что жидкость должна поступать в камеру 10 не раньше, чем оттуда выльется предыдущая доза, можно записать:

т[Pp. — (£"д.к + Р' д.иав)]

в камере 2 несколько выше, чем уровень в камере 10 (иначе не было бы перетока), и величина его зависит от расхода поступающей жид­ кости, такой прибор лучше использовать при малых расходах.

130