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

Описанный расходомер класса 0,5 в стеклянном исполнении изютовлен в Пермском филиале ГИПХ и предназначен для фасовки жид­ ких химических реактивов [Л. 49].

Двухкамерный расходомер подобного типа, предназначенный для больших расходов (рис. 38), состоит из двух одинаковых емкостей 5 и приемной горловины 2, разделенной на две равные части иожевндной перегородкой 3. Емкости соединены с горловиной каналами 12 и 4, предназначенными для подвода жидкости и отвода воздуха. До­ затор установлен на призменной опоре 13, которая дает ему возмож­ ность качаться с малым углом в пределах упоров 11. С емкостями

по трубе 1 непрерывно поступает в одну из частей приемной горло­ вины и по широкому каналу 12 направляется в пустую емкость; вес жидкости уравновешивается весом груза.

В положении равновесия

Р Р г у і ,

где Яд — вес дозы; Р Г р — вес груза; L — расстояние центра тяжести жидкости от опоры; I — расстояние центра тяжести груза от опопы в крайнем положении.

Благодаря тому что центр тяжести системы расположен выше опоры, происходит быстрый поворот дозатора. При этом струя пере­ ключается на пустую емкость, верхнее колено сифона погружается в жидкость и происходит выдача дозы, а груз, поднятый на некото­ рую высоту, с небольшой постоянной скоростью перемещается до противоположного упора. С этого момента цикл работы расходомера повторяется.

Для увеличения точности измерения концы сифонов помещены

вуглубление 10, вследствие чего уменьшается свободная поверхность

иколичество остающейся в емкости жидкости.

Настройка прибора иа определенные, одинаковые для обеих емко­ стей дозы производится перемещением груза с помощью регулировоч­ ных винтов, что обеспечивает изменение частотной характеристики.

При заданной производительности и величине дозы выражения для расчета параметров прибора и его конструктивных размеров мо­ гут быть получены, исходя из следующих условий, определяющих его нормальную работу:

Здесь Гц — время цикла; Го—время опорожнения емкости; Г т —

время, необходимое для приема сливаемой дозы,

\dMl\<\dMi+dMrJt\,

где Мі — момент опорожняемой емкости относительно опоры; УИ2 —-

момент наполняемой емкости относительно опоры; Мг-р — момент пе­

Рис. 39.

исключен, т. е. момент опорожняемой емкости относительно опоры всегда должен оставаться больше суммы моментов наполняемой емкости и перекатывающегося груза.

Описанный прибор был изготовлен из винипласта для фасовки бромистоводородной кислоты. При испытаниях он показал погреш­ ность 0,1% при дозе 1,25 кг и времени цикла 20 сек.

При дозах порядка 10 кг л\ выше помещать перекатывающийся груз в демпфирующую жидкость нецелесообразно, так как при этом значительно увеличивается ее объем.

К приборам, рассматриваемым в этой главе, можно отнести и та­ кие, в которых о расходе судят по изменению массы жидкости, нахо­ дящейся на платформе весов. С помощью устройств, работающих по массовому принципу дозирования и имеющих преобразователь массы, можно определять массовый расход по производной текущей координаты массы, получаемой с помощью пассивного дифференци­ рующего звена Однако в этом случае погрешности измерения полу­ чаются значительными и зависят от многих факторов.

132

Расход может быть также измерен при помощи преобразователей скорости перемещения плеча весового механизма (скорости деформа­ ции упругого элемента) в электрическое напряжение, причем наибо­ лее подходящим для этой задачи является преобразователь скорости индуктивного типа. Схема одного из вариантов такого преобразовате­ ля (рис. 39), применяемого для измерения скорости заливки жидкого металла, разработана в Институте проблем литья АН СССР {Л. 50].

В ферромагнитном корпусе 2 помещается катушка 3 с большим числом витков. Постоянный магнит создает магнитный поток в маг­ нитной цепи

где Ф — магнитный поток; F—м. д. с. постоянного магнита; RM — сопротивление магнитной цепи.

В рассматриваемой магнитной цепи преобразователя

Rn=kôr.u

где ом — зазор между подвижным сердечником / и постоянным маг­ нитом; к — коэффициент пропорциональности.

Учитывая, что э. д. с. преобразователя

и считая F=const, нетрудно показать, что

где &2 — коэффициент пропорциональности; б(/) — закон движения сердечника; и д в — скорость движения сердечника, пропорциональная массовому расходу.

Зависимость магнитного потока от зазора б м имеет нелинейный характер. В том случае, если рабочий участок перемещения сравни­ тельно мал, то с некоторыми допущениями можно считать характери­ стику датчика E=f(vg) на этом участке линейной.

Для исключения влияния нелинейности характеристики преобра­ зователя скорости на точность дозирования необходимо измерение скорости заливки каждой дозы производить на одном и том же уча­ стке его характеристики. Для выполнения этой задачи преобразова­ тель снабжен устройством автоматической установки сердечника в ну­ левое (исходное) положение перед каждым циклом дозирования.

Схема первичного преобразователя расхода жидкого металла с автоматической установкой нуля показана на рис. 39 и состоит из якоря 1, статора 2 с обмоткой 3, постоянного магнита 4, электриче­ ской измерительной мостовой схемы 5, питающейся от трансформато­ ра 6, фазочувствительного усилителя 7, исполнительного электродви­ гателя 8 и редуктора 9. Прибор работает следующим образом. В нор­ мальном состоянии, когда контакт К не замкнут и реле Р не включено, обмотка 3 преобразователя включена контактами Р/2 как плечо схемы 5. Мостовая схема 5 настроена таким образом, чтобы при определенном взаимном расположении якоря и статора индук­ тивного преобразователя на измерительной диагонали был нуль.

Если положение якоря относительно статора не соответствует балансному (нулевому), то на измерительной диагонали появляется разность потенциалов, которая подается иа усилитель 7 (через кон-

133

такты Я/3), и двигатель 5 через редуктор 9 перемещает статор 2 до положения полного баланса мосга. Таким образом, перед началом каждого цикла дозировки якорь и статор занимают относительно друг друга строго определенное расположение.

Система дозирования с преобразователем скорости работает сле­ дующим образом. При нажатии кнопки К включается реле Я, кон­ такты которого Р/\ включают дозатор 10, контакты Я/2 отключают преобразователь от моста, контакты Р/3 отключают электромехани­ ческую схему перемещения статора, а контакты Я/4 подключают обмотку преобразователя на регистрирующий, показывающий или управляющий прибор //. Как только металл начинает выливаться, весовая система 12, на которой установлен дозатор 10, разгружается и смещается вертикально. Благодаря жесткой связи 13 якорь / пере­ мещается, зазор между якорем 1 и постоянным магнитом 4 изменяет­ ся, в результате чего происходит изменение магнитного потока. При

циональный массе дозы металла, залитого в форму, другой—пропор­ циональный массовому расходу. Прибор состоит из цилиндрического дифференциально-трансформаторного преобразователя перемещения /, индуктивного преобразователя скорости перемещения / / и электроме­ ханической системы установки нуля III. Преобразователь / состоит из статора 1, якоря 2 с первичной и двумя встречно включенными

к подвижной платформе весов; статоры / и 3 также жестко связаны между собой и опираются на редуктор 8, который крепится к непо­ движной платформе весов.

Прибор работает следующим образом. В нормальном состоянии размыкающий контакт Я подключает к выходу усилителя 6 электро­ двигатель 7. Двигатель 7 через редуктор S перемещает статоры пре­ образователей до положения, когда на выходе преобразователя пе­ ремещения напряжение станет равным нулю. Когда происходит процесс

134

взвешивания заливаемого металла (при этом контакт Р размыкается от управляющих органов), подвижная платформа перемещается со­ вместно с якорями 2 и 5, в результате чего на выходе преобразова­ теля перемещения появляется напряжение, пропорциональное массе, а на выходе преобразователя скорости — напряжение, пропорциональ­ ное скорости перемещения (скорости заливки). Полученные сигналы поступают на соответствующие входы устройства, управляющего за­ ливкой жидкого металла. Как только форма залита, весовая платфор­ ма останавливается, контакт Р замыкается и происходит процесс установки нуля (баланса прибора).

Совмещение преобразователей в одном корпусе позволяет создать общее для двух преобразователей автоматическое устройство уста­ новки нуля этих приборов. Прибор практически безынерционно вы­ дает сигналы, пропорциональные массе и скорости, а в промежутках между замера­ ми (заливками форм) автоматически уста­ навливает нуль. При этом фактическая мас­ са взвешиваемой системы становится «сход­ ным (нулевым) для следующего .измерения (заливки). Таким образом, аннулируется влияние футеровки, наличие балласта и других помех.

Прибор обеспечивает выдачу сигналов массы и скорости полного хода датчиков за одну дозу. Это приводит к тому, что каж­ дый замер происходит на одном и том же участке характеристик датчиков, и таким образом автоматически устраняется влия­ ние яелинейностей характеристик датчиков.

для вывода измеряемого усилия из полости повышенного давления. На рис. 41 показана схема гидростатического расходомера, разрабо­ танного Ю. Ф. Морозовым [Л. 51], у которого выталкивающая сила поплавка 1, помещенного в измеряемую жидкость, через валик 2, скобу 3, подшипник 4, винтовую пару 5 и элемент переменной жест­ кости 7 действует на вибрационно-частотный датчик 6. Основным требованием к этому устройству является возможно более полная компенсация усилий, возникающих в нем вследствие подъема давле­ ния в емкости для того, чтобы измеряемая сила массы поплавка вос­ принималась датчиком усилий с минимальным искажением. Эта зада­ ча решается установкой двух горизонтальных сильфонов 9, подшип­ ника и горизонтальной регулировочной винтовой пары. С помощью

135

винтовой пары сильфоны могут быть установлены в такое экспери­ ментально определяемое положение, при котором подъем давления в емкости практически не вызывает возникновения в сильфонах вер­ тикально направленного усилия, передаваемого стопками 8 на корпус вибрационно-частотиого датчика 6.

Особенностью описанного устройства является возникновение вертикального усилия от давления в рабочих условиях, когда масса поплавка меняется и вследствие деформации элементов его подвески сильфоны уходят из равновесного положения. Для введения соответ­ ствующих поправок необходимо иметь зависимость горизонтальной эффективной площади сильфониого уз.ча от деформации подвески. Эта зависимость является линейной в достаточно широком диапазоне деформаций. Сильфонный узел рассматриваемого расходомера дол­ жен уравновешивать выталкивающую силу газа, действующую на выступающую из жидкости часть поплавка. Наличие выталкивающей силы газа искажает результаты измерения выталкивающей силы жид­ кости, являющейся выходной величиной. Эта задача осложняется пульсациями, непостоянством давления в емкости, что нередко имеет место на практике [Л. 51].

Представляется возможным переменную составляющую выталки­ вающей силы газа достаточно полно уравновешивать противоположно направленной переменной составляющей вертикального усилия от давления в сильфонном узле. Для этого, во-первых, когда поплавок полностью погружен в жидкость, валик 2 сильфониого узла должен находиться в равновесном положении. Во-вторых, жесткость подвески поплавка должна быть такой, чтобы при опускании уровня жидкости увеличение выталкивающей силы газа из-за увеличения объема вы­ ступающей части поплавка компенсировалось увеличением горизон­ тальной эффективной площади сильфониого узла. Исходя из этих условий, можно определить соотношение между жесткостью подвески, углом наклона характеристики сильфониого узла, удельными весами жидкости и газа и избыточным давлением газа.

При оценке влияния случайных отклонений перечисленных пара­ метров от ожидаемых значений следует иметь в виду, что выталки­ вающая сила газа обычно не превышает 5% измеряемого значения изменения выталкивающей силы жид-кости, а колебания составляют еще меньшую долю. Поэтому компенсация этих колебаний даже на 3/4, что вполне реально, уменьшает соответствующую погреш' ость до пренебрежимо малого значения. Для точного учета суммарѵ го зна­ чения выталкивающей силы газа, разумеется, необходимо ѵ.гмерять среднюю температуру газа.

Рассмотрим расходомер, разработанный на основе известных расходомеров переменного уровня с отверстия­ ми щелевого типа. Зависимость между измеряемым рас­ ходом и уровнем жидкости в измерительной камере пре­ образователя с вертикальной прямоугольной щелью оп­ ределяется выражением

где Q — расход жидкости; Ьщ — ширина прямоугольной щели; ар—коэффициент расхода; ут — высота уровня жидкости.

136

Наличие нелинейной зависимости между расходом и уровнем жидкости в измерительной камере приводит к тому, что диапазон измерений преобразователя с пря­ моугольной щелью и неизменной площадью поперечного сечения значительно меньше, чем у преобразователя с линейной зависимостью между расходом и уровнем (он близок к диапазону диафрагменных расходомеров).

Описанный выше преобразователь при наличии пря­ моугольной щели истечения обеспечивает линейную за­ висимость между измеряемым расходом и массой измеритель­ ной камеры, служащей мерой расхода жидкости. Камера преобразователя имеет пере­ менное по высоте поперечное сечение, площадь которого уве­ личивается пропорционально квадратному корню высоты се­ чения [Л. 53].

Объем жидкости в такой камере по высоте изменяется пропорционально уровню жид­ кости в степени три вторых (у№['). Масса этой жидкости при постоянной плотности с увеличением уровня в камере будет подчиняться той же за­

висимости, которая связывает расход жидкости и высоту уровня измерительной камеры с прямоугольной щелью истечения. Вследствие этого зависимость между расхо­ дом и массой жидкости в камере будет линейной.

Схематичное изображение измерительной камеры преобразователя расхода представлено на рис. 42. В ка­ мере имеются две параллельные стенки 2 и 7, имеющие форму параболических сегментов, которые размещены на расстоянии друг от друга, равном ширине прямо­ угольной полосы 3, являющейся боковой стенкой камеры.

Полоса 3 жестко прикреплена к образующим тор­ цовым кромкам стенок 2 и 7. Площадь поперечного се­ чения такой камеры

FK = 2cXx,

где 2хк — ширина стенки камеры, имеющей форму пара­

болического, сегмента.

137

Список литературы

1. Катыс Г. П. Системы автоматического контроля полей скоро­ стей и расходов. М., «Наука», 1965.

2.Кремлевский П. П. Расходомеры. М.— Л., Машгаз, 1963.

3.Ильинский В. М. Бесконтактное измерение расходов. М., «Энергия», 1970.

4.Ильинский В. М. Исследование принципов построения и раз­

работка новых массовых расходомеров. Канд. дисс. ИПУ ТК, 1966.

6.Оптический расходомер-уровнемер. АС № 222685 (СССР). Опубл. в бюл. «Изобретения. Промышленные образцы. Товарные знаки», 1968, № 23. Авт.: Ильинский В. М., Катыс Г. П., Крав­ цов Н. В. и др.

7.Ильинский В. М., Катыс Г. П., Кравцов Н. В. Устройство для

8. Катыс Г. П., Кравцов Н. В., Чирков Л. Н. Дискретный опти­ ческий уровнемер-расходомер». АС № 220550 (СССР). Опубл. в бюл. «Изобретения. Промышленные образцы. Товарные знаки», 1968, № 20.

9. Катыс Г. П., Ильинский В. М., Кравцов Н. В. Оптические расходомеры.— «Приборы и средства автоматизации», 1967, № 12.

10. Ильинский В. М., Катыс Г. П., Кравцов Н. В. Принципы построения оптических расходомеров.— В кн.: Методы и приборы

для измерения расходов и количеств жидкости, газа и пара. Л., Оншпрнбор, 1967.

11.Ильинский В. М. Методические погрешности механических массовых расходомеров.— В кн.: Современные проблемы киберне­

тики, М., «Наука», 1970.

12.Ильинский В. М., Катыс Г. П. Устройство автоматического контроля массового расхода. АС № 169815 (СССР). Опубл. в «Бюл. изобрет. и товарных знаков», 1965, № 7.

13.Катыс Г. П., Ильинский В. М., Мамиконов Ю. Д. Массовые турборасходомеры нестационарных потоков. М., ГОСИНТИ, 1963.

14.Ильинский В. М. Динамические свойства массовых расходо­ меров.— В кн.: Методы и приборы для измерения расходов и коли­

честв жидкости, газа и пара. Л., Онтиприбор, 1967.

16.Ильинский В. М. Динамика массовых расходомеров.— «Приборы и средства автоматизации», 1967, № 12.

140