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

Если скорость газа меняется по сечению трубки, то, изменяя положение луча лазера относительно оси труб­ ки, по изменению разности частот можно измерить про­ филь скоростей исследуемой 'среды.

К оптическим массовым расходомерам можно отне­ сти приборы, которые измеряют скорость изменения уровня жидкости в баке известной конфигурации. Уст­ ройство одного из таких расходомеров, разработанного при участии автора, показано на рис. 3,а. Принцип дей­ ствия такого прибора заключается в следующем. Свето­ вой поток от источника света 4 после прохождения кон-

Рис, 3.

денсора 10 попадает в интерферометр, образованный светоделительными элементами 7 .и зеркалами 6. В од­ ном из плеч интерферометра в баке / с прозрачным ок­ ном 3 находится измеряемая жидкость. Пройдя плечи интерферометра, световые потоки смешиваются и после линзы 5 и диафрагмы 9 образуют интерференционные полосы, которые проектируются на щели фотоприемни­ ков 8 [Л. 6, 7].

При истечении жидкости из бака постоянного сече­ ния 'скорость понижения ее уровня будет пропорцио­ нальна расходу. В этом случае 'изменение уровня на величину Ах приведет к изменению разности хода

20

iV=Ax(rtC B—1)/ЯцЕ импульсов на выходе фотоприемиика, т. е. частота следования импульсов связана с массовым расходом криогенных жидкостей следующим образом:

*( « o . - i ) Q t

где Sq — площадь сечения бака.

Порог чувствительности такого расходомера опреде­ ляется дискретностью счета. Преимуществом прибора является наличие выходного сигнала в цифровом виде. Погрешность расходомера составила менее 1% в диапа­ зоне измерения.

Использование интерференционных явлений открыва­ ет возможность построения «разностных схем» расходо­ меров. Возможная схема такого устройства показана .на рис. 3,6. Здесь при помощи специального светоделительного элемента 14 'световой поток делится на два и на­ правляется в два резервуара / с жидкостью 2. После отражения от зеркал 6, установленных на дне баков, световые потоки смешиваются при помощи того же дели­ тельного элемента, образуя интерференционную полосу. Используя описанную выше методику счета интерферен­ ционных полос, «пробегающих» перед приемной щелью фотоприемника, может "быть измерена разность массо­ вых расходов криогенной жидкости, вытекающей из ба­ ков {Л. 8—10].

6. Расходомеры периодического взвешивания обычно применяются для измерения небольших массовых расхо­ дов жидкостей и являются устройствами, в которых по­ ток прерывается на определенные порции по массе либо

которые в отечественной литературе получили название

ния, но интерес к ним продолжает существовать и име­ ется ряд сообщений о некоторых удачных их примене­ ниях. Принципиальная схема расходомера такого типа показана на рис. 4,а. После трубы 1 поток разветвляет­ ся в первичном преобразователе расхода на две парал-

21

в Башкирском филиале ВНИИКАиефтегаз расходомера для сырой нефти. Сырая нефть, поступающая из скважин, как известно, двух­ фазная, т. е. состоит из жидкостей и газа. Однако структурное со­ стояние потока этой смеси в технологическом трубопроводе очень сложное. Практически жидкая фаза этого потока состоит из смеси

путем перемещений отдельных включенніі между объемами жидко­ стей.

Размеры этих газовых включении бывают самые разнообразные: от мелких пузырей до сплошных заполнений участков трубопровода. Иногда совокупность пузырен образует пену.

Прохождение свободного газа в потоке газожидкостной среды может представлять и беспорядочную совокупность всех указанных разновидностей. Очевидно, что при эксплуатации нефтяных скважин наиболее целесообразно применение массовых расходомеров. Схема принципиального конструктивного решения этого расходомера изоб­ ражена на рис. 4,6. Поток газожндкостиой смеси в технологическом трубопроводе, подлежащий замеру, на участке прибора разделяется пополам вертикальной ножеобразной пластиной, стоящей внутри тру­ бы, и направляется по двум трубным отводам в герметичный кожух.

Выход смеси из каждого отвода осуществляется через одина­ ковые конические насадки, заканчивающиеся короткими цилиндриче­ скими поясками. Конический насадок увеличивает выходную скорость, а цилиндрический поясок обеспечивает сохранение формы струи. Конические насадки расположены таким образом, что выброс струй производится с одного гидростатического уровня, но одна струя на­ правлена вертикально вниз, а другая струя вертикально вверх. Так как выход струй из насадок осуществляется с одного гидростати­

где 5 —площадь выходного отверстия насадка; g — ускорение сво­ бодного падения; уем и рем — удельный веси плотность смеси.

Измерение гидродинамических усилий каждой струи в обоих каналах осуществляется чувствительным элементом, удаленным от выхода струи на некоторое расстояние h (см. рис. 4,6). В чувстви­

тельном элементе давление струи воспринимается специальной пла­ стиной со штоком, закрепленным в жестком центре сильфоиа и тонкой упругой пластине с вырезами. Поверхность приемной пласти­ ны, воспринимающей усилие струи, представляет собой криволиией-

23

ную поверхность специальной формы, обеспечивающей отклонение направления набегающей струи (поворот струи) на 180°. В этом' случае усилия, воспринимаемые пластинами, будут:

Скорости струй по сравнению с начальной скоростью при до­ стижении пластины будут равны: падающая струя за счет свободно­ го падения приобретает добавочную скорость:

поднимающаяся струя, наоборот, потеряет часть начальной скоро­ сти:

ѴБ~ 0оР — ѵкои-

Добавочная скорость, вызванная действием в обоих каналах ускорения свободного падения, будет одинаковая, так как она раз­ вивается на одинаковых расстояниях от сечения выхода струи и вы­ разится:

Удод = k V~2gh.

Для рассматриваемого случая, где имеет место неразрывный поток струи на очень коротком участке и поэтому отсутствует фронт струи, величина k, учитывающая сопротивление движению струи

со стороны окружающего газа, практически будет равна единице. Следовательно, предыдущее выражение примет следующий вид:

Удои = VZgfi-

Подставляя значения ѵА и ѵБ, получаем:

FЛ —2 % м ("ор + "дои)2;

FB = 2S?0H(vaV — vMUy.

Разность усилий на пластинах, воспринимающих давление струи, составит:

к жесткому центру сильфона и центру пластинчатой растяжки, через которые он проходит. Такая система обеспечивает возможность только вертикальных перемещений. Кроме того, жесткий центр силь­ фона подпирается поджатой цилиндрической пружиной. При по­ мощи этих пружин осуществляется юстировка жесткостей обоих чув­ ствительных элементов. Кроме того, наличие взаимопротиводействующих упругих элементов исключает механический гистерезис.

Сами сильфоны закреплены при помощи штуцеров в корпусе прибора и образуют совместно с двумя сильфонами вторичного прибора замкнутую гидравлическую систему, заполненную рабочей жидкостью. Жесткие центры сильфонов вторичного прибора, нахо­ дясь на некотором расстоянии друг от друга, скреплены между со­ бой штоком.

24

Усилия, возникающие на сильфонах первичного преобразователя, передаются через рабочую жидкость сильфонам вторичного прибора, шток которых стремится переместиться под действием разности усилий. Усилия преобразуются в электрические импульсы, частота следования которых пропорциональна этим усилиям. После матема­ тических преобразований эти импульсы поступают на электромеха­ нический, сумматор и фиксируются счетчиком.

Известны массовые расходомеры (рис. 5,а) для пыле­ видных веществ, когда поток частиц падает на силоиз-

Рис. 5.

мерительный элемент 1, расположенный внутри питате­

величины плотности частичек пылевого потока '[Л. 27].

с определенной высоты, ограничиваемой нижним срезом конуса 3 измерительной воронки 4, и не имели началь­

25

ксимальные и минимальные погрешности рассматривае­ мого расходомера.

Расходомер был использован при наладке шнековых пылепитателей лопасных, барабанных питателей и аэро­ питателей и позволил изучить ряд факторов, влияющих в условиях эксплуатации на стабильность и неравномер­ ность подачи пыли питателями на горелочное устройство парогенераторов [Л. 48].

3. Выбор массовых расходомеров

При решении вопроса о выборе типа расходомера следует учитывать, что в настоящее время массовые ра­ сходомеры, как правило, по точности, сложности конст­

уступают объемным. Поэтому массовые расходомеры следует применять лишь в случаях, когда условия веде­

требуют их применения. Так, например, для керосина можно считать, что на каждые 10°С изменения темпера­ туры его плотность меняется на 1%. Поэтому массовый расходомер, имеющий погрешность измерения ±3%> и объемный, имеющий погрешность ± 1 % , с одинаковой точностью могут измерять массовый расход керосина при изменении его температуры на ±20°С.

Обычно точность расходомера характеризуется при­ веденной погрешностью бПр, т. е. абсолютной погрешно­ стью, отнесенной к максимальной измеряемой данным прибором величине. В этом случае погрешность измере­ ния или относительная погрешность боти, равная отно­ шению абсолютной погрешности к имеряемой величине:

хода.

Следовательно, при учете реального изменения плот­ ности протекающего по трубопроводу вещества и точно­ стей расходомеров можно определить рациональные об­ ласти 'применения объемных или массовых расходоме­ ров.

27

Следует отметить, что при определении суммарного расхода погрешность интегрирования определяется от­ носительной погрешностью измерителя и распределени­ ем во времени текущих значений измеряемых расходов за период суммирования, .причем суммарная погреш­ ность .интегрирования подсчитывается по формуле

При незначительных изменениях плотности жидкости для измерения массового расхода можно применять, на­ пример, обычный ротаметр, который представляет собой коническую трубку, внутри которой перемещается попла­ вок. Перемещение поплавка на соответствующую высо­

Анализ приведенной формулы показывает, что изме­ нение плотности потока на 10% (Ар/рС р=0,1) вызывает 0,5% рассогласования в показаниях ротаметра при гра­ дуировке его по массовому расходу pQ [Л. 52].

Другим примером расходомера с переменной пло­ щадью проходного сечения является прибор с подвиж­ ной заслонкой, которая соединена с пружиной. В этом расходомере в результате перепада давления подпружи­ ненная заслонка поворачивается и величина проходного сечения потока изменяется. В таких приборах изменение плотности потока на 5% вызывает погрешность 1,6%.

28

Рассмотрим один из приборов этого типа, который содержит вертикальный цилиндр с прямоугольным выре­ зом в боковой стенке и свободный скользящий в цилин­ дре полый, целиком погруженный в жидкость, поршень. Поршень под напором поступающей снизу жидкости по­ днимается на высоту, определяемую массовым расходом,

часть цилиндра с основной магистралью за расходоме­ ром. Движение жидкости в этой линии создается за счет перепада давления на сужающем устройстве, устанавли­ ваемом в трубопроводе между точкой присоединения к нему вспомогательной линии и расходомером. Положе­ ние поршня по высоте контролируется магнитным устрой­ ством. С помощью потенциометра перемещение пор­ шня преобразуется в электрический сигнал напряжения, который поступает на интегратор, где преобразуется в частоту. Интегрирование поэтому осуществляется путем счета импульсов. Расходомер требует первоначальной

мышленные испытания на нефтеперерабатывающих за­

брежимо мало. Этот ірасходомер показал хорошую ра­ ботоспособность при наличии в потоке твердых и осаж­ дающихся частиц.

ГЛАВА ВТОРАЯ

МЕХАНИЧЕСКИЕ МАССОВЫЕ РАСХОДОМЕРЫ

4. Основные типы расходомеров

В механических массовых расходомерах исполь­ зуется закон количества движения или теорема импуль­ сов, которая гласит: изменение .количества движения материальной точки за некоторый промежуток времени

29