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

а погрешность измерения бі от влияния вязкости и тре­ ния в опорах, которая отсутствует во всех расходомерах с прямолопастными крыльчатками, выразится:

Таким образом, в расходомерах по рис. 8, 1-5; 8, 1-6 рассмотренная погрешность отсутствует, так как для этих конструкций нет требований к идеальности харак­ теристики гидропривода вида a=f(Q).

Приборы, выделенные в группу I I на рис. 8, произ­ водят закрутку потока прямолопастными крыльчатками, причем измерение момента массового'расхода M = Gwrz возможно как при выпрямлении закрученного с постоян­ ной скоростью потока (расходометр типа П-1), так и при самой закрутке потока. При выпрямлении потока мо­ мент массового расхода измеряется неподвижной систе­ мой измерения силы или момента. С точки зрения обе­ спечения точности измерения к этим приборам, предъяв­ ляются повышенные требования к постоянству угловой скорости крыльчаток, что может привести к необходи­ мости применения специального источника питания элек­ тродвигателя стабилизированной частоты.

В таких конструкциях турборасходомеров возможно применение электронно-оптического преобразователя угла поворота чувствительной крыльчатки, разрешаю­ щая способность которого в настоящее время достигает 2-16—2~18, что может привести к максимальной ошибке в определении угла поворота, не превышающей 5—10".

погрешность отсчета углового положения измерительной крыльчатки не хуже 0,02%.

Привод крыльчаток расходомеров этого типа осуще­ ствляется, как правило, экранированными электродви­ гателями, у которых в зазоре между статором и ротором устанавливается металлический экран, герметизирую­ щий обмотки статора от измеряемого потока. В ряде конструкций расходомеров встречаются и обычные элек­ тродвигатели, но тогда в приборах применяют электро­ магнитные муфты с металлическим экраном, отделяю­ щим двигатель от потока.

40

абсолютно аналогичен расходомерам с прямолопастными крыльчатками, имеющими гидропривод. Очевидно, что при способе измерения расхода ло промежутку времени •М отсутствует требование к поддержанию постоянной скорости закрутки и в этих типах расходомеров (рис. 8, II-2—8, П-4) может применяться асинхронный электро­ привод, питающийся от источников переменного тока без специальной стабилизации частоты.

На рис. 8, П-З показана схема массового расходоме­ ра для гидросистем, имеющих центробежные или осевые насосы или турбины. Вследствие того что турбомашина формирует дополнительное вращательное движение по­ тока, создается возможность совмещать рабочие и изме­

расходомера участвует в рабочем цикле турбомашины, что позволяет снизить общие габаритные и весовые ха­ рактеристики гидросистемы, понизить энергоемкость всей системы за счет снижения внешних затрат энергии на цели измерения, а также за счет уменьшения общего гидравлического сопротивления трубопроводов [Л. 19]. Чувствительный элемент расходомера представляет прямолопастную крыльчатку, расположенную перед ротором и на валу турбомашины. Крыльчатка производит закру­ чивание входящего в насос потока до угловой скорости колеса. В расходомерах с электроприводом возможно применение (аналогично расходомерам с гидроприво­ дом) двух прямолопастных крыльчаток, обеспечивающее дифференциальный метод измерения, инвариантный к изменениям вязкости потока (рис. 8, II-4).

На рис. 8, П-б показан тип турборасходомера, в ко­ тором прямолопастная крыльчатка совмещена с ротором экранированного электродвигателя, и но величине мощ­ ности или тока, потребляемого статором, судят о массо­ вом расходе. Установка двух идентичных роторов позво­ ляет исключить из показаний расходомера погрешности при изменении вязкости потока і[Л. 18].

На рис. 8, ІІ-5 изображен расходомер, в котором крыльчатка расположена снаружи электропривода. Та­

с. малой плотностью [Л. 22].

41

На рис. 8, ÎÎ-7 представлен расходомер, в котором закрутка потока пропзодится направляющим сотовым

части расходомера на гибком элементе, который одно­ временно защищает статор двигателя от измеряемой сре­ ды. О величине массового расхода судят либо по величине •крутящего момента, прикладываемого к сотовому аппа­

которой ось симметрии двигается по цилиндрической поверхности, а две взаимно перпендикулярных плоско­ сти симметрии совершают параллельные перемещения относительно своего первоначального положения [Л. 21].

Определенную группу в представленной таблице за­ нимают расходомеры, использующие электромеханиче­ ские тормозные устройства, определенным образом свя­ занные с вращающимися в потоке чувствительными крыльчатками. На рис. 8. Ш-1 представлена принци­ пиальная схема массового расходомера, спиральная крыльчатка которого притормаживается магнитным устройством, тормозной момент которого пропорциона­ лен ее оборотам. Спиральная крыльчатка, притормаживаясь, закручивает протекающий через нее поток веще­ ства. Угловая скорость потока, покидающего спираль­ ную крыльчатку, определяется свободно вращающейся прямолопасной крыльчаткой.

Так как момент внешних сил, приводящий ,к закрут­ ке потока Mi = kpvm, равен моменту, создаваемому тор­ мозным устройством ЛІ2=/г'ІІсо2, можно записать:

В данном устройстве величина массового расхода измеряемого вещества пропорциональна отношению угло­ вых скоростей спиральной и прямолопастиой крыльча­ ток. Измерение отношения производится во вторичном преобразователе при делении двух частот.

В массовом расходомере, принципиальная схема ко­ торого представлена на рис. 8, ІП-2, применяется гисте-

42

9

резинное тормозное устройство, создающее постоянный момент независимо от угловой скорости. В приборе по­ следовательно расположены неподвижный шнек, свобод­ но вращающаяся крыльчатка и прямолопастная крыль­ чатка, снабженная гистерезисной муфтой. Закрученный шнеком поток, воздействуя на лопасти первой крыльчат­ ки, приводит ее во вращение с угловой скоростью ші. Во второй крыльчатке поток частично выпрямляется, так как последняя притормаживается гистерезисной муфтой. Так как момент муфты постоянен и не зависит от угловой скорости вращения второй крыльчатки, можно записать:

которого представлена на рис. 8, ПІ-3, вращаемая по­ током спиральная крыльчатка притормаживается также

с корпусом прибора, и ротора, установленного на спи­ ральной крыльчатке, образующего гистерезисную тормо­ зящую муфту. При вращении ротора статор развивает тормозной момент, величина которого постоянна и не зависит от величины угловой скорости. Величина инер­ ционного момента потока, закрученного спиральной крыльчаткой, равна величине момента, возникающего между статором и ротором. Поэтому лоток жидкости, прошедший через приторможенную спиральную крыль­ чатку, совершает вращательное движение с постоянной величиной момента массового расхода.

Последовательно за приторможенной спиральной крыльчаткой расположена свободно вращающаяся пря­ молопастная крыльчатка. Угловая скорость ее измеря­ ется с помощью магнитоиндукционного датчика. В дан­ ном расходомере величина массового расхода пропорци­ ональна периоду вращения прямрлопаетнор крыльчатки. •

43

Действительно, так как величина инерционного мо­ мента равна Мгс = Ігрѵы, то

Таким образом, измеряя .период вращения свободно вращающейся прямолопастной крыльчатки, измеряют тем самым массовый расход контролируемого вещества.

Рассмотрим приборы этого типа с электроприводом [Л. 31]. На рис. 8, ІѴ-2 показана принципиальная схема расходомера, в котором прямолопастная крыльчатка связана с вращающимся ротором экранированного элек­ тродвигателя с помощью гистерезисной муфты. Так как момент, прикладываемый к потоку прямолопастной крыльчаткой, .постоянен, то момент количества движения потока, проходящего через расходомер и получающего закрутку, равен

Таким образом, величина массового расхода пропорци­ ональна величине периода вращения прямолопастной крыльчатки.

На рис. 8, ІѴ-1 показана схема расходомера, в кото­ ром притормаживание спиральной крыльчатки осущест­ вляется электромагнитным устройством, расположенным снаружи корпуса расходомера. Нетрудно видеть, что основные кинематические зависимости такого расходо­

ка тормозится специальным электромагнитным устрой­ ством.

Ток, протекающий через обмотку электромагнита, регулируется специальной схемой так, чтобы прямоло­ пастная крыльчатка вращалась с постоянной угловой скоростью, вне зависимости от величины расхода. При этом имеет место следующая зависимость:

М = Ігрѵа

и так как со = const, то

M=kpv = kG.

Таким образом, величина момента, возникающего на приторможенной спиральной крыльчатке, лропорциональ-

44

на массовому расходу, о величине которого судят по току, подаваемому на электромагнитное тормозное устройство.

Принципиальная схема массового расходомера Кориолиса (рис. 8, Ѵ-1) отличается от рассмотренных турборасходомеров конструкцией чувствительного элемента. В этих приборах измерительные крыльчатки снабжают­ ся не продольными, а радиальными каналами. Это об­ стоятельство приводит к повышению чувствительности и точности прибора при измерении малых расходов. В рас­ ходомерах Кориолиса чувствительный элемент воспри­ нимает момент, равный M=kpv<ù. Поэтому измеритель­ ная зависимость приборов этого типа может быть пред­ ставлена следующим образом:

(О ш

В этом выражении в коэффициент /г входит наиболь­ ший радиус вращающейся крыльчатки, что определяет

повышенную чувствительность датчика [Л. 32]. Таким образом, промежуток времени между импульсами, гене­

рируемыми в магнитоиндукционных датчиках ведущей и ведомой крыльчаток, пропорционален величине массово­ го расхода измеряемого вещества.

Рассмотренные расходомеры применяются в основ­ ном для автоматического контроля массовых расходов веществ, вязкость которых остается практически посто­ янной в широком диапазоне изменения температуры. Когда вязкость измеряемых веществ значительно меня­ ется с изменением температуры, целесообразнее для точ­ ного автоматического контроля расходов применение дифференциальных массовых расходомеров.

Вэтом случае последовательно чувствительному эле­ менту устанавливается идентичная компенсационная крыльчатка, роль которой сводится к корректированию выходного сигнала прибора по вязкости, и, кроме того, эта крыльчатка увеличивает чувствительность прибора (рис. 8, Ѵ-2).

Вкориолисовых расходомерах с электроприводом (рис. 8, VI) в случае синхронного вращения крыльчаток

также, как и в ранее рассмотренных приборах, возмож­ но получение информации о расходе при измерении мо­ мента, а в случае асинхронного привода по временному промежутку -At ![Л. 33]. В приборе (рис. 8, ѴІ-3) массо­ вый расход определяется по разности потребляемых электроприводами токов [Л. 1].

45

. Гироскопические массовые расходомеры применяют­ ся, как правило, с синхронным электроприводом. На рис. 8, V I I I показаны основные типы таких расходоме­ ров. В этих приборах первичный преобразователь пред­ ставляет собой петлеобразный трубопровод, вращаемый с постоянной скоростью. Характер движения жидкости по трубопроводу соответствует вращению ротора гиро­ скопа. При этом момент .прецессии гироскопа пропорци­ онален массовому расходу.

Вначале рассмотрим участок трубопровода а, изо­ браженный на рис. 8, ѴІІІ-1. Принимаем, что поток вхо­ дит в преобразователь незакрученным и угловая ско­ рость потока на выходе пренебрежимо мала но отноше­ нию к окружной скорости потока на расстоянии г от оси вращения. В этом случае можно сказать, что изме­ нение секундного количества движения в участке а рав­

как к кориолисовым расходомерам, так и к гироскопи­ ческим [Л. 30]. Это обстоятельство подтверждает общ­ ность физических явлений в рассматриваемых массовых расходомерах. В этом расходомере измеряемый поток проходит по вращающемуся петлеобразному трубопро­ воду, в котором П-образный участок имеет упругое сое­ динение с остальной конструкцией. При движении жи­ дкости по трубопроводу на" него действует момент M=Ga(ri—r2)L, который при постоянной угловой ско­ рости пропорционален массовому расходу и служит ме­ рой массового расхода [Л. 34].

В настоящее время разработан обширный класс массовых расходомеров, в которых момент количества движения измеряется при колебательном движении крыльчаток. Эти приборы имеют ту же схемусилового взаимодействия с измерительными устройствами и мо­ гут быть также разделены по предлагаемой классифц* кации,

46

Рассмотренные аналитические выражения взаимодей­ ствия потока и элементов расходомеров применены для этих приборов на основании струйной теории,- по кото­ рой рассматриваются траектории отдельно движущихся частиц, не изменяющиеся во времени и совпадающие с линиями тока. Иначе говоря, крыльчатки расходомеров

давление с передней стороны лопатки выше, чем с зад­

щую; со — угловая скорость; г — радиус крыльчатки; S— площадь сечения проточной части.

Нижние индексы обозначают: /—входную грань ло­ пасти; 2 — выходную грань лопасти; I и I I номер крыль­ чатки по порядку прохождения потока.

Приведенное выражение показывает, что на точность измерения будут оказывать влияние любые перестройки

могут влиять на точность, ибо это приведет к изменению профиля скоростей.

Интегрирование выше приведенного выражения за­ труднительно, так как в нем действительное распределе­ ние скоростей потока в зоне крыльчатки остается неиз­ вестным.

Для выяснения влияния распределения скоростей по сечению канала воспользуемся коэффициентом неравно­ мерности потока k\. Под этим коэффициентом принято

47

понимать отношение осевой составляющей скорости потока в данной точке сечения к средней скорости, т. е.

лов крыльчатки.

В общем случае интегрирование приведенного урав­ нения должно' учитывать распределение плотности по потоку. Принимаем, что плотность одинакова по сечению потока. Тогда

Очевидно, множитель А определяет влияние нерав­ номерности распределения скоростей потока на момент массового расхода.

48