книги / Расходомеры и счетчики количества веществ. Расходомеры обтекания, силовые, тепловые, оптические, ионизационные, ядерно-магнитные, концентрационные, меточные, корреляционные, вихре

стороны трубы, и приемников — обычно сцинтилляционных счет­ чиков, располагаемых с другой стороны. Подобные расходомеры пригодны для измерения газа, содержащего твердые частицы, но применяются сравнительно редко, так как требуют мощных ис­ точников радиации, чтобы приемное устройство могло реагиро­ вать на высокочастотный измерительный сигнал [7]. Устройство ионизационного преобразователя плотности см. в [гл. 12: 14]. Если само измеряемое вещество радиоактивно, то устройство корреля­ ционного расходомера упрощается благодаря отсутствию необхо­ димости в посторонних источниках измерения.

Оптические корреляционные расходомеры — третья разновид­ ность приборов, в которых посторонний луч, пронизывающий трубопровод, модулируется неоднородностями потока. Они нашли преимущественное применение для измерения расхода жидкости в открытых потоках [8], где отражение световых лучей происхо­ дит от неровностей, имеющихся на поверхности жидкости. Но их с успехом можно применять и для измерения расхода гидросме­ сей, движущихся в трубопроводах, например целлюлозной пуль­ пы [11, 14, 22]. В контрольных сечениях, расположенных близко друг от друга, помещают световоды 1 и 2 из волоконной оптики (рис. 108). Диоды 3 посылают через эти световоды лучи света, которые отражаются частицами целлюлозы. Отраженные лучи возвращаются по этим световодам и воспринимаются фотопреоб­ разователями, сигналы которых после прохода через предвари­ тельный усилитель поступают в измерительную схему. Прибор предназначен для измерения расхода целлюлозной пульпы при ее температуре до 100 °С и давлении до 1 МПа. Приведенная по­ грешность ±1 % [22]. Достижению высокой точности измерения способствует, как показывает опыт, равномерный профиль ско­ ростей пульпы, если средняя скорость не превосходит некоторого значения i>max = 1,8С1,4(3, где С — объемная концентрация пуль­ пы, % ; Р — поправочный коэффициент (Р = 0,9 и Р = 1 для древес­

181

В одном из первых корреляционных расходомеров для измере­ ния расхода муки в воздушном потоке электроды имели длину вдоль трубы 150 мм и расстояние между их осями 600 мм. Име­ ются сообщения [20, 21] о промышленном производстве таких расходомеров для труб диаметром от 20 до 400 мм. Обычно эти расходомеры дополняются преобразователем плотности для воз­ можности измерения массового расхода твердой фазы.

Кондуктометрические корреляционные расходомеры, основан­ ные на измерении изменения электрической проводимости, име­ ют в каждом контрольном сечении по электроду. Они весьма при­ годны для измерения расхода различных пульп, а также смесей двух жидкостей при условии, что компоненты обладают разной электрической проводимостью. Их измерительные схемы очень просты, и они проще и дешевле, чем ультразвуковые, также при­ годные для измерения расхода пульп. Но их нельзя применять, если среда дает осадки, залепляющие электроды и тем изменяю­ щие их сопротивление.

Электростатические корреляционные расходомеры основаны на детектировании электростатических зарядов, имеющихся у твердых частиц, движущихся в воздушном потоке. Они имеют приемные пластины, как у диэлектрических расходомеров, и могут служить для измерения расхода газа при очень малом содержа­ нии в нем твердых частиц.

Для жидкостей с низкой электрической проводимостью пред­ ложены [4] корреляционные расходомеры, основанные на изме­ рении пульсаций плотности электрических зарядов, срываемых турбулентным потоком из двойного электрического слоя, возни­ кающего на внутренней поверхности трубопровода. Преобразова­ тель расхода состоит из диэлектрического участка трубы, снару­ жи которой расположены два кольцевых электрода на некотором расстоянии друг от друга.

Для расплавленных металлов возможно применение [1] корре­ ляционных расходомеров, основанных на измерении перемеще­ ния гидродинамических неоднородностей типа вихрей, возника­ ющих в местных сопротивлениях. Детекторами могут служить два электромагнитных преобразователя расхода, из которых пер­ вый устанавливается вблизи местного сопротивления, а второй — на расстоянии 5-10 диаметров трубопровода.

Во всех рассмотренных вариантах корреляционных расходо­ меров контролируются случайные процессы, возникающие за счет неоднородностей, имеющихся в измеряемом веществе. Наряду с ними имеются корреляционные расходомеры, в которых эти неоднородности создаются искусственно. К ним относятся тепло­ вые и электролитические корреляционные расходомеры. Они пред­ назначены для измерения расхода строго гомогенных однофаз­ ных веществ.

Схема теплового корреляционного расходомера показана на рис. 109, а. В трубе 1 помещен нагреватель 2, ток в котором

182

Рис. 109. Схемы корреляционных расходомеров: а — теплового; б — элек­ тролитического

меняется случайно, например из-за изменения напряжения пи­ тания или путем частого выключения через различные про­ межутки времени генератора псевдослучайных сигналов. Далее по ходу потока установлены две термопары 3 и 4 на расстоянии L друг от друга. Они через усилитель 5 и 7 связаны с корреломет­ ром 6 [9].

Наряду с рассмотренной имеются схемы тепловых корреляци­ онных расходомеров без источника, создающего искусственную неоднородность потока. Для одной из них оказалась достаточной небольшая неоднородность температурного поля после теплооб­ менника, вызывавшая разность температур от 0,01 до 1 °С. Тер­ мопреобразователи — малоинерционные термопары — размеща­ лись на расстоянии 100-150 мм друг от друга. Погрешность из­ мерения ±(3-ь5) % [12]. В другой схеме в контрольных сечениях были установлены проволочные преобразователи термоанемомет­ ров, нагреваемые током. Случайные изменения скорости воздуш­ ного потока, например турбулентные вихри, будут менять тепло­ передачу у преобразователей термоанемометров, а следовательно,

ивырабатываемый ими сигнал. При диаметре трубы 94 мм рас­ стояние между преобразователями варьировали от 100 до 500 мм. Имеются также тепловые расходомеры [26], у которых в конт­ рольных сечениях установлены терморезисторы. Если в первый из них по ходу потока подавать периодически от генератора сиг­ нал, то последний образует в потоке тепловую метку, которая, достигнув второго термистора, пошлет в схему приемный сигнал,

иразность времен между этими сигналами даст время прохода меткой контрольного участка. Это соответствует работе теплово­ го меточного расходомера. Если же для уменьшения тепловой

нагрузки и соответственно электрической мощности подавать

впервый термистор периодически слабый, но длительный сигнал

иопределять с помощью коррелометра время прохода этим сиг­ налом контрольного участка, то получим тепловой корреляцион­ ный расходомер. Таким путем измеряли расход дизельного топ­ лива от 2 до 20 л/ч в трубе диаметром 10 мм при расстоянии между термисторами 25 мм.

Тепловые корреляционные расходомеры нашли применение на атомных электрических станциях.

183

Г л а в а 10

ОСОБЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА

В этой главе даются основные сведения по методам измерения расхода, не рассматривавшимся в предыдущих главах. Эти мето­ ды имеют ограниченное применение, но представляют определен­ ный интерес.

10.1. СТРУЙНЫЕ РАСХОДОМЕРЫ

Имеются три группы приборов, служащих для измерения рас­ хода или скорости, существенный элемент преобразователей ко­ торых — вытекающая струя жидкости или газа. Это дает иногда повод именовать каждую из этих групп струйными расходомера­ ми или скоростемерами. Между тем функция вытекающей струи в каждой из этих групп, а значит, и принципы их действия со­ вершенно различны. Это требует четкого их разграничения и при­ менения для каждой группы своего наименования.

Приборы первой группы — расходомеры с осциллирующей струей, частота колебаний которой пропорциональна объемному расходу. Они — одна из разновидностей вихревых расходомеров (см. рис. 169).

Приборы второй группы — расходомеры ударно-струйные, в ко­ торых измеряется зависящий от расхода перепад давления, воз­ никающий при ударе струи жидкости или газа. Они — частный случай расходомеров переменного перепада давления и предназна­ чены для измерения лишь малых расходов (см. гл. 2 в кн. 1).

Приборы третьей группы — расходомеры с отклонением выте­ кающей струи — рассмотрены далее. Они основаны на зависимо­ сти перепада давления от измеряемой скорости жидкости или газа, возникающего при отклонении струи вспомогательного газа или жидкости. Схема преобразователя такого прибора показана

185

создает в приемных трубках давления и р2. Если измеряе­ мая скорость v равна нулю и струя вспомогательного газа или жидкости не отклоняется от своего направления, то = р2. С по­ явлением скорости v струя, вытекающая из трубки 1, будет от­ клоняться вправо, вследствие чего давление р х в трубке 2 будет расти, а давление р2 в трубке 3 — падать. Чем больше скорость и, тем больше будет разность давлений р г - р 2* Зависимость р г - р 2 от скорости v близка к линейной. При измерении скорости газа вспомогательное вещество — воздух или другой газ, а при изме­ рении жидкости — вода или другая жидкость. Прибор предна­ значен для измерения сравнительно небольших скоростей от 3 см/с до 3-6 м /с газа и от 0,3 до 30 см/с жидкости предпочти­ тельно у потоков, имеющих равномерный профиль скоростей. Но он может быть применен и для измерения расхода газа и жидко­ сти, текущих в трубах, аналогично дифференциальной трубке Пито. Подробнее о приборах с отклонением струи см. работы [6, 16].

10.2. РАСХОДОМЕРЫ С АВТОКОЛЕБЛЮЩИМСЯ ТЕЛОМ

Расходомеры с автоколеблющимся телом основаны на измере­ нии частоты колебаний тела, самопроизвольно возникающего при обтекании его потоком жидкости или газа.

Схема первичного преобразователя такого расходомера пока­ зана на рис. 111, а. Преобразователь состоит из прямоугольного корпуса 1, обтекателя 2, шарика 3 и опоры 4. Жидкость поступа­ ет сверху в корпус 1 и делится обтекателем 2 на два прямоуголь­ ных потока. Опыт показывает, что если зазоры между шариком 3 и корпусом 1 достаточно малы, то шарик 3 под действием обтека­ ющего его потока начинает колебаться в плоскости, перпендику­ лярной к направлению потока, причем частота колебаний возра­ стает с ростом расхода. В исходном положении шарик не занима­ ет строго среднего положения, а если бы и занимал, то под дей­

ствием случайных причин при обтекании

186

тела о стенки камеры благодаря силам упругости сжимаемой жидкости или газа, аналогичным силам сжимаемой пружины. Преобразование частоты колебаний шарика или призмы в элект­ рический сигнал осуществляется с помощью индуктивного или другого типа преобразователя перемещения.

Между объемным расходом Q0 и частотой колебания f тела имеется зависимость

е 0 = *А

Здесь k — коэффициент, зависящий от геометрии проточной час­ ти массы колеблющегося тела, а также плотности и вязкости жидкости. Линейная зависимость QQ от / нарушается под влия­ нием вязкости в начальной части диапазона измерения тем мень­ шей, чем меньше вязкость. В остальной части коэффициент к со­ храняет с высокой точностью постоянное значение.

В Ленинградском механическом институте (ЛМИ) был разра­ ботан [4] расходомер, устройство преобразователя которого пока­ зано на рис. 112. В корпусе 7 (рис. 112, а) помещена втулка 5, в отверстии которой находится шарик 3. Во втулке 5 запрессова­ ны входной 6 и выходной 2 обтекатели. Последний одновременно служит опорой для шарика 3. Жидкость направляется к шарику

б) 4

Рис. 112. Схемы расходомеров: а — преобразователь с автоколеблющимся шариком: б — преобразователь с ос­ циллирующим шариком

187

по двум каналам, симметрично расположенным в обтекателе 69 ширина которых измеряется углом ср0 (см. разрез по А —А), и выходит по двум каналам в обтекателе 2 (см. разрез по Б—Б). Втулка 5 фиксируется в корпусе гайкой 9 с помощью нажимной втулки 10 и уплотняется резиновым кольцом 4. Жидкость посту­ пает в преобразователь через штуцер 8 и уходит через штуцер 1. Для преобразования частоты колебаний шарика 3 в частотный электрический сигнал служит магнитоиндукционный преобразо­ ватель 11.

В приборах ЛМИ в зависимости от значения расхода применя­ ли шарики диаметром от 1,6 до 6 мм.

Обстоятельное исследование разработанных приборов [гл. 1: 2] показало следующее. Устойчивые незатухающие колебания бу­ дут лишь при малых зазорах, когда отношение диаметра отвер­ стия втулки 5 к диаметру шарика равно 1,15-1,25 и когда зазор между шариком и торцом входного обтекателя не более 0,05-0,3 мм. Была получена градуировочная зависимость в виде

Q0 = (1 + 2рш/р + 9/2яа)0’5 k ~ xf,

где рш и р — соответственно плотности шарика и жидкости; па - = d (co/2o)0, — безразмерный параметр, аналог числа Рейнольд­ са, характерный для колебаний шарика диаметром d с круговой частотой со в жидкости с кинематической вязкостью о; — ко­ эффициент, определяемый по результатам градуировки расходо­ мера на жидкости с известными р и о.

Если вязкость жидкости невелика и соблюдается условие f > > 36i)/о , то можно производить градуировку только на воде.

Приближенная градуировочная характеристика, пригодная для инженерных расчетов расходомеров ЛМИ с шариками диамет­ ром d от 1,6 до 6 мм имеет вид

Q0 = dSK[(рш/р) sin ф0/2]°*5//0,288,

где Бк — площадь поперечного сечения одного канала входно­ го обтекателя; <р0 — центральный угол SK (см. разрез А—А на рис. 112, а).

Нижняя граница, до которой наблюдается устойчивое колеба­ тельное движение шарика, соответствует частотам / . = (100-ь -ь160) Гц для диаметра шарика 1,6 мм и fmin = (220-ь300) Гц для диаметра 3 мм. Верхняя граница работы расходомера не лимити­ руется частотой, но определяется лишь допустимой потерей дав­ ления. Эта потеря в расходомерах с автоколеблющимся шариком значительная. Чтобы она не превосходила 0,15-0,25 МПа, огра­ ничиваются обычно 5-кратным диапазоном измерения расхода. Достоинство приборов — высокая точность и малая инерцион­ ность. Погрешность не превышает 0,5 % от верхнего предела из­ мерения. Постоянная времени не более 0,5-3 мс. Минимальные расходы, измеряемые прибором с шариком диаметром 1,6 мм, составляют (0,3-Ю,5)10~б м3/с. Нормальное расположение преоб­

188

разователей расхода вертикальное. При углах наклона оси отно­ сительно вертикали не более 10° градуировка не меняется. При больших наклонах наблюдается параллельное смещение градуи­ ровки и непрохождение ее через начало координат. Наибольшее смещение будет при горизонтальном положении преобразователя.

Рассматриваемые расходомеры предназначены прежде всего для измерения расхода жидкости, но возможно создание анало­ гичных приборов и для измерения расхода газа. При этом шарик целесообразно выполнять полым или же из пластмассы с тем, чтобы снизить его плотность рш. При больших отношениях рш/р могут возникнуть удары шарика о стенки камеры из-за недоста­ точности сил упругости сжимаемого газа. Кроме того, преобразо­ вание частоты колебаний шарика в электрический и пневмати­ ческий сигналы надо делать устройствами, не оказывающими реактивного воздействия на шарик.

Расходомеры особых типов с осциллирующим шариком. Пред­ ложен прибор (рис. 112, б) для измерения весьма малых расходов жидкости, в котором шарик 2 из магнитной коррозионно-стой­ кой стали, находящийся в стеклянной трубке 3, совершает вы­ нужденные колебания вверх и вниз под воздействием электро­ магнитов 4, расположенных в верхней части трубки. Поднимаясь вверх, шарик в средней части трубки прерывает луч света, пада­ ющий от осветителя 1 на фотоэлемент 8. Это приводит через гене­ ратор импульсов 7 и усилительное устройство 5 к выключению электромагнитов, и шарик 2 падает на упор. Затем цикл повторя­ ется. Чем больше расход жидкости, поступающей в трубку сни­ зу, тем медленнее происходит падение шара и тем меньше часто­ та его колебаний, измеряемая прибором 6. Она равна 3 Гц при Qmax и 20 Гц при Q = 0. Расходомер, выпускаемый одной амери­ канской фирмой, имеет цифровой и аналоговый выходы. Диапа­ зон измерений 0,05-1000 см^/мин обеспечивается набором смен­ ных шариков и стеклянных трубок. Давление до 1726 кПа, тем­ пература до 121 °С. Погрешность ±2 % .

10.3. ПУЗЫРЬКОВО-КАПЕЛЬНЫЕ РАСХОДОМЕРЫ

Рассматриваемые расходомеры разработаны для измерения микрорасходов газа (пузырьковые) или жидкости (капельные).

Пузырьковые встречаются чаще, чем капельные. Имеются две разновидности пузырьковых расходомеров. Первая из них осно­ вана на измерении времени перемещения пузырьков между дву­ мя отметками бюретки, вторая — на счете числа пузырьков. Рас­ ходомеры, принадлежащие к первой разновидности, обычно называют пленочно-пузырьковыми. Они довольно широко при­ меняются, в частности при градуировке и поверке других расхо­ домеров. Внизу стеклянной измерительной бюретки укреплен со­ суд из резины или другого материала, в котором содержится по­ верхностно-активное вещество, например мыльный раствор.

189

Газ, поступающий по трубке, проходит через тонкий слой мыльного раствора и в виде пузырьков, охваченных пленкой ра­ створа, поднимается по бюретке. С помощью секундомера, вклю­ чаемого вручную или автоматически, измеряют время т прохож­ дения пленки между двумя отметками шкалы, находящимися на достаточном расстоянии друг от друга. Расход определяют путем деления объема бюретки между этими отметками VK на время т. Достигая верхней, расширенной части бюретки, пленка разрыва­ ется и стекает в сосуд. Погрешность измерения расхода зависит от точности измерения времени т и обычно ±(0,5*1,5) % . Погреш­ ность измерения может возрасти, если будет происходить насы­ щение газа парами воды при проходе его через водяной затвор, что приведет к увеличению объема газа в измерительной бюрет­ ке. Если же газ, например углекислый, вступает в реакцию с мыльным раствором, то это приведет к уменьшению его объема. Поэтому надо внимательно относиться к выбору поверхностно­ активного вещества: рекомендуется применять жидкости с высо­ кой температурой кипения, например этиленгликоль; при пра­ вильном выборе поверхностно-активного вещества погрешность измерения расхода будет не более 0,7 % .

Предложены конструкции пленочно-пузырьковых расходоме­ ров, предназначенных для измерения расхода газа, находящего­ ся под повышенным (до 4 МПа) и под пониженным (до 250 мм рт. ст.) давлением.

У пузырьковых расходомеров второй разновидности газ выхо­ дит из отверстия небольшого диаметра, над которым находится слой жидкости высотой Л. Газ прорывается через этот слой в виде отдельных пузырьков, объемы которых Vn с достаточной точнос­ тью равны друг другу. Считая число п этих пузырьков за время, получим объемное количество nVn прошедшего газа. Расход оп­ ределяется путем деления nVn на т. Конструкция такого расходо­ мера показана в работе [014]. Газ под давлением до 20 МПа по­ ступает по трубке и выходит из сопла в виде отдельных пузырьков в камеру, заполненную жидкостью. Далее пузырьки газа прохо­ дят через камеру, частично заполненную жидкостью, и удаляют­ ся по трубе. В корпусе камеры имеются окна из оптически про­ зрачного материала для пропуска луча света от осветителя через фокусирующую линзу на фотоэлемент. Пузырек газа, пересекая этот луч, частично рассеивает его, уменьшая освещенность фото­ элемента и силу тока в нем. Камеру заполняют водой, глицери­ ном, дибутилфталатом. Погрешность прибора ±1 % .

10.4. РАСХОДОМЕРЫ С ПОДВИЖНЫМ УЧАСТКОМ ТРУБОПРОВОДА

Рассматриваемые расходомеры основаны на измерении зави­ сящего от расхода усилия, которое движущийся поток оказывает на закругленный участок трубопровода. Это усилие измеряется

190