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

8

Рис. 167. Преобразователь «Вихрь»

женный обтекателем 2, в формирующий патрубок 4 и далее в расширенную камеру 6. У выхода из патрубка 4 установлены четыре пьезоэлектрических преобразователя давления под углом 90° друг к другу. Два из них — 5 и 8 — включены дифференци­ ально. При этом измерительный сигнал усиливается, а акусти­ ческие помехи исключаются. Другие два пьезопреобразователя, расположенные перпендикулярно, предназначены для компенса­ ции вибрационных помех. Каждый преобразователь установлен в гильзе, снабженной резиновой уплотняющей прокладкой. Вви­ ду большого внутреннего сопротивления пьезопреобразователей

ималых измеряемых напряжений предварительный усилитель помещен внутри кожухов, но вне потока измеряемого вещества. В выходном патрубке расположен струевыпрямитель 7, одновре­ менно защищающий от акустических помех со стороны выход­ ной трубы. Около 2 % всего потока может проходить через отвер­ стие в центре обтекателя 2, минуя завихряющий аппарат. Изме­ няя размер этого отверстия при настройке прибора, можно полу­ чить идентичность характеристик преобразователей расходомеров, т. е. их взаимозаменяемость. Измерительные сигналы, выходя­ щие из предварительного усилителя, поступают в блок масшта­ бирования и питания, где они дополнительно усиливаются, фор­ мируются в прямоугольные импульсы постоянной длительности

иамплитуды и приводятся к определенному масштабу. Помимо частотного, блок имеет аналоговый выходной сигнал 0-100 мВ. Имеется семь типоразмеров преобразователей «Вихрь» на услов­ ные проходы 25; 40; 50; 70; 80; 100 и 150 мм с диапазонами

измерения 3-9; 6-18; 12-36; 22-66; 30-90; 50-150 и 100-300 м3/ч соответственно. Преобразователи рассчитаны на давление до 1,6 МПа,

291

ходе ОД МПа. Приведенная погрешность измерения количества ±1 % , расхода ±1,5 % .

Преобразователи расхода фирмы «Фишер и Портер» с винто­ вым завихряющим аппаратом имеют в качестве чувствительного элемента не пьезоэлемент, а термоанемометр, установленный на выходе потока из формирующего патрубка. Полупроводниковый элемент термоанемометра изменяет свои температуры и сопро­ тивление синхронно с пульсациями давления, возникающими в прецессирующем вихревом потоке.

14.4. ВИХРЕВЫЕ РАСХОДОМЕРЫ С ОСЦИЛЛИРУЮЩЕЙ СТРУЕЙ

Принципиальные схемы двух вариантов преобразователей с осциллирующей струей показаны на рис. 168, а, б [26]. Глубина проточной части преобразователей постоянна. Поток жидкости или газа проходит через сопло 1 и попадает в диффузор 3 прямо­ угольного сечения. Под влиянием случайных причин поток в каж­ дый момент в большей степени прижимается к той или другой стенке диффузора (допустим, к нижней). Тогда благодаря эжектирующему действию струи в преобразователе релаксационного типа (рис. 168, а) давление в нижней части обводной трубки 2 станет меньше давления р j в верхней ее части и по трубке 2 возникнет движение, показанное стрелкой, которое перебро­ сит струю к верхней стенке диффузора. После этого направ­ ление движения в обводной трубке изменится и струя станет осциллировать. В преобразователе с обратной гидравлической связью (рис. 168, б) струя, прижатая к нижней стенке диффузо­ ра 3, не вся удаляется через выходной патрубок 5. Часть ее ответ­ вляется в нижний обводной канал 4 и, выходя через сопло 2, перебрасывает струю, выходящую из сопла 1, в верхнее положе­ ние. После этого произойдет ответвление части струи в верхний обводной канал 6, струя будет переброшена вниз и наступит про­ цесс ее колебаний, сопровождающийся синхронными колебания­ ми давлений с обеих сторон струи. Последний преобразователь с обратной связью лучше. Он обеспечивает более строго процесс

Рис. 168. Преобразователь с осциллирующей струей: а — релаксаци­ онный; б — с обратной гидравлической связью

292

осцилляции и в большем диапазоне чисел Re сохраняет линей­ ную зависимость между расходом Q0 потока и частотой f колеба­ ний. Найти эту зависимость можно исходя из следующих сообра­ жений [10]. Период колебаний Т струи определяется уравнением Т = 2 (t0 + *п), где t0 — время передачи импульса давления от входа в обводную трубку длиной 10 до сопла 2 на ее конце; tn — время переброса струи до начала повышения давления в противо­ положной обводной трубке. Время tQ= ljc> где с — скорость звука в измеряемом веществе. Время tn = kl/v ~ klF/Q0> где I — длина диффузора; v — скорость истечения из сопла 1, имеющего площадь F; k — поправочный коэффициент. Так как tn » t0> получим

f = l/ T = Q 0/klF.

Расходомеры с осциллирующей струей пригодны для приме­ нения в трубах преимущественно малого диаметра: от 12 до 100 мм, но нижнее значение числа Re у них 2 •103 [27], что существенно меньше, чем у других вихревых расходомеров.

В НИИтеплоприбор разработаны расходомеры жидкости типа РАСТР-1А и РАСТР-1Б с осциллирующей струей. У первого ши­ рина сопла 1,5 мм, глубина 1 мм; у второго 2,5 мм и 5 мм соот­ ветственно. Область измерения: 4-30 л/ч у РАСТР-1А и 4 0 - 400 л/ч у РАСТР-1Б. Приведенная погрешность не более ±1 % .

Известны случаи применения преобразователей с осциллиру­ ющей струей также в качестве парциальных [10, 11].

В работе [24] исследован парциальный расходомер с осцил­ лирующей струей, показанный на рис. 169, предназначенный для измерения расхода газа в калориметре. В трубе 2 диаметром 26 мм помещена диафрагма 1. Парциальный преобразователь расхода с осциллирующей струей 4 связан с трубой 2 двумя тру­

до 6 •10-4 MV C.

293

14.5.ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ НОВЫХ

ВИХРЕВЫХ РАСХОДОМЕРОВ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИХ РАЗВИТИЯ

В последние годы производство вихревых расходомеров резко возросло как за рубежом, так и в нашей стране [1-5, 7-9].

Кроме описанных в предыдущих разделах главы приборов, ранее выпускались «Старорусским приборостроительным заводом» счетчики СЖ-100 и СЖ-150 (с соответствующими диаметрами в мм) для дизельного топлива и бензинов с расходами 20-200 и 50-500 м3/ч, а также ДРВ-1 с диаметрами 32-200 мм на расхо­ ды 1-600 м3 жидкости. У них за телом обтекания на противопо­ ложных сторонах трубы первичного преобразователя установле­ ны пьезоэлементы датчиков. Схема преобразователей такая же, как у описанного выше прибора ВИР.

Технические данные характерных приборов для газа, пара и жидкости приведены в табл. 6, а их описания даны ниже. Из приведенных датчиков Фотон и V-bar погружные.

Все современные приборы имеют импульсные выходные сиг­ налы для подключения к счетчикам, а также и токовые для под­ ключения других приборов.

На такие выходные сигналы рассчитаны все отечественные вычислители, теплосчетчики и корректоры расхода газа. Напри­ мер, счетчик СПТ-961М (и СПТ-961К) рассчитан на применение

Т а б л и ц а 6 Технические данные вихревых расходомеров-счетчиков

294

срасходомерами ДРГМ, СВА, ВЭПС, Фотон и V-bar, указанными

втабл. 6, и другими, а теплосчетчик ТСК-7 на основе вычислите­ ля ВКТ-7 предназначен для применения с такими же расходоме­ рами и других видов — электромагнитными, ультразвуковыми (см. гл. 15 и 16).

Счетчик газа ГСК-3 состоит из корректора ВКГ-3 (фирма «Теплоком», Санкт-Петербург) и предназначен для применения с рас­ ходомерами ДРГМ, ВИР-100 и другими.

Счетчики СТД универсальные. Они применяются и для вычис­ ления расхода и объема газов и пара при стандартных и иных условиях, и для вычисления массового расхода жидкости. Ко всем этим вычислителям также подключаются манометрические и тер­ мометрические приборы для учета плотности и других парамет­ ров.

Всовременных вихревых приборах производится сложная циф­ ровая обработка сигналов сенсоров. Например, в преобразователе «digital YEWFLO» японской фирмы «Иокогава» (Yokogawa) сен­ сор с цифровой электроникой, включающей цифровой SSP-фильтр, анализирует вибрацию, состояние среды внутри расходомера и ав­ томатически подстраивает режимы обработки сигнала. Этот при­ бор обеспечивает стабильность при малых расходах, диапазон рас­ ходов 1:30, диапазон чисел Рейнольдса (Re) от 2 •104 до 7 •106. Вводится коррекция на число Re (см. табл. 6).

Врасходомере YF100MASS кроме частоты вихрей измеряется их амплитуда, что позволяет вычислять массовый расход газа или пара с погрешностью ±2 % для скоростей 6-60 м /с при тем­ пературе -4 0 —1-200 °С и давлении до 4 МПа. Условные проходы DN 50, 80, 100.

ВКазани фирма «Ирвис» изготовляет вихревые расходомеры-

счетчики газа ВРСГ-1 на диаметры трубопроводов D 50, 80, 100, 120, 150, 180 и 200 мм и диапазоны расходов 8,69-4000; 22,24-

и температуру от -10 до +35 °С. Приведенная погрешность по объемному расходу ±1 % , по объему газа, приведенному к стан­ дартным условиям, ±2 % . В комплект входят преобразователи расхода с термоанемометром в обтекаемом теле (во внутреннем канале тела), температуры, давления с блоком предварительного усиления и показывающий прибор с электромеханическим счет­ чиком объема газа и цифровым четырехразрядным индикатором расхода, давления и температуры газа.

Концерн «Метран» (г. Челябинск) изготовляет вихревые при­ боры «Метран-300» для воды и СВА для жидкостей на диаметры

трубопроводов Dy 32, 50, 80, 100, 150, 200 мм на Qmi = 1; 2; 3,5; 5; 10; 17,5 м3/ч и Qmax= 15, 30, 60, 100, 200, 350 м*/ч соответ­ ственно. Диапазон измерения для жидкостей вязкостью до 10 сСт составляет 15-20. Избыточное давление до 1,6 МПа. Три канала

295

выходных сигналов: токовый 0-5; 4-20 мА; частотный 0-1 кГц; импульсный (цена импульса ОД или 1,0 м3/имп. Погрешность измерения расхода ±1,5 % , а объема ±1 % . Крепление «сэндвич» между фланцами. Питание от сети 220 В.

Счетчик-расходомер СВА предназначен для измерения объем­ ного расхода и количества (объема) жидкости в заполненных трубопроводах. Устройство преобразователя СВА показано на рис. 170, а, б.

Счетчик состоит из первичного (СВА-ПП) и электронного (СВА-ЭП) преобразователей, соединенных между собой кабелем. СВА-ПП состоит из проточной части и блока первичного преобра­ зования информации. На входе проточной части СВА-ПП в диа­ метральном направлении, поперек потока закреплено тело обте­ кания (призма трапециевидной формы). За телом обтекания диа­ метрально противоположно располагаются две пары пьезоэлемен­ тов для ультразвукового детектирования вихрей. Пьезоэлементы устанавливаются в защитные стаканчики, не выступающие в по­ ток жидкости.

При движении жидкости по проточной части СВА-ПП за те­ лом обтекания 1 образуются вихри, частота которых пропорцио­ нальна расходу. На пьезоэлемент-излучатель 2 от генератора 4 подается переменное напряжение, которое преобразуется в ульт­ развуковые колебания. Проходя через поток жидкости, эти коле­ бания в результате взаимодействия с вихрями оказываются мо­ дулированными по фазе. На пьезоэлементе-приемнике 3 ультра­ звуковые колебания преобразуются в электрические, которые

Рис. 170. Устройство преобразователя СВА: а — схема прибора; б — вид датчика

296

подаются на фазовый детектор 5, входящий в состав СВА-ПП. Для компенсации влияния паразитных факторов служит вторая пара пьезоэлементов. В фазовом детекторе определяется разность фаз между сигналами с приемников первой и второй пары. На выходе фазового детектора образуется напряжение, по амплиту­ де и частоте соответствующее интенсивности и частоте вихрей. Фильтрация паразитных составляющих производится в цифро­ вом адаптивном фильтре 6, сигнал с которого подается на блок формирования выходных сигналов 7.

Измеряемые среды: все жидкости, кроме абразивных, с вязко­ стью до 10 •10-6 м2/с. Температура измеряемой среды 1-150 °С. Избыточное давление измеряемой среды в трубопроводе до 1,6 МПа. Диаметр условного прохода трубопровода 32-200 мм. Динами­ ческий диапазон 1:20. Погрешность измерения объема ±1,0% . Погрешность измерения расхода ±1,5% . Три канала выходных сигналов: токовый 0 -5, 4-20 мА; частотный 0 -1 кГц; импульс­ ный с ценой одного импульса 0,1 или 1,0 м3/имп. Питание от сети переменного тока напряжением 220 В и частотой 50 Гц.

Завод «Теплоприбор» (г. Челябинск) освоил выпуск новых рас­ ходомеров ВИР-100 [2] для газа, пара и жидкости с давлениями до 4,4 и 1,6 МПа соответственно и скоростей 5-76 м /с для газа, пара и 0,2-7,6 м/с для воды. Диаметры 50, 80, 100, 150, 200 и 250 мм. Выходной сигнал импульсный и токовый 4-20 мА, напряжение питания 15-36 В. Исполнены преобразователи как фланцевые или бесфланцевые. Пьезоэлектрические 2 датчика симметрично расположены на теле обтекания, а их сигналы вклю­ чены на вход дифференциального усилителя, далее сигнал про­ ходит полосовой фильтр и поступает на контроллер, куда под­ ключен и датчик температуры. Минимальное положение градуи­ ровочной прямой при Re = 2 * 104.

Для пара «Сибнефтеавтоматика» (г. Тюмень) производит рас­ ходомеры ДРГМ — с диапазонами измерения согласно табл. 7, данные об испытаниях которых приведены в работе [3], где так­ же указывается на более широкие возможности у приборов фир­ мы «Данфосс».

297

провода (рис. 171). Вихри, следующие в потоке пропорционально скорости движения жидкости, регистрируются электродом 2, находящимся в поле постоянного магнита 3. Суммарный объем протекшей жидкости пропорционален количеству периодов час­ тоты, зарегистрированному в течение контролируемого времени. Частота наведенной ЭДС, пропорциональная объемному расходу жидкости, снимается электродом и преобразуется усилителемформирователем импульсов УФИ 4 в выходной электрический сигнал.

Преобразователь ВЭПС представляет собой отрезок трубопро­ вода для D 20 -г-100 — из нержавеющей немагнитной стали типа 12Х18Н10Т, для Dy 150-ь 300 — из стали типа СтЗ, Ст20 с уз­ лами крепления (фланцевое соединение — типоразмеры диамет­ ра условного прохода — от 50 до 300 мм, муфтовое соединение — от 20 до 40 мм). Внутри трубы установлены: турбулизатор — плохо обтекаемое тело призматической формы из нержавеющей стали — генератор вихрей и сигнальный электрод — стержень из нержа­ веющей стали — с которого снимается переменная ЭДС частоты вихреобразования. На внешней стороне стенки трубы располо­ жен контейнер для размещения в нем постоянного магнита и стой- ка-теплоизолятор, на которой крепится коробка с УФИ.

ВЭПС с Dy 200, 250, 300 мм имеет следующую конструкцию: внутри основной трубы установлен преобразователь из нержаве­ ющей стали Dy 50 или 80 мм, который и является измерителем расхода.

На коробке УФИ расположен электрический разъем для внеш­ них подсоединений и приборный шильдик с указанием модели и заводского номера прибора. Коробку УФИ и контейнер под маг­

298

нит пломбируют. УФИ расположен в коробке вертикально, на одной или двух печатных платах (исполнение ПБ-1, ПБ-2, ПБ-3).

Количество импульсов на выходе УФИ связано с объемом про­ шедшей через ВЭПС жидкости соотношением

V = N x K ,

где V — суммарное количество жидкости (объем), прошедшее через ВЭПС за контролируемый промежуток времени (л); N — суммар­ ное число импульсов от преобразователя (имп.); К — коэффици­ ент преобразования, определяемый как объем жидкости, прихо­ дящийся на один импульс (л/имп.), определяется при градуиров­ ке индивидуально для каждого преобразователя и вводится либо во вторичный прибор (при модификации ВЭПС-ПБ-1), либо в УФИ (в ВЭПС-ПБ-2 и ВЭПС-ПБ-3).

Погружной преобразователь расходомера-счетчика фирмы «Фо­ тон» (г. Красноярск) предназначен для холодной и горячей воды. Частота вихрей измеряется кондуктометрическим датчиком. Пи­ тание батарейное. Счетчик находится во вторичном приборе, а выходной сигнал импульсный. Диапазон измерения 1:80. Ус­ ловные диаметры 80, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100 и 1200 мм. Поверка проливным или имитационным методом. «Фотон» испытан на ряде объектов про­ мышленности, например на ТЭЦ [5], в Санкт-Петербурге.

Погружной датчик V-bar фирмы «ЕМКО» (ЕМСО) предназна­ чен для многих сред, крепится к трубе на резьбе или фланцами. Имеется модель на давление до 138 бар.

Из иностранных интересна модель YF100MASS, также внесен­ ная в Госреестр России для газа или пара. Измеряется не толь­ ко частота, но и амплитуда вихрей, что позволяет измерять массовый расход без вычислений по давлению и температуре (см. стр. 295).

За рубежом вихревые расходомеры с обтекаемым телом изго­ товляют многие фирмы, среди которых «Фишер и Портер», «Фоксборо», «Истич» «ЕМКО», «Розенмаунт», «Иокогава» и другие. Интерес и внимание к вихревым расходомерам с обтекаемым те­ лом в последние годы заметно возрастает.

Появился ряд преобразователей расхода с оптическими датчи­ ками измерения частоты вихрей [4, 12, 22].

В работе [22] исследована возможность применения вихревых расходомеров с обтекаемым телом в трубах очень малого диамет­ ра, в частности в прямоугольных каналах площадью 4, 9,16 и 25 мм2 со сторонами 2, 3, 4 и 5 мм соответственно, при обтекаемых те­ лах, имевших ширину в 0,1 и 0,3 мм, и лазерном диоде, служив­ шем для измерения частоты вихрей. Эта частота возрастала в несколько раз при переходе от Ь - 0,3 мм к Ъ= 0,1 мм. Во всех опытах обнаружена пропорциональность между объемным расхо­ дом воды в пределах от 0,5 до 60 см3/с и частотой вихрей в пре­

299

делах от 500 до 8000 Гц. Кроме того, было проведено исследова­ ние влияния колена на трубе диаметром 5 мм на процесс вихреобразования. Такое влияние было обнаружено лишь при расстоя­ нии 30 мм от оси подводящего плеча колена.

Б разработанном в Японии вихревом расходомере с телом об­ текания и двумя пьезоэлементами, в соответствии с показанным на рис. 161, важную роль выполняет микропроцессор, обеспечи­ вается стабильность нулевой точки, фильтрация шума высокой частоты, компенсация различных диаметров трубопровода и диа­ метра трубы с вихревым преобразователем, компенсация плотно­ сти газа или пара при изменении давления от 0,4 до 2,6 МПа. Получена экспериментальная зависимость между числами Рей­ нольдса и Струхаля.

В литературе1 сообщается об экспериментальном исследова­ нии структуры потока после вихревого расходомера в трубе диа­ метром 150 мм. Тело обтекания трапецеидальной формы, размер стороны, обращенной против потока, Ь= 42 мм. Отношение b/D = = 0,28 наиболее целесообразное по мнению авторов. На расстоя­ нии 8D от тела обтекания по потоку определялось распределение скоростей с помощью проволочного термоанемометра. Средняя скорость движения вихрей выше средней скорости после тела об­ текания.

Предлагается2 применение в качестве чувствительных элемен­ тов тонких пленок, обладающих пьезоэлектрическими свойства­ ми и снижающими стоимость вихревого расходомера. Эти плен­ ки пригодны для температур до 100 °С. Вихревой расходомер

сними был испытан в Италии при измерении расхода воздуха

искоростях его в пределах от 20 до 93 м /с в аэродинамической трубе.

Устройство высокотемпературного датчика (до 400 °С) приве­ дено в работе [29]. Два пьезоэлемента из керамики с высокой точкой Кюри (470-490 °С) помещены в цилиндрическую гильзу со сплошным металлическим концом >100 мм, только нижней частью входящим в трубопровод, поэтому у датчиков температу­ ра 100-140 °С.

Область применения вихревых расходомеров начинается с чи­ сел Remin = (2,5) 1 0 . Но если перед телом обтекания установить сетку, создающую более или менее равномерное поле скорости, то, как показано в работе [27], допустимы Remin вплоть до 5 •102. Такая установка, созданная в Китае, позволяла измерять расход воздуха с погрешностью в пределах ±(1-5) % .

Вихревые расходомеры с обтекаемым телом появились срав­ нительно недавно, но уже получили очень широкое применение. Остальные же разновидности (с прецессией воронкообразного вих­ ря и с осциллирующей струей) применяются значительно реже.

1 Rev. Sci. Instrum. — 1995. — N 5.

2 Rev. Sci. Instrum. — 1992. — Vol. 63. — N 9. — P. 421.

300