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

ванные во ВНИИКАнефтегаз. Рис. 29, а изображает консольно защемленную трубку с упругим участком, переходящим затем в жесткую часть, имеющую большую массу. Чем больше послед­ няя, тем меньше влияние плотности вещества на момент инер­ ции вибратора, а значит, и на показания. Подобный вибратор был применен в расходомере ВМР-1, где не измерялась частота колебаний и, следовательно, не учитывалось изменение плотнос­ ти вещества. Упругий участок трубы имел длину 21 мм и толщи­ ну стенок 8 мм. Собственная частота колебаний вибратора 8 Гц. На рис. 29, б показан вибратор, подвешенный на плоских пружи­ нах и связанный сильфоном с подводящей трубой. Он имеет пря­ моугольное проходное отверстие. Оно сложнее в изготовлении, но тем целесообразнее, чем больше измеряемый расход (особен­ но если измеряемое вещество двухфазное). При ширине прямо­ угольного отверстия а = 50 мм вибратор был рассчитан на Qmax = * Hr кг/ч. При а = 100 мм максимальный расход уве­ личивался вдвое. Собственная частота колебаний 10 Гц.

Вибраторы с круглым отверстием и пружинным подвесом при­ меняются в расходомерах «Вибратор П-50» и «Вибратор П-100», имеющих Qmax, равное 2,1 и 4,2 т/ч соответственно, а вибраторы с прямоугольным отверстием — в расходомерах «Вибратор П-200» и «Вибратор П-400», у которых Qmax составляет 8,3 и 16,7 т/ч соответственно. Все эти расходомеры предназначены прежде все­ го для измерения расхода нефтегазовых смесей. Об особенностях их работы в этих условиях см. в гл. 12.

Рассмотрим гироскопические вибрационные расходомеры,

укоторых подвижная система не вращается, а колеблется вокруг своей оси. У них так же, как и в случае непрерывного вращения вокруг оси х (см. рис. 24), возникают кориолисовы силы, кото­ рые вызывают колебания прецессии вокруг оси у. Чем больше расход, тем больше угол и амплитуда этих колебаний. Путем из­ мерения указанных величин или напряжения в упругих связую­ щих элементах судят о массовом расходе QM. Ряд конструкций гироскопических вибрационных расходомеров был разработан как

унас, так и за рубежом [10, 18].

На рис. 30 изображен преобразователь одного из таких расхо­ домеров. Жидкость поступает в кольцо (трубку) 2 через гибкое соединение 6, колено и радиальный участок, а выходит через второй радиальный участок и гибкое соединение 4. Радиальные участки проходят внутри пустотелой горизонтальной оси, на ко­ торой укреплено кольцо 2. Электродвигатель 9 имеет выходной вал 8 с эксцентриковым пальцем, входящим в прорезь горизон­ тальной оси. Поэтому вращение электродвигателя будет вызы­ вать колебание оси вместе с укрепленным на ней кольцом 2 во­ круг вертикальной оси 7. Возникающий под влиянием кориоли­ совых сил гироскопический момент действует относительно го­ ризонтальной оси и будет вызывать колебания кольцевой трубки вокруг нее. Противодействующий момент создается упругими

60

вертикальной оси на 0,5° с частотой 10 Гц. Преобразователь на расход Qmax = 27 т/ч имел трубку из коррозионно-стойкой стали

кольца с частотой 12 Гц вокруг вертикальной оси.

В более новой конструкции зарубежного вибрационно-гиро­ скопического расходомера его преобразователь расхода (рис. 31) состоит из U-образной трубки 3, укрепленной в основании i, че­ рез которую протекает жидкость, и из Т-образной листовой пру­ жины 2 с раздвоенным концом типа камертона. Для приведения U-образной трубки 3 в непрерывные колебания вокруг оси х —х служит силовая катушка 4, помещенная на конце пружины 2,

61

мент, приводящий в непрерывные колебания U-образную трубку вокруг оси у—у. С помощью оптических устройств 5 и 7 измеря­ ется время т перемещения при колебательном движении вокруг оси у—у колен U-образной трубки, пропорциональное углу пово­ рота 0 вокруг этой оси, а следовательно, и расходу QMв соответ­ ствии с уравнением QM= cLx/вг2, где с — жесткость U-образной трубки. Были испытаны на воде три преобразователя с U-образ­ ной трубкой. Преобразователь с d = 3 мм испытывался на рас­ ходах от 57 до 7300 г/мин, с d = 6 мм — на расходах от 0,45 до 22,7 кг/мин, с d = 25 мм — на расходах от 4,5 до 245 кг/мин. В большей части указанных диапазонов погрешность не превы­ шает ±0,5 % . Заметим, что частота колебаний трубки зависит от плотности измеряемого вещества.

2.6.СРАВНЕНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ СИЛОВЫХ РАСХОДОМЕРОВ

Для измерения расхода однофазных веществ (жидкости или газа) в большинстве случаев наиболее целесообразны турбосиловые расходомеры (особенно при измерении больших расходов). Гироскопические расходомеры пригодны лишь для измерения малых расходов в трубах, имеющих диаметр менее 50 мм. Кори­ олисовы расходомеры занимают промежуточное положение.

Преобразователи турбосиловых и кориолисовых расходомеров, не имеющие электропривода, проще, компактнее и надежнее в работе. Но угловая скорость вращения их зависит от расхода, измерительная схема сложнее и чаще приходится применять из­ мерительные пружины. При этом точность измерения будет за­ висеть от совершенства упругих свойств пружин, влияния темпе­ ратуры на эти свойства и возможности их изменения во времени и при изменении частоты их вращения из-за отсутствия или не­ совершенства динамической балансировки.

Преобразователи с внешним электроприводом сложны и нера­ циональны. Электропривод лучше иметь внутри преобразовате­ ля, когда их роторы совмещены друг с другом, а статор отделен диамагнитной втулкой. Относительно просты расходомеры с элек­ троприводом, у которых расход определяется измерением мощ­ ности, питающей электродвигатель. Но у них шкала с подавлен­ ным нулем (мощность при нулевом расходе), а пропорциональ­ ность между мощностью или силой питающего тока и расходом сохраняется лишь в определенных пределах.

Если вязкость измеряемого вещества может существенно изменяться, надо применять двухроторные турбосиловые или кориолисовы расходомеры с компенсацией вязкости. При этом роторы и зазоры у них должны быть совершенно одинаковы, равно как и характеристики электродвигателей, вращающих роторы.

62

Предпочтительно применение силовых расходомеров для из­ мерения расхода двухфазных сред, в частности нефтегазовых по­ токов. Но при этом возникает опасность расслоения фаз при вра­ щении подвижного элемента преобразователя расхода, особенно в турбосиловых расходомерах. В меньшей степени это явление наблюдается в кориолисовых расходомерах, поэтому они нашли применение для измерения расхода нефтегазовых потоков, но не с вращающимся ротором, а с колеблющейся (вибрирующей) тру­ бой при небольшой частоте ее вибрации.

2.7. ПЕРЕПАДНО-СИЛОВЫЕ РАСХОДОМЕРЫ

Перепадно-силовые расходомеры существенно отличаются от ранее рассмотренных силовых расходомеров, создающих в преоб­ разователе расхода ускорение, пропорциональное массовому рас­ ходу QM. В них в результате внешнего силового давления создает­ ся перепад давления, также пропорциональный QM. Это наиболее существенное их достоинство по сравнению с расходомерами

ссужающими устройствами.

Вперепадно-силовых расходомерах в результате действия осо­ бых насосов или вращения подвижного элемента преобразовате­ ля абсолютная или относительная (по отношению к подвижному элементу) скорость v в одном месте потока увеличивается на Av i n . 15, 16], а в другом — уменьшается на Av и измеряется возни­ кающая при этом разность давлений (полных или статических).

На рис. 32 дана схема расходомера, где измеряется разность статических, а не полных давлений. В преобразователе расхода труба 1 разветвляется на две одинаковые параллельные ветви 2

и4, в которых установлены одинаковые сужающие устройства (например, трубы Вентури). Дифманометр 3 измеряет разность статических давлений в горловине той и другой трубы Вентури. Насос 5 непрерывно отбирает некоторое количество жидкости из ветви 2 и подает ее в ветвь 4у уменьшая среднюю ско­

рость в ветви 2 на Av и уве­ личивая ее на такую же ве­ личину в ветви 4. Очевидно, перепад давления в трубе Вен­ тури в первой ветви будет

63