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

Рис. 164. Схемы устройств, создающих вращательное движение потока

бом закручивания потока, показаны на рис. 164, а, б. На рис. 164, а жидкость или газ по трубе 1 диаметром 6 входит тангенциально в цилиндрическую камеру 2 диаметром D, где за­ кручивается и через патрубок 3 диаметром d и длиной L поступает в трубу или камеру 4 большего диаметра, где вращающийся по­ ток прецессирует, что сопровождается местными пульсациями дав­ ления и скорости. На рис. 164, б закручивание потока произво­ дится спирально расположенными лопатками 2. В остальном обе схемы идентичны. Первые опыты с преобразователем по рис. 165, а (6 = 4,8 мм, D = 24 мм, d = 8 мм, L = 17,5 мм) были опубликованы Воннегутом в 1954 г. Опыты как на воде, так и на воздухе дали линейную зависимость между частотой пульсации давления и объемным расходом. В работах Шенода (США) была получена зависимость числа Sh от Re для камеры с тангенциальным вво­ дом (рис. 165, а) и для винтового завихряющего устройства (рис. 165, б). В последнем случае число Sh остается постоянным при Re > 3 •10 , а при танген­

Рис. 166. Схема возникновения процессии ядра вихря

При этом возникнет разность давлений между внутренней и на­ ружной поверхностями ядра, так как на наружной его поверхно­ сти частоты вращения как ядра, так и всего потока действуют в одном направлении, а на внутренней поверхности — в направ­ лении, противоположном друг другу. Эта разность давлений со­ здает силу рп, перпендикулярную к оси ОЕуприложенную на неко­ тором расстоянии I от точки О и образующую относительно этой точки главный момент внешних сил М = ри1. Согласно закону моментов этому моменту М геометрически равна скорость v точ­ ки А, являющейся концом главного момента количества движе­ ния ядра вихря LQ- Jtсо (J£ — момент инерции ядра вихря), отло­ женного на оси ОЕ от точки О. Следовательно,

v = М = Рп1.

Скорость и, перпендикулярная к плоскости zOEy вызовет вра­ щение оси ядра вихря ОЕ вокруг неподвижной оси Oz с угловой скоростью Op которая определяется из выражения

CDj = v/L0 sin ф= y/J£co sin ф.

Подставляя сюда значение v из предыдущего уравнения, по­ лучим

Частота пульсаций давления f на внешней поверхности вихре­ вого потока

f = COJ /271 = рп1/2moJ£ sin ф.

Сила рп пропорциональна скорости или объемному расходу потока, следовательно, и частота f будет им пропорциональна.

В СКВ «Нефтехимприбор» разработано несколько конструк­ ций приборов как с тангенциальным способом закручивания потока (расходомеры ВР-1), так и с винтовым аппаратом (расхо­ домеры «Вихрь» и ПРВ). На рис. 167 показано устройство преоб­ разователя расходомера «Вихрь». Поток жидкости или газа про­ ходит через входной патрубок 1 и завихряющий аппарат 3, снаб-

290

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