Расходомеры обтекания с электромагнитным уравновешиванием
Имеются схемы расходомеров обтекания, у которых уравнове шивание силы динамического давления на поплавок осуществ ляются электромагнитным способом. У них поплавок связан с железным сердечником, находящимся в поле наружного соле ноида. Кроме того, имеется устройство (например, фотосопротив ление и осветитель), реагирующее на перемещение поплавка и изменяющее силу тока i в соленоиде так, чтобы обеспечить возврат поплавка в исходное положение. Подобные расходомеры работают по компенсационной схеме и предназначены для изме рения сравнительно небольших расходов. Их называют также рас ходомерами с магнитной подвеской. Сила тока i пропорциональ на объемному расходу, если вес поплавка скомпенсирован с по мощью дополнительного соленоида.
Существуют и другие разновидности подобных расходомеров, в которых фиксация местоположения поплавка осуществляется электромагнитным способом [32]; при этом не требуется фотоэле мента и осветителя.
Ш ариковые расходомеры обтекания
Более точно рассматриваемые приборы следовало бы назвать расходомерами обтекания с шариком, движущимся по дуге ок ружности. С ними не надо смешивать приборы, в которых шарик перемещается вертикально в цилиндрической трубке и при своем подъеме открывает в последней отверстие для выхода измеряемо го вещества.
Схема устройства расходомера, в котором шарик движется по дуге окружности, показана на рис. 13. При отсутствии движения жидкости шарик занимает крайнее нижнее положение. По мере увеличения расхода шарик поднимается в стеклянной трубке, имеющей форму неполного кольца. Диаметр шарика <2Шменьше внутреннего диаметра dr трубки, поэтому между трубкой и ша риком остается постоянная площадь серпообразной формы для прохода жидкости.
На шарик действует гидродинамическое давление потока
F = Ч>шРи% / 2 = (8 4 ^ р/ш
и вес поплавка в жидкости G = Vm (рш - р) g, проекция которого G sin © уравновешивает силу F. Следовательно, G sin © = F. Отку да следует, что
29
|
где |
|
k = ■ndryjG/8xVUJpmfm. |
|
Таким образом, угол © |
|
есть мера расхода. В действи |
|
тельности сила F приложена |
(Рш ~ Р) |
не в 4eHTP® шара, а на рассто- |
|
янии х от наружной стенки, |
Рис. 13. Схема шарикового расходомера |
которое больше <2Ш/ 2 (рис. 13). |
обтекания |
В связи с этим появляется мо |
|
мент, обусловливающий вра- |
щение шарика по часовой стрелке. При угле © > 60° этот момент преодолевает трение шарика о стенку, шарик теряет устойчивость и начинает вращаться. Поэтому угол 0 не должен превосходить 60°. Результаты опытов [29], проведенных при четырех отноше ниях rfm/rfT = 0,1; 0,2; 0,4 и 0,6, показали, что коэффициент со противления х¥ш зависит от числа Re и от отношения dm/dT.
1.4.РАСХОДОМЕРЫ С ПОВОРОТНОЙ ЛОПАСТЬЮ
Втрубопроводе подвешивается лопасть, на которую воздей ствует гидродинамическое давление потока жидкости или газа. Расход определяется по углу поворота лопасти или по величине противодействующей силы, уравновешивающей давление потока
вкомпенсационных приборах. В последнем случае угол поворота
лопасти может быть ничтожно мал.
Общая характеристика
По виду противодействующей силы расходомеры с поворотной лопастью подразделяются на расходомеры с грузовым и с пру жинным уравновешиванием, а также на компенсационные с пнев матическим или электрическим уравновешиванием.
Достоинства их: большой диапазон измерения, доходящий до 15-20, и возможность двустороннего действия. Кроме того, они позволяют сравнительно просто осуществить измерение больших расходов жидкости и газов, а также веществ, имеющих высокую температуру или обладающих агрессивными свойствами. Их ди намические характеристики достаточно хорошие. Время переход ного процесса (колебательного, быстро затухающего) 1,5-2 с.
Основной элемент расходомера — поворотная лопасть — даже при постоянном расходе непрерывно вибрирует вследствие срыва вихрей с ее тыльной стороны. Небольшая вибрация не мешает работе. Она в ряде случаев даже может быть полезна, так как препятствует оседанию грязи и других механических примесей
30
на лопасти. Но при углах поворота, больших чем 60-65°, и при измерении расхода газа амплитуда вибраций может резко возра сти. У жидкостей (благодаря их большей вязкости) этого не на блюдается даже при углах поворота 80-85°. В связи с этим для газов угол поворота не должен превосходить 60°, а для жидко стей — 80° (тем более, что затем наступает резкое падение чув ствительности расходомера). В работе [13] указывается, что нача ло колебаний тела обтекания возникает при числах Re = 800 1500 и достигает частоты 50 Гц при Qmax и силе гидродинамического давления 5-15 Н. Там же рекомендуется для уменьшения вязко го трения заострять все кромки поворотного диска или другого вида лопасти до 0,2-0,5 мм. При измерении расхода нефти, со держащей смолистые вещества, грязь и парафин, небольшие виб рации лопасти необходимы для ее самоочистки. В этом случае нижний предел измерения надо согласовать с началом возникно вения вибраций.
Для борьбы с вибрациями большой амплитуды, затрудняющи ми измерение расхода, надо в лопасти сделать ряд отверстий для выравнивания давления на ее тыльной стороне. Если лопасть имеет прямоугольную форму, то в ней делают несколько узких парал лельных щелей или небольших отверстий. В лопасти, изготов ленной в виде диска, рекомендуется делать ряд трапецеидальных отверстий [13], расположенных концентрически, а наружный ди аметр диска принимать равным 0,75П, где D — диаметр трубо провода. Это благоприятно еще и потому, что при этом постоян ство коэффициента сопротивления обтекаемого тела наступает при значительно меньших числах Re.
Расходомеры с поворотной лопастью, имеющей грузовое уравновешивание
Эти расходомеры устанавливают только в горизонтальном тру бопроводе. На рис. 14 схематически показана лопасть площадью /л, повернувшаяся вокруг оси вращения на угол а под действием гидродинамического давления потока R
R = Флри2/л cos а / 2 = ФлрФо4 cos ос/2F,
где QQ — объемный расход; F — площадь трубопровода.
При а = 0 сила R приложена в центре О площади лопасти, но с возрастанием угла а точка приложения силы R начина ет сдвигаться к оси подвеса. Согласно работе [7], расстояние /а = / (1 - 3,8 •10~3а), где а измеряется в градусах. Момент Мд, приложенный к лопасти, равен произ
Рис. 14. Схема расходомера с поворотной лопастью
31
ведению плеча на проекцию силы R на нормаль к плоскости ло пасти, т. е.
М „ = R cos aL. |
(15) |
|
А |
о |
|
Противодействующий момент М пр создается весом лопасти Gn и в общем случае еще и весом дополнительного груза Gr, которые приложены на расстояниях 1Ли 1Гот оси вращения, т. е.
м пр = (с л*л + Grlr) Sin а.
Из равенства моментов М д и М пр находим, что
<2^ = ky]ig a /co s а, |
(16) |
где |
|
k = F[2(Gnln + Grlr)/4> M |
f b . |
Ha рис. 15 пунктиром изображена кривая 1, построенная по уравнению (16) в предположении к = const, и три эксперименталь ные кривые, полученные Гудритом в Киевском институте газа на трубе диаметром 123 мм. Кривая 2 получена на газе при прямо угольной площади лопасти (/л = 15,6 % F) [4]. Она довольно близ ко совпадает с кривой 1. Кривая 3 получена на газе, а кривая 4 на воде при значительной площади лопасти (/л = 67,4 % F). Оче видно, при больших отношениях fn/F коэффициент сопротивле ния лопасти <рл и плечо /а более существенно зависят от угла по ворота а. Так, согласно работе [7] при /л = 71 % F коэффициент срл изменяется в 8-10 раз при возрастании а от О до 60°. В связи с этим кривые 3 и 4 не так хорошо, как кривая 2, совпадают с теоретической кривой 1. Далее из рис. 15 следует, что с увели чением отношения fn/F диапазон измерения возрастает. Если считать Qmin при угле а = 5°, то для газа при /л = 15,6 % имеем
Рис. 15. Зависимость между рас ходом и углом поворота лопас ти с грузовым противодействием
Qmax/Qmin = 7, а при fJ F = 67,4 % име ем Qmax/Q min= 14. Для воды же благодаря увеличению ctmax до 75-80° этот диапазон достигает даже 20 и более. Но с увеличением fJ F диапазон изме рения смещается в сторону меньших расходов. Так, при f =:
= 85 м3/ч, a Qmax = 601,4 Md/4, в то время как при f = 67,4% (кривая 3)
®min=23-2 м / ч ’ а Qmax= 324-5 ™3/4 -
Смещения диапазона измерения в сто рону больших расходов можно достичь также, увеличивая вес лопасти Gn или груза Gr, что следует из уравнения (16).
Несколько конструкций расходоме ров с поворотной лопастью и грузовым
32
уравновешиванием разработано в Киевском институте газа [014]. Один из них типа ДРО-Ю предназначен для измерения расхода газа до 250 м3/ч при давлении до 5 МПа, подаваемого в подзем ное газохранилище и выдаваемого из него, т. е. при двусторон нем действии газохранилища. В трубе диаметром 100 мм уста новлена лопасть в виде полукруга. С помощью магнитной муфты угол поворота оси лопасти передается сельсину, расположенному снаружи трубопровода. Диапазон измерений 1 0 :1 . Предельная погрешность ±2 % .
Исследованием и разработкой расходомеров с поворотной лопастью занимались также в Одесском политехническом ин ституте [5, 7]. При этом было обнаружено, что если сделать в центре тяжести лопасти отверстие, площадь которого состав ляет 15-20 % от площади лопасти, то уменьшаются вибра ции и градуировочная характеристика становится более ли нейной.
Простота устройства расходомеров с поворотной лопастью поз воляет создавать их даже самими потребителями и применять в различных практических случаях, в частности для измерения расхода сточных вод, содержащих крупные механические примеси [1].
Расходомеры с поворотной лопастью нередко применяют в ка честве сигнализаторов или индикаторов расхода. Таким является прибор типа РПВ-2 завода «Киевприбор», имеющий поворотную лопасть квадратной формы (100 х 100 мм) и работающий при не большом избыточном давлении 100 мм вод. ст. (1000 Па). Он служит для замыкания сигнальной цепи при достижении задан ной скорости воздуха (в пределах 4-10 м /с) посредством поворо та рычага ртутного выключателя.
Расходомеры с поворотной лопастью, имеющей пружинное уравновешивание
Эти расходомеры могут устанавливаться как на горизонталь ных, так и на вертикальных трубопроводах. У них поворотная лопасть либо укреплена на конце торсионной трубки, создающей при своей закрутке противодействующий момент М пр, либо свя зана с винтовой, спиральной или другого рода противодействую щей пружиной.
Момент М д действует со стороны потока на лопасть и опреде ляется уравнением (15), а момент М п противодействует ему. В общем случае, когда лопасть установлена на горизонтальной трубе и к моменту М пр, создаваемому пружиной, присоединяется еще момент от веса (7Ллопасти, момент
Мп —GJJ/JJsin ct + МПр.
33
Из равенства моментов М д и М п получим
Qo = F [2 (Ол1л tg а / cos а + Мпр / cos2 а)/(Флр У а ]° .
В большинстве случаев моментом от веса лопасти можно пре
небречь, тогда имеем |
|
Qo = т(М пр /co s2 а)0,5, |
(17) |
где m = f (2/флрМ )0’5.
Как правило, М пр = са, где с — жесткость пружины на закру
чивание; тогда |
|
= m(ca/cos2 a)0,5. |
(18) |
Если усложнить зависимость между моментом М пр, создавае мым пружиной, и углом а, то можно приблизиться к получению линейной зависимости между расходом Q0 и углом а. Так, в об щем случае для этого надо между М пр и а иметь зависимость
М пр = Ь ф лк0 -2 c o s 2 a >
где k = const.
В работе [17] реализован другой сравнительно простой спо соб линеаризации шкалы прибора. Для этого к поводку длиной 8,3 см, сидящему жестко на оси поворотной лопасти, прикрепля ется винтовая пружина с первоначальным натягом 8 Н и длиной 10 см, имеющая жесткость с = 10 Н/см. Подобное устройство при менено в приборе, разработанном Донецким политехническим институтом, для измерения в трубах диаметром 100 мм расхода (80 м3/ч) загрязненной воды в шахтах. Поворотная лопасть — диск диаметром 50 мм и толщиной 2 мм. Полный угол поворота 70°.
На рис. 16, а показана схема прибора ДР-21 для измерения расхода нефти и нефтепродуктов в трубах диаметром 100 мм [13]. Поворотная лопасть в виде перфорированного диска 5, имеющего
а)
Рис. 16. Схема расходомеров с поворотной лопастью: а — пружинным противо действием; б — с пневматической компенсацией
34