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

Рис. 21. Турбосиловые расходомеры с приводом от потока и измерением вре­ менного сдвига

ренней энергии потока. Отсутствие электродвигателя упрощает конструкцию преобразователя расхода и увеличивает надежность его работы. Обе крыльчатки вращаются с одинаковой угловой скоростью со, а образующийся при этом угол сдвига <р между ними, равный углу закручивания пружины, будет возрастать с ростом массового расхода QM. Момент, закручивающий пружину, равен Лшrc2QM (k — коэффициент, зависящий от соотношения углов на­ клона лопастей на крыльчатках; если ведомая крыльчатка пря­ молопастная, то k = 1). Противодействующий момент, создавае­ мый пружиной, равен с<р (с — жесткость пружины). Приравни­ вая эти моменты, получим

QM= (с/Лгс2)(ф/(0).

Из уравнения (23) следует, что ф/со = А* (А* — время поворота крыльчаток на угол ф). Тогда из предыдущего уравнения вытека­ ет, что Qu = сAt / kr£. Для измерения времени At каждая из крыль­ чаток имеет свой тахометрический преобразователь. Время At измеряется по времени сдвига двух соседних импульсов, генери­ руемых этими преобразователями. У турбосиловых расходомеров без электропривода угловая скорость со растет вместе с расходом.

На рис. 21, а изображена схема, разработанная фирмой «Пот­ тер» (Potter). Преобразователь состоит из двух крыльчаток 1 и 3, связанных между собой пружиной 2. Углы наклона лопастей у крыльчаток разные. Это вызывает при движении потока закру­ чивание пружины 2 на угол ф, пропорциональный расходу (?м. Направление закручивания зависит от того, какая из крыльча­ ток 1 и 3 имеет больший наклон лопастей. Угол ф измеряется с помощью тахометрических преобразователей 4 и 5 по времени

48

сдвига. По этой схеме был создан отечественный турбосиловой расходомер. Роль пружины выполнял торсион (стержень, работа­ ющий на кручение), пропущенный внутри пустотелого вала, на котором посредством шпонки закреплялась одна из крыльчаток. Один конец торсиона соединен с валом, другой — со второй крыль­ чаткой. Расходомер предназначен для измерения больших расхо­ дов газа до 20 000 кг/ч. Другой расходомер, разработанный по этой же схеме, предназначен для измерения расхода жидкости от 290 до 1620 т/ч в трубе диаметром 250 мм при давлении 5 МПа [2].

По схеме преобразователя расхода, показанной на рис. 21, б, создан расходомер К-101. Для устранения влияния ближайшего местного сопротивления здесь предусмотрен струевыпрямитель 1, пройдя через который, поток сперва поступает на прямолопаст­ ную крыльчатку 3, а затем на крыльчатку 5 с наклонными лопа­ стями, которая и будет ведущей. Крыльчатки связаны пружиной 4 и вращаются с одинаковой частотой. Чтобы уменьшить влия­ ние вязкости на точность измерения расхода, на крыльчатке 5 укреплена втулка 2. Внутри последней с очень малым зазором вращается крыльчатка 3. В результате уменьшается момент вяз­ кого трения, вызывающий дополнительное закручивание пружи­ ны 4. При изменении расхода от 1 до 5 кг/с в расходомере К-101 время At изменялось от 5 до 11,5 мс. Дополнительная по­ грешность от шестикратного изменения вязкости (от 1 •10"~6 до 6 •10-6 м2/с) составила 2 %.

На рис. 21, в изображена схема преобразователя расходомера К-102, разработанного в ИАТ для более полного устранения вли­ яния вязкости [5]. С этой целью в преобразователь введена тре­ тья крыльчатка 5. Ведущая крыльчатка 8 с наклонными лопас­ тями укреплена на оси 1, имеющей подшипники качения, уста­ новленные в струевыпрямителях 2 и 6. От оси 1 через отдельные пружины 3 и 7 приводятся во вращение прямолопастные крыль­ чатки 4 и 5. Поток проходит через крыльчатку 4, а затем через крыльчатку 5. Поэтому на крыльчатку 4 и пружину 3 действует как момент, закручивающий поток М, так и сумма моментов М в + М м от вязкости и трения в подшипниках. На крыльчатку же 5 и пружину 7 действует только сумма моментов М в + М м. Поэтому угол закручивания ф2 пружины 7 будет меньше угла закручивания пружины 3. В результате между крыльчатками 4 и 5 образуется угол сдвига Аф = ф1 - ф Е с л и суммы моментов М в + М му действующих на крыльчатки 4 и 5, одинаковы и жест­ кости обеих пружин равны друг другу, то Дф будет зависеть лишь от момента, закручивающего поток. Тогда, очевидно,

QM = (с/гс2)(Дф/ю) = с Ы / т § ,

где At — время поворота всей системы на угол Дф, измеряемое с помощью двух тахометрических преобразователей.

49

Результаты испытания расходомера К-102 на расходах от 1 до 5 кг/с на воде и водоглицериновой смеси при более чем десяти­ кратном изменении вязкости, дали практически одну градуиро­ вочную кривую с разбросом экспериментальных точек в преде­ лах ±1 % . В расходомерах К-101 и К-102 число оборотов крыль­ чаток возрастает от 600 до 3000 об/мин при увеличении расхода от Qmin= 1 кг/с до Qmax=5 кг/с. Соответственно, частота импуль­ сов, генерируемых тахометрическими преобразователями, возра­ стает от 10 до 50 Гц.

Существуют и другие разновидности турбосиловых расходоме­ ров с приводом от потока [4]. Так, если в схеме на рис. 19, а за­ менить электродвигатель на неподвижный шнек, закручивающий поток, то первая прямолопастная крыльчатка будет вращаться с угловой скоростью (о, а пружина, передающая это вращение второй крыльчатке, закрутится на угол ф, пропорциональный мо­ менту М = (orc2QM. Очевидно, расход QMможно будет определить по формуле QM= с ф /0)гс , где с — жесткость пружины. Здесь в дополнение к измерению угла ф надо еще измерять ш с помо­ щью тахометрического преобразователя.

Относительная простота конструкции турбосиловых преобра­ зователей расхода без электропривода — их несомненное досто­ инство, а сложность схем измерения времени Д* — их недоста­ ток. Точность же измерения расхода в большой степени зависит от совершенства упругих свойств применяемых пружин и ста­ бильности их характеристик в условиях эксплуатации. Кроме того, на точность и надежность работы преобразователей влияют каче­ ство и надежность опор. В работе [2] содержатся рекомендации по расчету турбосиловых преобразователей с упруго связанными крыльчатками.

2.3. КОРИОЛИСОВЫЕ СИЛОВЫЕ РАСХОДОМЕРЫ

Кориолисовыми называются расходомеры, в преобразователях которых под влиянием силового воздействия возникает кориоли­ сово ускорение, зависящее от расхода. Для образования этого ус­ корения непрерывно вращающемуся преобразователю расхода придают конфигурацию, заставляющую поток перемещаться в ра­ диальном направлении по отношению к оси вращения, совпадаю­ щей с осью трубопровода.

Принципиальная схема кориолисового расходомера, предло­ женного в 1953 г., изображена на рис. 22 [13]. Два трубных шту­ цера 1 и 6 с помощью гибких трубных соединений связаны с тру­ бопроводом, по которому течет измеряемое вещество. Штуцеры соединены друг с другом металлической втулкой (не показан­ ной на схеме) и лежат в шарикоподшипниках. Они вместе с ос­ тальной частью преобразователя расхода вращаются с частотой 1800 об/мин от электродвигателя через зубчатую передачу, свя­

50

трубку 2, соединенную с выходным штуцером 1. Угол закрутки измеряется с помощью тензорезис

торных преобразователей.

г2

Момент М к определяется уравнением М к = 2 J apFrdr, где

ri

г — текущий радиус трубки; гг — радиус (средний), на котором прекращается движение жидкости в радиальном направлении; г2 — радиус наружного конца трубки; а — кориолисово ускоре­ ние в трубках; р — плотность измеряемого вещества; F — пло­ щадь поперечного сечения трубки.

Кориолисово ускорение а = 2ио, где v — скорость жидкости в трубке 3; о) — угловая скорость вращения трубки.

После подстановки значения а в предыдущее уравнение и его

а угол ф закручивания торсионной трубки 2, имеющей жесткость с, будет

<p = «o(rf - r 2)QM.

Здесь мы пренебрегли сопротивлением эластичных соедине­ ний 4.

Особенность расходомера, приведенного на рис. 22, — незави­ симость мощности, расходуемой электродвигателем, от расхода QM, потому что энергия, затрачиваемая при вращении трубок 5, возвращается при проходе жидкости через трубки 3. Мощность электродвигателя расходуется только на преодоление трения в опорах и уплотнениях или в гибких соединениях преобразова­ теля с трубопроводом.

51

Более распространен расходомер К-3, разработанный в ИАТ [5]. Его преобразователь показан на рис. 23. Здесь ротор 2 элект­ родвигателя отделен от обмотки 1 статора диамагнитной перего­ родкой 3 из стали 1X13 толщиной 0,6 мм. Вместе с ротором 2 непрерывно вращается находящийся в нем патрубок 4 с радиаль­ ными каналами на выходе. При проходе жидкости через эти ка­ налы возникают кориолисовы силы, создающие момент сопро­ тивления М к, определяемый уравнением (24). Электродвигателю надо помимо этого момента преодолевать еще момент М в сопро­ тивления сил вязкого трения жидкости и момент М м сил трения в опорах. Ротор снабжен шарикоподшипниками, вынесенными за пределы активной зоны потока. Поэтому момент М м незначи­ телен и постоянен, а следовательно, и не влияет на точность из­ мерения. Предел измерения от 0,1 до 0,7 кг/с. Для увеличения предела при данной мощности электродвигателя надо согласно уравнению (24) уменьшать наружный радиус г2Расходомер К-3 конструктивно прост, но пригоден лишь для измерения веществ с мало изменяющейся вязкостью. Измеряемая величина в нем — мощность, потребляемая электродвигателем.

В другом однороторном кориолисовом расходомере момент, за­ кручивающий роторную крыльчатку, измеряется с помощью свя­ занного с ней электроили пневмосилового преобразователя [7].

Для веществ, вязкость которых сильно изменяется, в ИАТ раз­ работан двухроторный кориолисовый расходомер К-4. Его пре­ образователь состоит из двух роторов, близких по конструкции (рис. 23), направленных навстречу друг другу. Зазор между их радиальными каналами очень небольшой. Каждый ротор приво-

52

дится во вращение своим электродвигателем в одну сторону с одинаковой угловой скоростью ш. Поток в радиальных каналах первого ротора направлен от центра к краям и создает кориоли­ совы силы, противодействующие вращающему моменту первого электродвигателя. В каналах второго ротора поток движется от краев к центру и образует кориолисовы силы, создающие мо­ мент, разгружающий второй электродвигатель. Включая обмот­ ки статоров электродвигателей в мостовую схему, измеряют раз­ ность токов, потребляемых электродвигателями, которая будет пропорциональна расходу QM при условии, что моменты сопро­ тивления М с и М м у обоих роторов одинаковые.

Предложены также несколько конструкций кориолисовых рас­ ходомеров, у которых расход QM определяется по времени At = = Аф/о прохода углового сдвига Аф двух роторов. Преобразова­ тель расхода, обеспечивающий исключение влияния вязкости, со­ ответствует схеме, приведенной на рис. 21, в, с той разницей, что обе крыльчатки благодаря своей форме помимо осевого создают еще и радиальное перемещение потока. Как и в расходомере К-4, поток в одной крыльчатке движется от центра к краю, а после перехода во вторую крыльчатку — от края к центру. Моменты М, создаваемые кориолисовыми силами в каждой крыльчатке, про­ тивоположные по направлению, образуют угловой сдвиг Аф меж­ ду крыльчатками, пропорциональный 2М, при условии равен­ ства моментов сопротивления М в + М в обеих крыльчатках.

Кориолисовые расходомеры могут оыть выполнены и по схе­ мам, показанным на рис. 19, д, е9 с профилированными крыль­ чатками, обеспечивающими прохождение потока не только в осе­ вом, но и в радиальном направлении — от центра к краю в пер­ вой и от края к центру во второй крыльчатке. Причем в этих схемах электропривод может быть заменен неподвижным шне­ ком, закручивающим поток. Расходомеры, построенные по этим

инекоторым другим схемам, рассмотрены в работах [4, 5]. Расходомеры и плотномеры «Micro Motion» предназначены для

прямого измерения массового расхода, плотности, температуры, вычисления объемного расхода жидкостей, газов и взвесей. Все измерения выполняются в реальном времени. Какого-либо допол­ нительного оборудования для измерений не требуется.

Выпускается восемь типов моделей датчиков расходов (сенсоров) и шесть моделей микропроцессорных преобразователей, функцио­ нальные возможности которых отвечают самым различным требо­ ваниям.

Кориолисовый расходомер состоит из датчика расхода (сенсо­ ра) и преобразователя. Сенсор напрямую измеряет расход, плот­ ность и температуру. Преобразователь конвертирует полученную с сенсора информацию в стандартные выходные сигналы.

Измеряемая среда, поступающая в сенсор, разделяется на рав­ ные половины, протекающие через каждую из сенсорных трубок. Движение задающей катушки (рис. 24) приводит к тому, что труб­ ки колеблются вверх-вниз в противоположном направлении друг

53