18.3. Кориолисовые силовые расходомеры

Кор иолисовыми называются расходомеры, в преоб­разователях которых под влиянием силового воздействия возни­кает кориолисово ускорение, зависящее от расхода. Для образо-348

вания этого ускорения непрерыв­но вращающемуся преобразова­телю расхода придают конфигура­цию, заставляющую поток пере­мещаться в радиальном направле­нии по отношению к оси враще­ния, совпадающей с осью турбопровода.

Принципиальная схема корио-лисового расходомера, предло­женного в 1953 г., изображена на рис. 194 [13]. Два трубных штуцера / и 6 с помощью гиб­ких трубных соединений связаны с трубопроводом, по которому течет измеряемое вещество. Шту-

Рис. 194. Схема действия сил в ко-риолисовом расходомере

церы соединены друг с другом металлической втулкой (не пока­занной на схеме) и лежат в шарикоподшипниках. Они вместе с остальной частью преобразователя расхода вращаются с частотой 1800 об/мин от электродвигателя через зубчатую передачу, свя­занную со штуцером 6. Жидкость поступает через штуцер 6. Во вращающихся трубках 5 возникает кориолисово ускорение, созда­ющее момент сил, приложенных к стенкам трубки, который на­правлен противоположно вращающему моменту. В трубках 3, связанных эластичными соединениями 4 с трубками 5, кориоли­сово ускорение имеет направление, обратное кориолисовому ускорению в трубках 3. Поэтому к стенкам трубок 3 приложен момент сил М_к, направленный в сторону вращающего момента. Момент М_к закручивает тонкую торсионную трубку 2, соединен­ную с выходным штуцером 1. Угол закрутки измеряется с помо­щью тензорезисторных преобразователей.

Гг

Момент М_к определяется уравнением М_к = 2 J apFrdr, где

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

Кориолисово ускорение а = 2ию, где v — скорость жидкости в трубке сЗ; со —■ угловая скорость вращения трубки.

После подстановки значения а в предыдущее уравнение и его. интегрирования найдем, что

M_K^co(4 — r²_l)Q_M, (209)

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

Рис. 195. Кориолисовый расходомер К-3

Здесь мы пренебрегли сопротивлением эластичных соединений 4.

Особенность расходомера, приведенного на рис. 194, — неза­висимость мощности, расходуемой электродвигателем, от расхода Q_M, 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 в уплотнениях или в гибких соединениях преобразо­вателя с трубопроводом.

Более распространен расходомер К-3, разработанный в ИАТ [5]. Его преобразователь показан на рис. 195. Здесь ротор 2 электродвигателя отделен от обмотки / статора диамагнитной перегородкой 3 из стали 1X13 толщиной 0,6 мм. Вместе с ротором 2 непрерывно вращается находящийся в нем патрубок 4 с радиаль­ными каналами на выходе. При проходе жидкости через эти каналы возникают кориолисовые силы, создающие момент сопро­тивления М_к, определяемый уравнением (209). Электродвигателю надо помимо этого момента преодолевать еще момент М_в сопро­тивления 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 незначителен и постоянен, а следовательно, и не влияет на точность измерения. Предел измерения от 0,1 до 0,7 кг/с. Для увеличения предела при данной мощности электродвигателя надо, согласно уравнению (209), уменьшать наружный радиус г₂. Расходомер 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 [7] момент, закручивающий роторную крыльчатку, измеряется с помощью связанного с ней электро- или пневмосилового преобразователя. Для веществ, вязкость которых сильно изменяется, в ИАТ разработан двухроторный кориолисовый расходомер К-4. Его преобразователь состоит из двух роторов, близких по конструкции (см. рис. 195), направленных навстречу друг другу. Зазор между их радиальными каналами очень небольшой. Каждый ротор при­водится во вращение своим электродвигателем в одну сторону с одинаковой угловой скоростью со. 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 момент,

^: разгружающий второй электродвигатель. Включая обмотки ста­торов электродвигателей в мостовую схему, измеряют разность токов, потребляемых электродвигателями, которая будет пропор­циональна расходу Q_M при условии, что моменты сопротивления М_с и М_м у обоих роторов одинаковые.

Предложены также несколько конструкций кориолисовых расходомеров, у которых расход Q_M определяется по времени Д/ = Аф/со прохода углового сдвига Аф двух роторов. Преобра­зователь расхода, обеспечивающий исключение влияния вязкости, соответствует схеме, приведенной на рис. 193, 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, про­тивоположные по направлению, образуют угловой сдвиг Аф между крыльчатками, пропорциональный 2М, при условии ра­венства моментов сопротивления М_в + М_ш в обеих крыльчатках. Кориолисовые расходомеры могут быть выполнены и по схе­мам, показанным на рис. 191, д, е, с профилированными крыль­чатками, обеспечивающими прохождение потока не только в осе­вом, но и в радиальном направлении — от центра к краю в первой и от края к центру во второй крыльчатке. Причем в этих схемах электропривод может быть заменен неподвижным шнеком, за-

, кручивающим поток. Расходомеры, построенные по этим и неко­торым другим схемам, рассмотрены в работах [4, 5].