книги из ГПНТБ / Смирнов А.А. Основы автоматизации целлюлозно-бумажного и лесохимического производств учебник для техникумов

тируемой в потоке электропроводной жидкости, которая при своем движении в трубопроводе пересекает магнитное поле;

-д) расходомеры ультразвуковые — приборы, основанные на из­ мерении расхода по размеру скорости смещения звукового колеба­ ния движущейся в трубопроводе средой.

Счетчики количества жидкости. Тахометрические счетчики жидкости по принципу действия разделяются на скоростные и объемные. Скоростные в основном применяются в качестве водо­ меров, а объемные используются как водомеры, мазутомеры, бензиномеры и т. д.

79

Принцип действия скоростных счетчиков состоит в том, что протекающий через камеру поток жидкости приводит во вращение крыльчатку (вертушку), скорость вращения которой при этом пропорциональна средней скорости протекающей среды, а следова­

того, они делятся на сухоходные, у которых счетный механизм отделен от воды водонепроницаемой перегородкой, и мокроходные, у которых счетный механизм находится в воде.

На рис. 21 показано устройство скоростного водомера с горизон­ тальной вертушкой. Выровненный пластинчатым струевыпрями-

Рис. 22. Водомер скоростной с вертикальной крыльчаткой:

телем 15 поток воды направляется на лопатки вертушки 14, выпол­ ненной в виде многозаходного винта. Вращение вертушки через червячную пару 12 и редуктор 8 передается счетному механизму 7. Для возможности регулирования размера погрешности водомера одна из пластин 2 струевыпрямителя 15 делается поворачиваю­ щейся.

На рис. 22 показано устройство скоростного водомера с верти­

чатке. Регулировка показаний одноструйных водомеров произво­

пластинки, расположенной в потоке воды над крыльчаткой.

80

Погрешность показаний скоростных счетчиков в рабочем диапазоне измерений составляет не более ±2% от действительного количества воды, протекающей через счетчик.

Принцип действия объемных счетчиков основан на отсчете количества определенных объемов, вытесняемых из измеритель­ ной камеры прибора под действием разности давлений на счет­ чике.

На рис. 23 показано устрой­ ство гидромотора поршневого объемного мазутомера. Посту­ пающий через распределительное устройство мазут выталкивается поршнями, движущимися вверх под действием усилий поршней, движущихся вниз. При движении поршней диск 3 совершает коле­ бательные движения, обкатываясь по опорной тарелке 4. При этом приводится во вращение валик 6,

Рис. 23. Гидромотор поршневого ма­ зутомера:

число оборотов которого пропорционально количеству мазута, прошедшего через счетчик. Выходной конец валика 6 связан со счетным механизмом, крепящимся сверху на гидромоторе. Регу­ лировка точности измерения производится изменением хода порш­ ней путем изменения высоты расположения опорной тарелки 4.

Применяются также объемные счетчики с овальными шестер­ нями, дисковыми и кольцевыми поршнями. Объемные счетчики обладают небольшой погрешностью измерения, составляющей для некоторых счетчиков всего ±0,2%.

Расходомеры постоянного перепада. Основной и важнейшей группой расходомеров постоянного перепада являются ротаметры, служащие для измерения расхода газов и жидкостей.

Ротаметр состоит из вертикальной конусной стеклянной трубки (рис. 24), внутри которой помещается поплавок. Узкий конец трубки обращен вниз и служит для входа потока измеряемого вещества. Когда вещество в трубке не движется, поплавок нахо­ дится в нижнеШ положении, как показано на рис. 24. При наличии достаточного движения измеряемого вещества поток, перемещаясь внутри конусной трубки снизу вверх, захватывает поплавок и под­ нимает его до тех пор, пока масса поплавка не уравновесится давлением вещества на площадь поперечного сечения его. При всплытии поплавка изменяется кольцевой зазор между поплавком и внутренней поверхностью конусной трубки, но перепад давления до поплавка и после него не изменяется вследствие постоянства массы поплавка.

Масса поплавка в измеряемой среде может быть выражена

где q — масса ротора, кг; V — объем ротора, м3;

рр— плотность материала ротора, кг/м3; рі — плотность измеряемого вещества, Кг/м3.

Когда усилие от действия массы ротора будет уравновешено давлением потока, ротор остановится. Действующая сила потока

Скорость V потока в кольцевом зазоре определяется уравнением

ѵ = ? у -2gДР

Рі

где ф— коэффициент расхода.

82

Объемный расход вещества, протекающего через ротаметр,

где Q — объемный расход вещества;

F — площадь кольцевого зазора в рассматриваемом положении

В этих уравнениях трудно определимой величиной является коэффициент расхода <р, зависящий от значения произведения ріО, коэффициента динамической вязкости р, диаметра отверстия, экви­ валентного зазору D3, и шероховатости стенок трубки ротаметра и ротора. Указанные величины влияют на ср, вследствие чего при отклонении давления, температуры, плотности, вязкости измеряе­ мого вещества от расчетных значений необходимо корректировать показания прибора введением поправок. С этой целью показания ротаметра умножаются на следующие коэффициенты:

вещества в рабочих условиях.

В ротаметре (см. рис. 24) стеклянная конусная трубка 2 с на­ ходящимся в ней поплавком 1 зажата в штуцерах 3 и 4, снабжен­ ных сальниками. Штуцера связаны тягами 5. Это придает всему прибору достаточную жесткость. В штуцере 4 помещается седло, на которое садится поплавок при прекращении потока. В штуцере.? расположен ограничитель, в выступ которого упирается поплавок, если скорость измеряемого потока превышает размер, соответству­ ющий верхнему пределу показаний прибора.

В первоначальных конструкциях ротаметров поплавок не только занимал определенное положение по высоте (соответственно рас­ ходу веществ), но и постоянно находился во вращательном движе­ нии. Последнее достигалось воздействием потока на особые косые канальцы, вырезанные на верхней кольцевой части поплавка. По­ скольку поплавок походил на вращающийся ротор, прибор был назван ротаметром. В настоящее время поплавки ротаметров изго­ товляются без канальцев и не вращаются при работе. Для устране­ ния прилипания поплавка к стенке конусной трубки ротаметр дол­ жен быть .установлен строго вертикально. При всплытии поплавок обтекается потоком и центрируется внутри конусной трубки, он не соприкасается со стенками трубки и работает, таким образом, без трения. Это делает поплавок чрезвычайно чувствительным к малейшему изменению скорости потока.

Расход протекающего вещества отсчитывается в объемных или массовых единицах непосредственно на шкале, нанесенной на внеш­ ней поверхности стеклянной трубки. Отсчет производится по верх­ ней кромке поплавка. Ротаметр соединяется с трубопроводом фланцами.

Материал для изготовления поплавка и арматуры подбирается в зависимости от состава и характера измеряемой среды.

Ротаметры градуируются при определенных расчетных пара­ метрах, жидкостные — по расходу воды, а газовые — по расходу воздуха. Для рабочих условий пределы измерения соответственно меняются. Кроме того, при изменении давления, температуры, плот­ ности и вязкости измеряемого вещества в процессе эксплуатации необходимо в показания прибора вносить соответствующие по­ правки. Погрешность работы ротаметров не превышает ±1,5% от

верхнего предела шкалы.

Кроме механических, широко используются также ротаметры с электрической индукционной или пневматической дистанционной передачей показаний на показывающий, самопишущий, интегрирую­ щий или регулирующий прибор. Погрешность измерения ротамет­

верхнего предела шкалы прибора.

Расходомеры переменного перепада. Измерение расхода ве­ ществ по методу переменного перепада основано на изменении потенциальной энергии вещества в трубопроводе при местном суже­ нии потока. Для измерения расхода вещества в трубопроводе

84

создают сужение сечения установкой специального сужающего устройства.

С у ж а ю щ е е у с т р о й с т в о представляет собой дроссельное приспособление, посредством которого при протекании пара, газа или жидкости через суженное сечение часть потенциальной энергии преобразуется в кинетическую. Переход потенциальной энергии в кинетическую обусловливается возрастанием скорости потока при протекании через суженное сечение.

Изменение потенциальной энергии зависит от расхода вещества, так как с увеличением количества вещества, проходящего через

. сужающее устройство-, будет соответственно увеличиваться скорость потока и разность давлений в трубопроводе до сужения и в мёсте сужения потока. Изменение размера разности статических давле­ ний до и в месте сужения (так называемого перепада давлений), может быть измерено посред­ ством дифференциальных ма­ нометров (дифманометров).

По измеренному размеру перепада на основании закона сохранения энергии расчетным путем может быть определен расход вещества. Расход ве­ щества по методу переменного перепада может быть с доста­ точной точностью измерен в том случае, если известны темпе­ ратура, давление и масса еди­ ницы объема измеряемого ве­ щества и если измеряемая сре­ да при протекании по трубо­ проводу, где установлен преоб­

разователь расхода (сужающее устройство), находится в одной: определенной фазе — жидкой или газообразной.

Из последнего следует, что измеряемые капельные жидкости могут содержать газы или твердые вещества лишь в растворенном виде и что не должно быть выделения газов или осадков из жидко­ сти. Газы не должны содержать крупных капель влаги, а пар дол­ жен быть перегретым. Это требование имеет особенное значение при измерении паров в состоянии, близком к насыщению, и жидко­ стей— вблизи точек кипения.

Простейшим сужающим устройством является диафрагма. На рис. 25 показана форма потока и кривая изменения давления в трубопроводе при установке диафрагмы (жирной линией на кривой показано распределение давлений вдоль стенки трубопровода, пунктирной линией — распределение давлений по оси трубопро­ вода).

Теория измерения расхода по методу переменногоперепада заключается в следующем. Известно, что кинетическая энергия прямо пропорциональна квадрату скорости, а потенциальная

85

энергия прямо пропорциональна давлению или высоте столба жид­ кости. Соотношение между давлением и скоростью потока дает следующее уравнение Бернулли, выражающее энергетический баланс движущейся идеальной жидкости:

в трубопроводе сумма геометрического, статического (пьезометри­ ческого) и динамического (скоростного) напоров в сечениях по­ тока до и.после преобразователя расхода является постоянной ве­ личиной.

Для реальной жидкости, движущейся с трением, часть удель­ ной энергии будет расходоваться на преодоление трения и других

86

О бозначив ( P i — Р 2) через А Р , получим

(24)

где АР — перепад давления в преобразователе расхода, Па. Согласно условию сохранения непрерывности проходящего по­

в наиболее суженном месте, м2.

Площадь Fi не равна площади отверстия преобразователя рас­ хода Р0 и находится с ней в следующем соотношении:

Заменив Р2 и ѵ% их значениями, получим общее уравнение се­ кундного расхода для несжимаемой жидкости:

Множитель, взятый в скобки, называется к о э ф ф и ц и е н т о м р а с х о д а .

87

Если ввести рі под знак радикала, то значение секундного рас­

Уравнение (34) справедливо для несжимаемой среды, т. е. для жидкостей. В случае же прохождения по трубопроводу газообраз­ ного вещества вследствие падения давления в сужении происходит расширение газа (или пара), в результате чего кинетическая энер­ гия потока получает приращение не только за счет снижения дав­ ления, но и за счет работы, развивающейся при расширении. Сле­ довательно, при измерении упругих сред пользоваться уравнением

где е — поправочный множитель к коэффициенту расхода, учиты­ вающий радиальное расширение измеряемой среды в сужении вследствие изменения давления от Рі до Рг и связанное с этим уве­ личение скорости и уменьшение плотности газообразного вещества.

Расход упругих сред в объемных единицах выражается урав­ нением

Для практического пользования уравнения (35) — (38) неудобны, поэтому пользуются часовыми значениями расхода.

Для получения часового расхода следует правую часть уравне­ ния помножить на 3600. Площадь сечения сужающего устройства нужно выразить через его диаметр (мм), т. е.

съй2

4 ■10S ’

Тогда уравнение (37) примет вид

При изготовлении сужающего устройства его диаметр d изме­ ряется при температуре 20° С. При измерениях расхода темпера­ тура сужающего устройства может значительно отличаться от

88