книги из ГПНТБ / Кулаков М.В. Технологические измерения и приборы для химических производств учебник

§ 56* Р асходом ерны е дифманометры

Принцип работы приборов, измеряющих разность давлений (дифференциальных манометров), был описан выше. Поэтому здесь будут рассмотрены лишь отдельные узлы, которыми снаб­ жаются расходомерные дифманометры.

Счетчики (интеграторы) расходомеров переменного перепада.

Счетчики расходомерных дифманометров автоматически, через определенные промежутки времени суммируют значения мгновен­ ного расхода и показывают объемное или массовое количество

Рис. 144. Схема механического , интегратора с ролико-дисковым механизмом:

1 — синхронный двигатель; 2 — зубчатые колеса; 3 — траверса; 4 —ро­ лики; 5 — собачка; 6 и 7 — диски; 8 — храповое колесо

вещества нарастающим итогом. В расходомерах переменного

счетчика (интегратора) с ролико-дисковым механизмом. Синхрон­ ный двигатель 1 (или часовой механизм) через систему зубчатых колес 2 вращает траверсу 3, на которой укреплены два рычага 3, снабженных роликами 4 и собачками 5. Ролики катятся одно­ временно по двум концентричным дискам 6 и 7, имеющим впадины на половине окружности. Диск 6 закреплен неподвижно, а диск 7 кинематически связан с ведущим звеном дифманометра таким образом, что он (диск) поворачивается на угол, пропорциональный мгновенному значению расхода. Если диск 6 установить так, чтобы при нулевом расходе начала его выступа совпало с концом впадины диска 7, т. е. чтобы совместный контур обоих дисков представлял собой полную окружность одного радиуса, то при расходе, отличном от нулевого, длина впадины, образуемая

200

совокупным контуром обоих дисков, будет пропорциональна измеряемому расходу.

Соосно с траверсой 3 укреплено храповое колесо 8 с мелкими зубьями. Зубчатой передачей храповое колесо связано со счетчи­ ком барабанного типа, суммирующим его обороты. Когда ролики 4 попадают во впадины дисков 6 и 7, собачки 5 входят в зацепление с зубьями храпового колеса и поворачивают его на угол, соответ­ ствующий длине впадины, т. е. на угол, пропорциональный мгновенному значению измеряемого расхода.

Траверса вращается с постоянной скоростью (2 об/мин), поэтому средняя скорость прерывистого вращения храпового колеса и входного валика барабанного счетчика пропорциональна относительной величине расхода, а отсчет счетчика пропорционален количеству вещества, протекающего через расходомер.

Коэффициент пропорциональности

(интегратора), которым снабжаются вторичные электронные диф­ ференциально-трансформаторные приборы. Интегратор, смонти­ рованный в корпусе прибора, состоит из роликового счетного устройства СМ, электромагнитной муфты ЭМ и источника пита­ ния ИП.

В электромагнитную муфту входят электромагнит 1, якорь 2, соединенный с роликовым счетным устройством, и трехконтакт­ ные кольца 3, 4 и 5. Кольцо 5 состоит из двух электрически не связанных полуколец. При вращении муфты от синхронного двигателя СД по кольцу 5 скользят две щетки — неподвижная 6 и подвижная 7; последняя перемещается пропорционально углу отклонения стрелки прибора. Когда расход равен нулю, угол между щетками 6 я 7 равен 180°, поэтому они всегда касаются разных полуколец и электрического соединения между ними не будет. Если расход не равен нулю, то угол между щетками умень­ шается пропорционально увеличению расхода. При угле меньше 180° оба контакта будут касаться одного и того же полукольца. В этот момент цепь питания муфты замкнута, якорь притянут

201

к электромагниту и вращается вместе с ним, приводя в движение роликовое счетное устройство.

Таким образом, счетное устройство суммирует число оборотов якоря муфты, которое за определенный промежуток времени

ип

Рис. 145. Схема электромагнитного интегратора:

1 — электромагнит; 2 — якорь; 3—5 — контактные кольца; 6 — неподвижная щетка; 7 — подвижная щетка

пропорционально продолжительности включения муфты, а сле­ довательно, и измеряемому расходу.

При максимальном расходе в течение 1 ч счетное устройство изменяет показания на 1000 цифр. Отсюда коэффициент счет­ чика k = 0,001 Qmax. По­

В основу работы интегратора положен принцип силовой ком­ пенсации. Выходной сигнал с давлением, пропорциональным перепаду давления на сужающем устройстве, поступает на чувст­ вительный элемент интегратора — мембранный блок 8. Под

202

гично поступают и в том случае, когда плотность измеряемой среды зависит от колебания давления (случай насыщенного пара).

При измерении расхода газа или перегретого пара плотность изменяется от температуры, давления и влажности. В большин­ стве приборов применяется коррекция только по давлению и температуре.

На рис. 147 в качестве примера показана схема расходомера с автоматической коррекцией на изменение давления и темпера­ туры, основанная на применении дифференциально-трансфор­ маторных преобразователей.

Рис. 147. Схема расходомера с автоматической коррекцией по дав­ лению и температуре:

/ и 5 —мембранные манометры; 2, 3, 6 и Р—сердечники; 4, 7 и 8—кулачки

Объемный расход с учетом поправки на температуру и давле­ ние определяется формулой

Q = k ] / Ар-у-.

Следовательно, расходомер с автоматической коррекцией по температуре и давлению должен включать счетно-решающее устройство, производящее умножение, деление и извлечение квадратного корня. Прибор представляет собой электронный автоматический уравновешенный мост переменного тока, совме­ щенный с дифференциальным манометром и манометром компен­ сационного типа. Этот мост и выполняет функцию счетно-решаю­ щего устройства.

Перепад давления Ар на сужающем устройстве измеряется мембранным дифференциальным манометром У, снабженным диф­ ференциально-трансформаторной катушкой с сердечником 2. Вто­ ричный прибор имеет такую же катушку с сердечником 3.

Изменение перепада давления на сужающем устройстве вызы­ вает рассогласование в положении сердечников 2 и 3\ на вход электронного усилителя ЭУ1 поступает сигнал разбаланса, кото­ рый усиливается и подается на управляющую обмотку реверсив-

204

ного двигателя РД1. Двигатель с помощью кулачка перемещает сердечник 3 в положение, согласованное с сердечником 2, что приводит к равенству э. д. с., наводимых в обеих катушках, а следовательно, и к. новому состоянию равновесия.

На оси реверсивного двигателя РД1 закреплен также движок реостатного датчика R Ap, который включен в одно из плеч авто­ матического уравновешенного моста. Давление измеряемой среды перед сужающим устройством измеряется мембранным мано­ метром 5, снабженным дифференциально-трансформаторной ка­ тушкой с сердечником 6, которая включена в схему, аналогичную рассмотренной. На оси реверсивного двигателя РД2, предназ­ наченного для уравновешивания схемы измерения давления, закреплен также движок реостатного датчика R p, включенный в противоположное плечо автоматического уравновешенного моста.

Изменение температуры измеряемой среды фиксируется тер­ мометром сопротивления R t, включенным в третье плечо автома­ тического уравновешенного моста. Термометр сопротивления устанавливается в трубопроводе перед сужающим устройством. Четвертым плечом уравновешенного моста является компенси­ рующее сопротивление R K.

При разбалансе вследствие изменения расхода или темпера­ туры и давления измеряемой среды в диагонали моста, в которую включен электронный усилитель ЭУЗ, появится сигнал. Усилен­ ный сигнал подается на управляющую обмотку реверсивного двигателя РДЗ, который с помощью кулачка 7 переместит движок сопротивления RK, приводя мост в новое равновесное состояние. Реверсивный двигатель РДЗ одновременно приводит в движение стрелку и перо прибора, которые показывают и записывают исправленный (приведенный) расход измеряемой среды.

Плечи автоматического уравновешенного моста (счетно-ре­ шающего устройства) подобраны так, что перемещение движка компенсирующего сопротивления RK пропорционально выраже­

нию Ар-|г. Извлечение квадратного корня из последнего выраже­

ния осуществляется благодаря соответствующему профилю ку­ лачка.

Глава XIX

Расходомеры скоростного напора

Измерение расхода основано на зависимости динамического напора от скорости потока измеряемой среды.

Согласно уравнению Бернулли разность между полным и

статическим напором

о2р

Рп — Рс — ~2 !

205

g — ускорение силы тяжести в м/с2.

Подставляя значение pv из формулы (136) в формулу (135),

Рассмотренный способ измерения одинарной напорной трубкой был впервые применен Пито для измерения скорости воды. Даль­ нейшее развитие этого способа привело к созданию двойных напорных трубок, в которых трубки для измерения полного и статического давлений соединены вместе.

Применяется ряд конструкций двойных напорных трубок, приспособленных как для лабораторных, так и для промышленных измерений.расхода жидкостей и газов. Наружный диаметр напор­ ной трубки должен быть небольшим, чтобы не вызывать замет­ ного сужения потока в месте установки трубки. Обычно наружный диаметр напорной трубки составляет не более 1/10 внутреннего

206

диаметра трубопровода. Измеряемое динамическое давление обычно небольшое, поэтому при малых скоростях потоков приме­ няются микроманометры с наклонной трубкой или чашечные микроманометры.

Напорными трубками полное и статическое давление измеряют с некоторой погрешностью, зависящей от конструкции напорной трубки. Объясняется это тем, что практически нельзя совместить в одной точке отверстия для приема полного и статического давлений. Кроме того, эти отверстия не идентичны у всех напор­ ных трубок. Поэтому в фор­ мулу (137) вводится поправоч­ ный коэффициент £, учитыва­ ющий конструктивные особен­ ности и неточности изготовления трубок. Коэффициент £ для различных конструкций трубок

ных трубок при Re^s 700 коэф­ фициент £ близок к единице,

мализованные двойные трубки с полусферическим и коническим (острым) наконечником (рис. 149). Для этих трубок коэффи­ циент \ = 1.

Нормальная двойная трубка состоит из измерительного ци­ линдра 1 с центральным отверстием а для восприятия полного давления. На измерительном цилиндре имеются два или четыре отверстия б для замера статического давления. Один конец изме­ рительного цилиндра закреплен на державке 2 овального сечения, несущей два-штуцера 4 для присоединения к дифференциальному манометру. Центральное отверстие измерительного цилиндра сооб­ щается с плюсовым штуцером при помощи сквозного канала внутри измерительного цилиндра и металлической трубки 3, расположенной в державке.

Статическое давление передается через кольцевую щель, соединенную со второй металлической трубкой 3, находящейся внутри державки.

207

Скоростная трубка устанавливается в отверстии, просверлен­ ном в стенке трубопровода, и закрепляется либо на фланце, либо в штуцере с сальниковым уплотнением. Во всех случаях желательно обеспечить возможность продольного перемещения трубки. Скоростные трубки устанавливаются на прямых участках трубопроводов или после струевыпрямителей.

При определении расхода скоростными трубками должна быть измерена средняя по сечению трубопровода скорость потока. Наиболее простой способ определения средней скорости vcp

Ламинарный

поток

Рис. 150. Зависимость -^ 2 — от числа Рейнольдса

ушах

в трубопроводах круглого сечения при ламинарном и турбулент­ ном потоках основывается на зависимости

Усу

где vmax — максимальная скорость потока по оси трубопровода; Re — число Рейнольдса, отнесенное к диаметру трубо­

провода.

На рис. 150 показана экспериментальная кривая, выражающая

зависимость отношения -^2- от числа Рейнольдса. При этом

^шах

способе определения средней скорости скоростную трубку уста­ навливают по оси трубопровода, измеряют птах, по ней подсчи­ тывают Re, а затем по графику (рис. 150) определяют значение средней скорости vcp.

Более точен и не зависит от характера потока и формы сечения трубопровода способ разбивки сечения трубопровода на ряд участков с равными площадями с измерением скорости в опреде­ ленной точке каждого участка. Среднюю скорость для полного

208

сечения трубопровода можно определить как среднее арифмети­ ческое из этих скоростей:

в четырех точках, лежащих на двух взаимно перпендикулярных диаметрах.

Для прямоугольных трубопроводов с площадью сечения до 0,35 м2 рекомендуется разбивать сечение трубопровода не менее чем на 16 равных по площади участков и измерять динамический напор в центре каждого участка.

Для прямоугольных трубопроводов с большим сечением пло­ щадь каждого участка рекомендуется брать не более 0,025 м2. Зная среднюю скорость потока и поперечное сечение трубопро­ вода, секундный расход определяют по формуле

Q = svcp m 3/ c .

При отклонении формы и размеров скоростных трубок от нормализованных в формулы расхода вводится поправочный коэффициент величина которого определяется эксперимен­ тально.

Сложность измерения среднего скоростного напора, возмож­ ность засорения отверстий скоростной - трубки, необходимость применения чувствительных дифманометров при измерении рас­ хода — все эти причины ограничивают область применения данного метода.

Расходомеры скоростного напора применяются преимущест­ венно в лабораторных условиях и при экспериментальных работах для измерения расхода жидкостей и газов в трубопроводах боль-