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

Рис. 143. Схема автоматических весов с опрокидывающим­ ся ковшом

станет равным нулю, гиредержатель 14 отпирает замок, удержи­ вающий заслонку 7 открытой. Эта заслонка, поворачиваясь во­ круг оси 6 по часовой стрелке, закрывает отверстие воронки 5 и прекращает подачу материала в ковш. Это положение показано на рис. 143, б. При дальнейшем движении ковша по инерции вниз щеколда 3 встречается с упором и, поворачиваясь на неко­ торый угол по часовой стрелке, освобождает призму 2 и ковш 16, который поворачивается против часовой стрелки. Затем клапан 1, закрывающий выпускное отверстие ковша, под действием соб­ ственного веса и веса материала открывается и последний начи­ нает высыпаться (рис. 143, в). По мере опорожнения ковш будет подниматься, а гиредержатель опускаться (рис. 143, г). После полного опорожнения ковш под действием груза 15 повернется по часовой стрелке в начальное положение (рис. 143, а), при этом откроется заслонка 7. Начинается новый цикл заполнения. Ков­ шовые весы менее точны, чем вытесняющие их весы с открываю­ щимся дном. Но они сохранили свое значение для взвешивания очень вязких тел (например, асфальта, битума и др.).

Устройство весов с открывающимся дном показано на рис. 144. У этих весов, как и у ковшовых, имеется двойное равноплечее коромысло 5, опирающееся призмами 6 на подушки 7. Это коро­ мысло имеет на своих концах правые 11 и левые 4 грузоприем­ ные призмы. К призмам 11 подвешены две подвески 12, несущие призмы 13 ковша 14. К призмам 4 подвешен гиредержатель 3,

261

оси 15 и освобождает курок 17, укрепленный на дне 18 ковша. Дно под действием веса поступившего в ковш материала повора­ чивается вокруг оси 19, давая возможность материалу высыпать­ ся из ковша. После опорожнения ковша его дно под действием груза 20 закрывается, а ковш поднимается и, достигнув верхнего положения, открывает заслонку 10. Начинается новый цикл ра­ боты весов.

Весы с открывающимся дном/получили преимущественное распространение. Они работают более плавно, чем весы с опроки­ дывающимся дном и имеют высокую точность. Существует много различных разновидностей этих весов. У лучших конструкций период наполнения состоит из двух этапов: грубой насыпки и точной досыпки. Вначале широким потоком быстро в ковш по­ ступает 80-90 % продукта, а затем заслонка или другое устрой­ ство перекрывает большую часть отверстия в питающем бункере или воронке. После этого сыпучее вещество тонкой струей допол­ няет ковш до необходимого веса. Это способствует повышению точности при одновременном увеличении производительности. Весы с открывающимся дном изготовляются с самыми различ­ ными размерами ковшей, обеспечивающими наибольшие преде­ лы взвешивания отдельных порций от 2,5 до 4000 кг. Соответ­ ствующая производительность отдельных типоразмеров весов ле­ жит в пределах от 100 кг/ч до 360 т/ч. Погрешность измерения массы продукта, полученная как среднее арифметическое из ряда взвешиваний, лежит в пределах ±(0,1-ь0,3) % . Погрешность от­ дельного взвешивания больше.

На рис. 145 показана схема весов с вращающимся ковшом. На рис. 145, а заслонка 4 открыта и материал из воронки 5 поступа­ ет в сектор А ковша 1, который может вращаться вокруг оси 9, подвешенной к коромыслу. На противоположном конце коромысла имеется гиредержатель 6, вертикальное перемещение которого вниз ограничивается упором 7, а перемещение вверх — рамкой 8.

262

ки 5. Поступление материала в ковш прекращается, но послед­ ний под действием силы инерции еще продолжает опускаться и отводит щеколду 3 от упора 2. Это позволяет ковшу опроки­ нуться, так как последний находится в неустойчивом равнове­ сии, потому что при наполненном секторе А центр тяжести будет выше точки опоры. При опрокидывании ковш поворачивается на 90°, а место сектора А занимает сектор Б. Снова срабатывает за­ порный механизм 2 -3 и предотвращается дальнейшее вращение ковша. По мере высыпания продукта из сектора А ковш подни­ мается, а гиредержатель опускается. В верхнем положении ков­ ша открывается заслонка 4 и начинается новый цикл заполнения ковша, но теперь уже сектора Б. За сектором Б будет заполнять­ ся следующий сектор и т. д. Весы с вращающимся ковшом полу­ чили ограниченное применение.

Все три рассмотренные схемы ковшовых весов предназначены для взвешивания легкосыпучих веществ, а также зерновых и мелкокусковых материалов. В этих условиях они при каждом срабатывании отмеряют одну и ту же массу вещества. Но обеспе­ чить такое взвешивание при крупнокусковых плохосыпучих и волокнистых материалах не удается из-за различного количе­ ства массы, падающей на ковш в процессе закрытия заслонки. В этом случае весы помимо основного уравновешивающего груза, определяющего номинальную массу взвешиваемого вещества, снаб­ жаются еще маятниковым противовесом (квадрантом), уравнове­ шивающим излишек материала, поступившего в ковш. Подоб­ ные весы измеряют общую фактическую массу материала в ков­ ше, которая не обязательно будет одной и той же при каждом срабатывании устройства.

Ленточные автоматические весы. Имеется несколько разно­ видностей конструкций ленточных или, как их еще называют, конвейерных весов. Прежде всего появились весы, воспринимаю­ щие нагрузку участка ленты длиной 1,5-2 м с находящимся на ней сыпучим или кусковым материалом. Этот участок ленты опи­ рается на несколько роликов, укрепленных на раме, которая под­ вешена к рычагам, связанным с маятниковым противовесом (квад­

263

рантом). Угол поворота последнего пропорционален нагрузке на раму. У подобных весов встречаются две основные разновидности действия механизма» учитывающего суммарную массу прошед­ шего груза. В более старой из них счетный механизм работает циклически. Время цикла равно времени прохождения участка ленты, равного теоретической длине платформы весов. Время вращения счетного механизма в конце каждого цикла пропорци­ онально нагрузке на платформу в этот момент. Такой способ счет­ ного механизма может быть назван способом циклического ин­ тегрирования. Он аналогичен способу, применяемому в большин­ стве интеграторов-расходомеров переменного перепада давления.

Наряду с этим способом в более новых ленточных весах при­ меняется способ непрерывного интегрирования, при котором счет­ ный механизм, работающий непрерывно, дает показания, про­ порциональные произведению скорости ленты на нагрузку. При этом встречаются как механические интеграторы фрикционного типа, так и бесконтактные фотоэлектрические. В последних вре­ мя освещения фотоэлемента зависит от нагрузки на ленту.

Схема безрамных весов с непрерывным фотоэлектрическим интегрированием показана на рис. 146. Здесь кроме ролика 3, воспринимающего усилие от верхней загруженной ветви ленты 4, имеется ролик 1, на который воздействует вес нижней холос­ той ветви 2. Рычаг 11, к которому подвешены ролики 1 и 3, воспринимает разность весов нагруженной и незаполненной лен­ ты, т. е. чистый вес транспортируемого материала. Усилие от рычага 11 через рычаг 10 передается к квадранту 9 с грузами Р 1 и P2J угол поворота которого будет пропорционален весу матери­ ала. На конце квадранта 9 укреплен источник света 7 и фотоэле­ мент б, причем последний находится внутри полого цилиндра 8, в поверхности которого сделаны два выреза, имеющие в разверт­ ке треугольную форму. Цилиндр 8 непрерывно вращается с по­ мощью электродвигателя 5. При этом длительность освещения фотоэлемента б, а значит и продолжительность создаваемого по-

Рис. 146. Схема действия ленточных весов с фотоэлектри­ ческим непрерывным интегрированием

264

следним электрического импульса, будет пропорциональна весу транспортируемого материала, потому что с увеличением этого веса источник света 7 и фотоэлемент 6 будут перемещаться в сто­ рону более длинного участка прорези на цилиндре 8.

Для учета скорости движения ленты на натяжном барабане 14 укрепляется устройство 15, представляющее собой генератор си­ нусоидальных колебаний, частота которых пропорциональна ско­ рости вращения барабана 14. Интегрирующий прибор 13 пере­ множает импульсы от генератора 15 и от фотоэлемента 6. Выход­ ное счетное устройство 12 показывает количество материала, про­ шедшего через ленту транспортера.

Ленточные или конвейерные весы уступают по точности ковшо­ вым весам. Их погрешность лежит обычно в пределах ±(1-5-1,5) % .

Более подробно автоматические весы как ленточные, так и ков­ шовые рассматриваются в специальной литературе [8].

Ленточные расходомеры. Особой разновидностью устройств для измерения расхода сыпучих веществ, в которых применяются весовые механизмы, являются так называемые ленточные расхо­ домеры. Их лента, не связанная с транспортным конвейером, вос­ принимает наряду с весом находящегося на ней материала еще и динамическое давление сыпучего вещества, падающего на нее из питающего бункера. Поэтому, строго говоря, такие ленточные расходомеры реализуют не весовой, а подобно лотковым расходо­ мерам, рассматриваемым далее, динамически-весовой метод из­ мерения.

При определении силы N давления сыпучего вещества на лен­ ту такого расходомера надо помимо удара падающего на ленту материала учитывать изменение (уменьшение) высоты слоя на участке разгона, зависящее от коэффициентов трения о ленту и внутри вещества, а также уменьшение высоты слоя на концевом барабане при сходе материала с ленты. С учетом перечисленных обстоятельств зависимость силы N от расхода QMсыпучего веще­ ства получается весьма сложной. Эта зависимость упрощается, как показано в работе [19], если допустить, что материал посту­ пает на ленту со скоростью ее движения, а сходит с нее при до­ стижении им вертикального диаметра концевого барабана. В этом случае имеем

N = 0* VCOS Р+ — g

где v и Р — скорость и угол падения материала на ленту; 1Л — рабочая длина транспортера; ил — скорость ленты; g — ускоре­ ние силы тяжести.

Ленточный расходомер, представляющий собой короткий лен­ точный транспортер длиной 0,8-1,5 м, в большинстве случаев устанавливается на платформе рычажных весов.

265

В некоторых случаях вместо весов информацию о расходе дает измерение нагрузки на ролик, расположенный под лентой транс­ портера. Кроме того, имеются конструкции маятниковых ленточ­ ных транспортеров, в которых последний под действием нагрузки поворачивается вокруг неподвижной оси. В этом случае измеряет­ ся момент сил относительно оси вращения. Привод ленты транс­ портера осуществляется обычно от электродвигателя. Имеется сту­ пенчатое регулирование скорости ленты, позволяющее менять верх­ ний предел измерения расходомеров в пять—десять раз и более. Ширина применяемых лент изменяется в пределах 300-700 мм.

У небольших расходомеров QMmax = (3-5-5) т/ч. Но имеются кон­ струкции, где QMтах = 200 т/ч. Погрешность составляет ±(1,5-5-2) % от измеряемой величины. При изменении физико-механических свойств сыпучего вещества, например его влажности, влияющей на коэффициенты трения и объемную массу, погрешность изме­ рения может заметно возрасти. Примеры отдельных конструк­ ций ленточных расходомеров даны в работе [19].

13.3. ДИНАМИЧЕСКИ-ВЕСОВОЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ

Динамически-весовой метод основан на измерении силы дав­ ления потока сыпучего вещества на лоток или какое-либо другое тело, находящееся на пути движения потока. Иногда приборы, реализующие этот метод измерения, называют лотковыми расхо­ домерами. Последние получили довольно широкое распростране­ ние, в частности, для измерения расхода зерна.

Принципиальная схема такого расходомера показана на рис. 147. Из бункера 1 сыпучее вещество по направляющей плоскости 2 поступает на наклонный лоток 3 и дви­ жется по последнему под действием соб­ ственного веса. Чем больше расход сы­ пучего вещества, тем большее давление оказывает оно на лоток 3, который при этом перемещается (или поворачивает­ ся). Перемещение лотка и является не­ посредственно измеряемой величиной.

Противодействующая сила создается деформацией пружинной опоры или контргрузом.

Сила N давления сыпучего вещества на лоток определяется выражением

266

под действием веса сыпучего вещества при его движении по лотку1.

Силу Ny можно найти из уравнения

QMdtv cos Р = Nydt>

выражающего изменение количества движения сыпучего веще­ ства, имеющего массовый расход QMи начальную скорость и, при ударе о лоток.

При этом считаем, что сыпучее вещество не обладает упругос­ тью и не отскакивает от поверхности лотка.

Из предыдущей формулы следует, что

N y = QMV COS В-

Применяя закон живых сил при движении сыпучего вещества по направляющей плоскости 2, получим

где I — длина пути сыпучего вещества по плоскости 2 до точки соприкосновения с лотком 3; у — угол наклона плоскости 2 к горизонту; f — коэффициент трения сыпучего вещества по плос­ кости 2; и0 — начальная скорость сыпучего вещества при поступ­ лении его на плоскость 2.

Отсюда найдем выражение для скорости v

Сила NBопределяется из выражения

NB= Mg cos а,

где М — масса сыпучего вещества, находящаяся на лотке; а — угол наклона плоскости лотка к горизонту. Эта масса зависит от массового расхода QMи скорости сыпучего вещества, которая воз­ растает от v1 = v sin (3 в начале лотка до и2 в конце лотка. При этом заметим, что так как сыпучие вещества при своем движе­ нии оказывают полирующее действие на лоток и, следовательно, поверхность последнего становится чистой и ровной, то послой­ ное движение в сыпучем веществе будет отсутствовать. Поэтому как верхние, так и нижние частицы вещества в каждом данном сечении, отстоящем от начала лотка на расстоянии х , будут иметь одну и ту же скорость vx. Эта скорость может быть получена из закона живых сил

1 В некоторых приборах, рассмотренных в работах [27, 29], силой NBпренебре­ гают.

267

%Г £' - = вмв* sin а “ QMsfnx 008 а»

АА

где fn — коэффициент трения сыпучего вещества по лотку. Откуда

vx = yj2gx(sin а - /л cos а) + v f.

Поперечное сечение потока сыпучего вещества на лотке будет убывать от начала к его концу (в связи с возрастанием скорости) и на расстоянии х от начала это сечение будет равно QM/pvx. Сле­ довательно, общая масса сыпучего вещества на лотке М найдется из уравнения

QMdx

^2gx (sin а - 4 cos а) + vf

Интегрируя, получим

g(sin а - / л cos а)

где

i>2 - yj2gL (sin а - fn cos а) + v f.

Таким образом, выражение для общей силы N давления на лоток принимает вид

(v2 -V i)cos a I y]2gl(sin y - f cos у) + Jcos P' sin a - fn cos a ]

Отсюда следует, что сила N зависит от коэффициентов трения / и /л сыпучего вещества о направляющую плоскость и о лоток. Изменение этих коэффициентов будет вызывать дополнительную погрешность измерения Как правило, изменение значений f и / л будет одного знака. Так, с увеличением влажности зерна коэффициент его трения при движении по стальному листу воз­ растает приблизительно от 0,4 до 0,6. Увеличение f вызывает уменьшение скорости vy а следовательно, и силы Ny удара о ло­ ток. В то же время увеличение /л приводит к уменьшению скоро­ сти движения vx и v2 по лотку, а значит к увеличению массы М сыпучего вещества на лотке и, следовательно, возрастанию силы NB. Это благоприятно, потому что способствует уменьшению влия­ ния изменения коэффициентов трения на показания прибора. Это влияние можно еще больше снизить путем соответствующего подбора значений конструктивных величин L, U сс, Р и у так,

268

чтобы экстремум функции N = / (/, /л) был вблизи среднего значе­ ния коэффициента трения (например, при f = 0,5). Погрешность рассматриваемых расходомеров лежит в пределах 2 -5 % .

Если расходомер не имеет направляющей плоскости 2 и сыпу­ чее вещество поступает на лоток непосредственно (например, с ленточного транспортера), то отсутствует указанная возмож­ ность компенсации влияния коэффициентов трения / и / л. В этом случае изменение трения будет вызывать значительно большую погрешность, доходящую до 1 0 -15 % . Положение может быть улучшено увеличением угла наклона лотка а до 45-60°, а также применением вибролотков, совершающих высокочастотные ко­ лебания. Подобные приборы дают вполне удовлетворительные ре­ зультаты при сравнительно постоянной величине коэффициента трения и постоянной величине воздушного потока. Изменение расхода последнего сильно сказывается на результатах измере­ ния [16]. Расчету динамически-весовых (лотковых) расходомеров посвящен ряд работ [9, 15, 19, 20].

Примеры устройств динамически-весовых расходомеров пока­ заны на рис. 148-154. Расходомер [19], используемый для изме­ рения расхода угольной пыли, изображен на рис. 148. Пыль по­ ступает через верхний патрубок, движется по двум направляю­ щим полкам 2 и 1, попадает в ковшовый лоток 6, подвешенный на оси 3, и удаляется через нижний патрубок. С увеличением расхода пыли возрастает угол поворота ковшового лотка. При этом происходит сжатие сильфона 5 и подъем уровня жидкости в измерительной трубке 4.

На рис. 149 показана схема прибора, в котором сыпучее веще­ ство поступает из бункера 1 на конвейер 2, откуда через направ-

269

ляющую воронку 3 падает на наклонный диск 4 круглой формы. Последний укреплен на конце поворотного рычага. Противодей­ ствующий момент создается пружиной или другим способом. Имеются приборы с пневматическим уравновешиванием. Расхо­ домеры предназначены для гранулированных материалов (в част­ ности, для железной руды, коксового штыба и других) с размера­ ми частиц вплоть до 100 мм, но могут служить и для измерения расхода других сыпучих веществ. У одной английской фирмы [25] три типоразмера прибора охватывают область измерения рас­ ходов от 0,1 до 2000 т/ч, причем фирма указывает относитель­ ную приведенную погрешность измерения равной ±(1-г-1,5) % для гранулированных материалов и ±2 % для других сыпучих веществ

ипульп. Близкие результаты были получены при испытании ана­ логичного расходомера в содовой промышленности: ±2 % для соды

и±2,5 % для бикарбоната натрия [24].

Вработе [22] описан расходомер зерна, в котором вместо лотка применена наклонная труба диаметром 150 мм и длиной 1420 мм. Верхний конец трубы укреплен на шарнирной опоре, а нижний подвешен на измерительной пружине. Изменяя число рабочих витков пружины, можно переходит* с одного диапазона измере­ ния на другой (например, с расходов 5-10 т/ч на расходы 1020 т/ч). С нижним концом трубы связан сердечник индукционно­ го преобразователя. Относительная погрешность измерения в пре­ делах ±5 % .

На рис. 150 изображен прибор для измерения весьма малых расходов порошкообразных веществ [29]. В этом приборе прием­ ным лотком является прозрачная пластмассовая трубка 4 с внут­ ренним диаметром 25 мм и длиной 75 мм, расположенная на­ клонно к горизонту под углом 30°. Падающие твердые частицы поступают в трубку через верхнее отверстие 3. Трубка 4 помеще­ на на конце алюминиевой пластинки 2, имеющей длину 100 мм, ширину 25 мм и толщину 0,8 мм, которая укреплена консольно на стальном основании 1. Увеличение расхода порошкообразного материала увеличивает прогиб пластинки 2 и вызывает напряже­ ние в ней. Последние с помощью четырех тензорезисторов б, вклю­ ченных в мостовую схему, преобразуются в электрический сиг­ нал. Демпфер 5, наполненный вазелиновым маслом, служит для

270