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

ступающее через верхний патрубок, падает на конический лоток 1, укрепленный с помощью стержня 3 на плоской пружине 4Уна которой наклеен тензопреобразователь. Камера, где находится пружина 4у герметизирована с помощью гофрированной мембра­ ны 2. Другая схема расходомера с коническим лотком [26] изоб­ ражена на рис. 152. Сыпучее вещество из воронкообразного пита­ теля 1 (рис. 152, а) поступает на конический лоток 2, укреплен­ ный на рычаге 3, с противоположным концом которого связаны противодействующая пружина 4 и стрелка указателя 5. Коничес­ кий лоток 2 может перекрывать как всю площадь S питающей трубы (рис. 152, а), так и только часть ее, равную S1 (рис. 152, б). В последнем случае он будет воспринимать динамическое давле­ ние лишь той части сыпучего материала, которая проходит через площадь Sv В этом варианте при условии равномерного распре­ деления сыпучего вещества по всей площади S показания прибо­ ра надо умножать на отношение площадей S/Sj.

Испытания прибора, изображенного на рис. 152, а, на пес­ ке, кварце и медном колчедане различной степени крупности да­ ли практически одну градуировочную кривую, хотя и с боль­ шой степенью нелинейности. Для уменьшения этой нелинейнос­ ти рекомендуется в работах [27, 28], как показано на рис. 153, внутри питающей трубы 2 помещать внутреннюю трубу 3, кото­ рая будет направлять сыпучее вещество на одно и то же место конического лотка 4 и тем самым обеспечивать постоянство вы­ соты h свободного падения. При отсутствии направляющей тру-

271

бы 3 высота h с возрастанием расхода может уменьшаться вслед­ ствие увеличения скорости движения сыпучего вещества по на­ клонному конусу 1 и приближения падающей струи 5 к вершине лотка 4.

Несколько отличным от всех рассмотренных приборов являет­ ся расходомер, показанный на рис. 154. Здесь на пути движения сыпучего вещества, подаваемого транспортером 1, установлена плоская поворотная лопасть 2, связанная со стрелкой прибора или с дистанционным преобразователем угла поворота лопасти. Противодействие создается пружиной 3. В этом приборе лопасть 2 воспринимает лишь удар сыпучего вещества. Весовая нагрузка на лопасть отсутствует. Изменение коэффициента трения веще­ ства здесь не сказывается на результатах измерения.

13.4. СИЛОВОЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ

Силовой метод измерения основан на зависимости от массово­ го расхода силового воздействия, сообщающего потоку ускорение того или другого рода.

При измерении расхода сыпучих и пульповидных веществ в преобразователе расходомера потоку сообщается кориолисово ускорение. Основным элементом преобразователя является диск с укрепленными на нем радиальными лопатками, который не­ прерывно вращается с угловой скоростью со от электродвигателя.

Вбольшинстве случаев ось диска расположена вертикально, но встречаются расходомеры и с горизонтальным расположением оси.

Вцентре диска имеется небольшое конусное возвышение, на кото­

272

рое под действием собственного веса поступает сыпучее или пульповидное вещество. Оно ссыпается по конусу и попадает в каналы между радиальными лопатками, укрепленными на диске. В процес­ се движения вещества к периферии диска ему сообщается кориоли­ сово ускорение, в результате чего радиальные лопатки оказываются нагруженными моментом М к, определяемым по формуле

Мк =шг2в м»

где г — наружный радиус лопаток; QM — массовый расход ве­ щества.

Как было уже упомянуто, применяются также кориолисовы расходомеры с горизонтальным расположением вала электродви­ гателя и оси крыльчатки [16]. Основной смысл такого располо­ жения в уменьшении высоты прибора, что в ряде случаев облег­ чает его применение на существующих мельницах. Кроме того, для создания силы, образующей противодействующий момент в такой конструкции, вместо пружины может быть применен груз, укрепленный в нижней части корпуса электродвигателя. Это дает легкую возможность перехода на другой предел измерения путем изменения груза или его плеча. Схема такого преобразователя расхода [19] показана на рис. 155. Сыпучее вещество поступает по наклонной трубе 2 в центр диска крыльчатки 3, приводимой во вращение электродвигателем 4, снабженным грузом 5. Элект­ родвигатель, укрепленный на кронштейне 1, может поворачи­ ваться вокруг своей оси, расположенной горизонтально.

В расходомерах с горизонтальной осью крыльчатки работа­ ют в основном лишь лопасти, расположенные внизу. В кана­ лах, образованных этими лопастями, проходит большая часть сыпучего вещества и на этих лопастях возникает основная часть кориолисовых сил. Это надо иметь в виду при определении размеров крыльчатки. При одном и том же предельном расходе диаметр крыльчатки с горизонтальной осью должен быть при­ мерно в два раза больше, чем у крыльчатки с вертикальной осью.

Испытание расходомеров с гори­ зонтальной осью крыльчатки пока­ зало, что они так же, как и расхо­ домеры с вертикальной осью, чув­ ствительны к некоторым свойствам сыпучего вещества. Так, очевидно вследствие парусности, отруби лег­ ко увлекаются воздушным потоком и некоторые наиболее легкие их частицы проходят между лопатка­ ми, не касаясь их поверхности. Поэтому при измерении расхода отрубей силовыми расходомерами градуировочная линия проходит

18,

несколько ниже теоретической. Наоборот, при измерении расхо­ да зерна градуировочная линия оказывается выше теоретичес­ кой, что можно объяснить упругими свойствами зерен, часть из которых отскакивает от лопаток, а затем вторично попадает на них. Наиболее близкой к теоретической получается градуировоч­ ная линия при измерении расхода крупок.

Испытание [17] силовых расходомеров с радиально располо­ женными лопатками прямоугольной формы показало, что увели­ чение расхода воздуха, текущего вместе с сыпучим веществом через крыльчатку, увеличивает показания, но не в такой степе­ ни, как увеличение расхода сыпучего материала (1 кг сыпучего оказывает в два с лишним раза более сильное воздействие на крыльчатку, чем 1 кг воздуха).

Более сложное влияние оказывает изменение расхода воздуха на крыльчатку с клиновидными лопатками, одна грань которых располагается по радиусу, а другая под некоторым углом к нему. В этом случае вначале с возрастанием расхода воздуха показания прибора увеличиваются, а при дальнейшем возрастании расхода воздуха — убывают вследствие удара воздуха об угловые грани лопастей.

13.5. ТАХОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ

Тахометрический метод основан на измерении скорости вра­ щения турбинки, лопасти или какого-либо другого элемента, про­ исходящей под воздействием давления потока сыпучего вещества. Турбинные расходомеры получили очень широкое применение для измерения расхода жидкости или газа. Для измерения расхода сыпучих веществ они применяются реже, причем форма турбинок или крыльчаток здесь иная, что показано на рис. 156. На рис. 156, а изображена крыльчатка аксиального типа винтовой формы. Ось крыльчатки совпадает с осью потока. Приведены крыльчатки тангенциального типа с прямыми (рис. 156, б) и ков­ шовыми (рис. 156, в) лопастями, ось вращения которых перпен­ дикулярна направлению потока. Все они устанавливаются, как правило, на вертикальных трубопроводах. Скорость вращения турбинок, измеряющих расход сыпучих веществ, не велика. Это вызывает необходимость создания соответствующих тахометрических преобразователей, отличных от обычных индуктивных, применяемых при измерении расхода жидкости или газа.

Турбинные расходомеры с винтовой крыльчаткой находят при­ менение в нефтеперерабатывающей, нефтехимической и хими­ ческой промышленности на установках каталитического крекин­ га, гидрокрекинга, контактного коксования и во многих других случаях. При изготовлении турбин из жаростойких материалов возможно их применение при температурах, доходящих до 600800 °С.

274

Рис. 156. Крыльчатки турбинных расходомеров сыпучих ве­ ществ: а — аксиальная винтовой формы; б — тангенциаль­ ная с прямыми лопастями; в — тангенциальная с ковшовы­ ми лопастями

Винтовая крыльчатка, обычно одноили двухзаходная, изго­ товляется из листовой стали с достаточно большим шагом, на­ пример 100-200 мм [1, 7]. Зазор между крыльчаткой и внутрен­ ней стенкой трубопровода рекомендуется иметь достаточно боль­ шим [7] (не менее трехкратного максимального размера частиц сыпучего вещества).

Большой опыт по разработке и применению турбинных расхо­ домеров с винтовой крыльчаткой, а также по разработке акус­ тической аппаратуры для исследования потоков сыпучих мате­ риалов имеется в ГрозНИИ (г. Грозный) [3, 4, 6, 7]. На рис. 157 изображен преобразователь такого расходомера, предназначенный для установки в трубе диаметром 250 мм и служащий для изме­ рения расхода сыпучих веществ широкого фракционного состава при температуре до 700 °С [3]. Двухзаходная винтовая крыльчат­ ка 8 с шагом 200 мм, изготовленная из ферромагнитной стали, укреплена на полой (для облегчения веса) оси 3, на концах кото­ рой запрессованы вставки 2 и 11, опирающиеся на нижний 1 и верх­ ний 12 опорные узлы. Точная центровка крыльчатки обеспечива­ ется коническими кольцами 9 и 19, прикрепленными к фланцам корпуса 7 (из немагнитного материала) стопорными болтами 10, имеющими радиальные лопасти 13, во втулках которых закреп­ лены опорные узлы 1 и 12. В узле 1, воспринимающем нагрузку крыльчатки, запрессован конус из твердого сплава, на который опирается гнездо во вставке 2, изготовленное также из твердого сплава. На корпусе 7 на ферромагнитных полюсных стержнях 18 равномерно с четырех сторон расположены четыре индукцион­ ных преобразователя, два из которых, находящихся на противо­ положных сторонах корпуса 7, питаются от источника перемен­ ного тока 50 Гц и создают переменное магнитное поле. Два дру-

275

Рис. 157. Преобразователь расхода с винтовой турбинной, работаю­ щий при высокой температуре сыпучего вещества

гих — измерительные. Их катушки 15, намотанные на эбонито­ вые каркасы специальной формы 5 и 16, залиты эпоксидным компаундом и помещены в съемные кожухи 6 и 14 из латуни, через которые протекает охлаждающая вода. На концах эбонито­ вых каркасов 5 и 16 укреплены алюминиевые гайки 4 и 17 с бронированными шлангами, присоединяемыми к кабелю связи. При вращении крыльчатки и пересечении ею силовых линий маг­ нитных полей питающих катушек в измерительных катушках будет индуцироваться переменная ЭДС, частота которой, пропор­ циональная расходу, измеряется с помощью конденсаторного ча­ стотомера. Подобная схема обеспечивает измерение расхода сыпучего вещества при самых малых скоростях вращения крыль­ чатки. Расходомер уже ряд лет работает на опытно-промышлен­ ной установке и измеряет расход цеолита (Qmax = 3,5 т/ч), направ­ ляющегося из десорбера в регенератор.

В другом расходомере [7], разработанном в ГрозНИИ для из­ мерения малых расходов (от 1 до 60 кг/ч) горячий сыпучих ве­ ществ с насыпной плотностью 0,5-2 г/см3 при размере гранул до 5 -7 мм, обеспечивается измерение очень малых скоростей вра­ щения крыльчатки (один оборот за 15 м). Расположенная верти­ кально, двухзаходная винтовая крыльчатка, на которую сыпу­ чий материал поступал по боковой наклонной трубе, вращает на длинном стержне диск с расположенным на его краю вертикаль­ ным магнитом. Выше последнего на герметичной немагнитной перегородке были установлены по кругу магнитоуправляемые

276

контакты — герконы, которые последовательно срабатывали при приближении к ним магнита на вращающемся диске.

В работе [1] сообщается о расходомере для измерения расхода шарикового катализатора при температуре 350-400 °С, применя­ емого при гидрокрекинге. Диаметр трубопровода — 58 мм. С ва­ лом винтовой крыльчатки расходомера соединена круговая гре­ бенка, имеющая 20 вертикальных зубцов. На расстоянии 2 мм от гребенки помещена катушка, которая меняет свою индуктивность при проходе мимо нее очередного зубца. В другой конструкции [19] специальное устройство преобразует скорость вращения крыльчатки в давление сжатого воздуха. Таковы разнообразные решения проблемы дистанционной передачи медленно вращаю­ щейся крыльчатки.

В ГрозНИИ были разработаны, помимо ранее рассмотренных, еще несколько конструкций турбинных расходомеров с винтовой крыльчаткой. Эти конструкции использовались в частности [2, 5] для измерения весьма малых расходов (на пределы 0,5-5 кг/ч и 5-50 кг/ч) микросферического синтетического цеолита при по­ вышенных температурах в трубах диаметром 20-50 мм, а также для измерения расхода пылевидных и порошкообразных матери­ алов с насыпной плотностью 0,5-1 г/см s в диапазоне 1-30 кг/ч в трубе диаметром 50 мм. Преобразователи этих расходомеров близки по устройству к преобразователю, показанному на рис. 157. При их разработке было исследовано много различных конструк­ ций крыльчаток. Наилучшей, по сравнению с одно- и с четырехзаходной, оказалась двухзаходная крыльчатка, которая и была окончательно принята.

Крыльчатки тангенциального типа нашли применение для измерения расхода зерновых продуктов на мельницах [21]. Для дистанционной передачи в них может служить тахогенератор пе­ ременного тока, ротор которого соединяется с валом крыльчатки непосредственно или через редуктор в зависимости от величины измеряемых расходов (100-600; 600-2500; 2000-5000 и 10 00020 000 кг/ч). Измеряется напряжение выпрямленного тока. Гра­ дуировочная кривая имеет незначительную нелинейность. Погреш­ ность расходомера зависит от вида сыпучего вещества и скорости его подачи, а также от сопутствующего воздушного потока. Рас­ сматриваемые расходомеры отличаются простотой конструкции

инадежностью действия.

13.6.ОСОБЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА

СЫПУЧИХ ВЕЩЕСТВ

К числу особых методов измерения расхода сыпучих веществ мы относим флуктуационный, ионизационный, корреляционный, оптический и меточный методы, а также метод, основанный на применении расходомеров системы обтекания. Ниже кратко рас­ сматриваются эти методы.

277

Флуктуационный метод измерения расхода сыпучих веществ. Основы флуктуационного метода, находящего применение не толь­ ко для измерения расхода сыпучих веществ, но и для контроля многих двухфазных потоков, были рассмотрены ранее. Одно из первых применений этот метод нашел именно для измерения рас­ хода сыпучих диэлектрических материалов [10, 11].

Блок-схема расходомера [10] показана на рис. 158. При дви­ жении сыпучего вещества в цепи емкостного преобразователя П возникает ток, переменная составляющая которого является след­ ствием флуктуации содержания отдельных компонентов в объе­ ме, охватываемом электрическим полем преобразователя. При этом на нагрузочном сопротивлении i?Hпоявляется переменное напря­ жение, которое после усиления, выпрямления и усреднения из­ меряется прибором ИП. На основе данного метода Киевским ин­ ститутом автоматики разработаны и исследованы приборы типов: УФДП-2 (55), УФДП-2 (120), УКПС-250, УКПС и РПС-1, пред­ назначенные для измерения расхода сыпучих материалов в тру­ бах диаметром от 55 до 350 мм. Необходимо заметить, что точ­ ность измерения расхода сыпучих веществ флуктуационным методом зависит не только от того, насколько близка к функцио­ нальной корреляционная зависимость между расходом и интен­ сивностью флуктуации содержания отдельных компонентов. На эту точность влияет еще ряд обстоятельств, важнейшими из ко­ торых являются стабильность физических свойств материалов и равномерность их распределения по сечению трубопровода. По­ следнее связано с тем, что напряженность электрического поля в цилиндрическом емкостном преобразователе убывает от пери­ ферии трубы к ее центру. При уменьшении зазора между пласти­ нами конденсатора неравномерность напряженности поля умень­ шается, но одновременно заметно снижается и сама напряжен­ ность, что понижает чувствительность преобразователя.

В связи с этим даже возникло предложение [11] по размеще­ нию внутри зазора между пластинами конденсатора двух кольце­ образных пластин дополнительного конденсатора, поле которого вытесняет поле основного конденсатора внутрь трубы и тем са­ мым способствует увеличению степени его равномерности. Име­ ются и другие предложения по устройству преобразователей с более равномерным полем.

ув

Рис. 158. Блок-схема флуктуационного расходомера:

П — емкостный преобразователь; RH— нагрузочное сопротивле­ ние; У — усилитель низкой частоты; В — выпрямитель; ИП — измерительный прибор

278

Еще большее значение имеет изменение физических свойств сыпучего материала. Так, например, изменение его влажности влияет на диэлектрическую проницаемость вещества, а значит и на интенсивность ее флуктуаций. Поэтому погрешность рас­ сматриваемых расходомеров достигает ±5 % и то лишь, если сы­ пучие вещества обладают кондиционными свойствами.

Ионизационный метод измерения. Этот метод измерения рас­ хода сыпучих веществ основан на зависимости от последнего сте­ пени поглощения ионизирующего излучения, пересекающего по­ ток сыпучего вещества.

Обычно ионизирующее 0- или у-излучение создается радиоак­ тивным изотопом, располагаемым снаружи трубопровода. В слу­ чае применения у-излучения, хорошо проникающего через стенку трубы, нет необходимости делать отверстие в последней.

В качестве примера на рис. 159, а показано схематически уст­ ройство расходомера для зерна [19]. Поток последнего, движу­ щийся сверху, поступает на наклонный участок трубы 2 прямо­ угольного сечения, установленный под углом 45° к горизонту. С одной стороны этой трубы установлен источник у-излучения 3, а с другой — приемник 1, состоящий из четырех счетчиков СТС-1. По мере увеличения расхода зерна увеличивается средняя высота его слоя в наклонной трубе 2 и, следовательно, возрастает сте­ пень поглощения у-излучения, проходящего через этот слой. Дан­ ный расходомер пригоден лишь для веществ, обладающих хоро­ шей сыпучестью и сохраняющих свои физико-механические свой­ ства неизменными. Влажность, крупность, гранулометрический состав вещества влияют на коэффициент внешнего трения, а зна­ чит и на толщину слоя на наклонном участке трубы.

Если сыпучее вещество подается пневмотранспортом с посто­ янной скоростью, то нет необходимости в наклонном участке тру-

Рис. 159. Схемы установки ионизационных расходо­ меров: а — на наклонном трубопроводе; б — на верти­ кальном трубопроводе

279