книги / Теплотехнические измерения и приборы

давление рд) остается практически постоянной вплоть до значений угла а = 16°.

При применении дифференциальной трубки необходимо учиты­ вать, что трубка с большим диаметром d наконечника может вызвать изменение распределения скоростей в потоке в том месте, где произ­ водится измерение. На рис. 15-2-3 представлен график, построенный по данным Никурадзе, дающий представление о возможных значе­ ниях относительной погрешности измерения средней скорости потока в трубах при помощи трубки в зависимости от отношения диаметра наконечника трубки d к диаметру трубы D . Поскольку дифферен­ циальную трубку малых размеров достаточно точно изготовить затруднительно, то для измерения скоростей в трубах небольшого диаметра, а также в пограничных слоях применяют трубки Пито

труб.

При определении скорости от 5 до 25 м/с измеряемое динамичес­ кое давление с помощью трубок невелико, например, для потока воздуха, находящегося под давлением, близком к атмосферному, лежит в пределах от 1,6 до 40 кгс/м2 (16—400 Па). Вследствие труд­ ностей, встречающихся при измерении малых скоростей газового потока с помощью напорных трубок и жидкостных манометров, для этой цели применяют также другие приборы — анемометры и термо­ анемометры.

Наряду с описанными выше нормальными трубками широко применяют для измерения скоростей в потоках напорные трубки и других конструкций [59, 74},

15-3. Определение средней скорости потока и расхода

Скорость потока в различных точках его сечения неодинакова. В трубопроводе она достигает максимального значения в цен­ тральной части сечения и уменьшается по направлению к стен­ кам.

Для определения расхода необходимо знать среднюю скорость потока, т. е. скорость, которая, будучи умножена на площадь сечения трубопровода и плотность измеряемой среды, дает коли­ чество вещества, протекающего через трубопровод в единицу времени. Скорость, измеренная с помощью напорной трубки, соот­ ветствует местной скорости потока в той точке, где установлена трубка. Поэтому для определения средней скорости потока сече­ ния трубопровода разбивают на п участков с равными площадями и измеряют скорость в определенной точке каждого участка. При этом приблизительно принимают, что во всех точках участка ско­ рость постоянна и равна измеряемой.

Обозначая скорости на каждом участке через vu v2, .... v„ (м/с), соответствующие им динамические давления через Ар1( Др2,

Др п (Па), площадь сечения трубопровода при рабочей температуре

ного элемента (тела), зависящего от расхода среды и приводящего одновременно к изменению площади проходного отверстия расхо­ домера таким образом, что разность давлений на чувствительный элемент (перепад давления) остается практически постоянной. Противодействующей силой в расходомерах этого вида является сила тяжести чувствительного элемента, выполняемого в виде поплавка или поршня.

К приборам постоянного перепада давления относятся рота­ метры, поршневые и поплавковые расходомеры.

Ротаметры, широко применяемые в лабораторных и промыш­ ленных условиях, предназначены для измерения плавно меняю­

ротаметра вдоль его шкалы, нанесенной на конусной стеклянной трубке (на рис. 16-1-1 шкала не показана), судят об объемном рас­ ходе в единицу времени (л/ч, м3/ч). Имеются ротаметры, у которых поплавок не совершает вращательного движения, а корпус их вы­ полнен из металла.

В приборе, называемом поршневым расходомером (рис. 16-1-2, а), чувствительным элементом является поршень 1, находящийся внутри втулки 2. Эта втулка имеет круглое входное отверстие 6 и пря­ моугольное выходное отверстие 5. Выходное отверстие является своего рода диафрагмой переменного сечения. Размеры его под­ бираются в зависимости от пропускной способности расходомера. Сила тяжести поршня регулируется в зависимости от верхнего предела измерения с помощью дополнительных грузов 4. Поршень с помощью штока соединен с сердечником передающего преобра­ зователя 3. Протекающая через входное отверстие жидкость посту­ пает непосредственно под поршень и поднимает его. Поршень, перемещаясь вверх, открывает в большей или меньшей степени отверстие выходной диафрагмы. Протекающая через диафрагму жидкость одновременно заполняет надпоршневое пространство, которое соединено с каналом за диафрагмой. Прямоугольная форма

выходного отверстия обеспечивает линейную зависимость между подъемом поршня и расходом вещества.

ненного в виде поплавка, и конического седла 2, расположенного в корпусе прибора. Отсчетное устройство на схеме расходомера

Рис. 16-1-2. Схемы поршневого (а) и поплавкового (б) расхода* меров.

не показано. В расходомерах этого типа коническое седло выпол­ няет ту же роль, что и коническая трубка у ротаметра. Различие заключается лишь в том, что длина и диаметр седла примерно равны, в то время как у ротаметра длина конической трубки зна­ чительно больше ее диаметра. Имеются и другие разновидности расходомеров обтекания [591. Следует отметить, что поршневые и поплавковые расходомеры (рис. 16-1-2) широкого распростране­ ния не получили.

16-2. Основы теории ротаметров

Поток жидкости или газа, протекающий снизу вверх в конус­ ной трубке ротаметра (рис. 16-1-1), поднимает поплавок до тех пор, пока площадь кольцевого отверстия FK между поплавком и ёнутренней поверхностью конусной трубки не достигнет такого размера, при котором действующие иа поплавок силы уравновеши­ ваются. При достижении равновесия сил поплавок устанавливается на высоте, соответствующей определенному значению расхода.

На носовую часть поплавка снизу вверх действуют две силы: сила от давления потока q = p[Fn и сила трения потока о попла­ вок <7Т= Kv”pFrtM. Сверху вниз на поплавок действуют также две

силы: сила тяжести поплавка q„ = V„p„g и сила от давления потока <7а = p'>Fa. Здесь р[ и р> — среднее давление потока на еди­ ницу носовой и верхней поверхностей поплавка соответственно; Fa — площадь наибольшего поперечного сечения поплавка; к —

коэффициент сопротивления, зависящий от степени шероховатости

vn— объем поплавка; g — ускорение свободного падения; рп плотность материала поплавка.

Условие равновесия поплавка определяется выражением Л + KvêpF^„ = p',Fu+ УпрпёГ,

откуда находим разность средних давлений на носовую и верхнюю поверхности поплавка:

Так как с увеличением расхода площадь кольцевого отвер­ стия FKувеличивается, то можно допустить, что скорость vcp при всех расходах остается постоянной, правая часть выражения (16-2-1) не зависит от значения расхода и для данного прибора остается постоянной. Из сказанного следует, что р[ — p%= const, что и дает основание ротаметр называть расходомером постоянного перепада давления.

Разность статических давлений рх— р2, действующих на попла­ вок с учетом гидростатического давления, не является постоянной. На значение этой разности давлений влияет сила от динамического давления потока

где ф — коэффициент сопротивления поплавка, зависящий от его формы; р — плотность жидкости (газа), протекающей через рота­ метр; va — средняя скорость потока в сечении а — а (рис. 16-1-1).

С учетом выражения (16-2-2) и уравнения (16-2-1) имеем:

P i Р г = yç ^îiPnÉT — K V cpF б, п фF п j • (16-2-3)

Из этого уравнения следует, что с увеличением расхода, а сле­ довательно, и скорости va значение перепада давления на поплавке р! — р2 убывает. Полный же перепад давления на ротаметре с ростом расхода будет увеличиваться. Это обусловливается ростом потери давления с увеличением расхода жидкости, протекающей через ротаметр. Для промышленных ротаметров потери давления от уста­ новки ротаметра в линии обычно не превышают 0,1 кгс/см2 для жидкостей и 0,05 кгс/см2 для газов.

Для вывода уравнения расхода среды, протекающей через рота­ метр, воспользуемся уравнением Бернулли для сечений а — а и b — b (рис. 16-1-1):

где ра— среднее статическое давление в сечении а — а, начиная с которого сказывается возмущающее воздействие поплавка на по­ ток; рь— среднее статическое давление в сечении b — b, прохо­ дящем в самом узком месте струи после прохода ее через кольце­ вое отверстие FK] vb— средняя скорость потока в сечении b — b; ка и кь— коэффициенты неравномерности распределения скорости в сечениях а — а и b — b соответственно; /„ и 1Ь— высоты сечений а — а и b — b над некоторым начальным уровнем; g — коэффи­ циент потери энергии на участке между сечениями а — а и b — b.

Остальные обозначения соответствуют принятым выше. Согласно условию неразрывности струи для несжимаемой жид­

кости для сечений а — а и b — b справедливо равенство Qo= vaFa= vbFb= vbnFK,

где Qo — объемный расход жидкости; Fa и Fb— площадь потока

Уравнение расхода (16-2-6) показывает, что расход среды, протекающей через ротаметр, зависит от двух переменных a и FK. При этом коэффициент расхода а, как видно из приведенных выра­ жений, зависит от большого числа величин и, кроме того, от гео­ метрической формы поплавка [59].

Для экспериментальной градуировки ротаметров, предназна­ ченных для измерений расхода жидкостей или газов, применяют

вкачестве градуировочной среды воду и воздух (ГОСТ 13045-67).

Винструкциях по монтажу и эксплуатации ротаметров обычно приводится методика для пересчета показаний ротаметра на изме­ ряемую среду с учетом плотности и вязкости.

16-3. Устройство ротаметров

Ротаметры, применяемые для измерения объемного расхода жидкостей и газов, имеют несколько разновидностей 175].

Ротаметры, применяемые для местного измерения расхода, изго­ товляются со стеклянной конусной трубкой в виде показывающих приборов. Ротаметры, имеющие металлический корпус, снабжаются передающими измерительными преобразователями с электрическим или пневматическим выходным сигналом. Эти ротаметры работают

в комплекте с вторичными приборами. Ротаметры с металлическим корпусом близки по своему устройству к поплав­ ковым расходомерам.

Ротаметры указанных разновидностей выпускаются классов точности: 1,0; 1,5; 2,5; 4,0 (ГОСТ 13045-67).

На рис. 16-3-1 показано устройство ротаметра со стеклянной конусной трубкой 1, которая зажата в патрубках 2 и 3, снабжен­ ных сальниками. Оба патрубка между собой связаны тягами 4 с надетыми на них ребрами 5. Эта армировка придает прибору необходимую прочность. Внутри патрубка 2 имеется седло, на кото­ рое опускается поплавок 6 при нулевом расходе жидкости или газа. Верхний патрубок 3 снабжен ограничителем хода поплавка 7. Шкала наносится непосредственно на внешней поверхности стек­

лянной конусной трубки. Указателем у ротаметров со стеклянной трубой служит верхняя горизонтальная плоскость поплавка.

Ротаметры со стеклянной конусной трубкой применяются для измерения расхода газов или прозрачных жидкостей, находящихся под давлением не более 6 кгс/см2 (0,6 МПа).

Ротаметры, снабженные передающими преобразователями с элек­ трическим выходным сигналом, показаны на рис. 16-3-2. Ротаметр, показанный на рис. 16-3-2, а, имеет конический поплавок 1, кото­ рый перемещается внутри кольцевой диафрагмы 2 под действием проходящего снизу вверх потока жидкости. При подъеме поплавка проходное отверстие между рабочей поверхностью поплавка и внут­ ренней кромкой диафрагмы увеличивается пропорционально изме­ нению расхода среды.

Поплавок ротаметра жестко связан с сердечником 3 передаю­ щего дифференциально-трансформаторного преобразователя 4. Ка­ тушка дифференциально-трансформаторного преобразователя на­ дета на разделительную трубку 5, изготовленную из немагнитной стали. Принцип действия и устройство дифференциально-трансфор­ маторных преобразователей, а также схемы дистанционной передачи с использованием их рассмотрены в гл. 8.

Ротаметр, показанный на рис. 16-3-2, б, отличается по своему устройству от рассмотренного только тем, что у него применен грибообразный поплавок 1, перемещающийся под действием потока внутри вертикально расположенной конической вставки (трубки) 2.

Ротаметры, выполняемые по рассмотренным схемам (рис. 16-3-2) в комплекте с вторичным прибором, имеют класс точности 2,5. Они выпускаются для измерения расхода среды, находящейся под рабочим избыточным давлением до 16 й 64 кгс/см2 (1,6 и 6,4 МПа). Ротаметры могут быть изготовлены и на большее рабочее избыточ­ ное давление (ГОСТ 13045-67). Кроме того, предусматривается выполнение ротаметров с выходным сигналом постоянного тока 0—5 мА (ГОСТ 13045-67).

Ротаметры с пневматическим выходным сигналом 0,2—1 кгс/см2 (0,02—0,1 МПа) отличаются от рассмотренных приборов (рис. 16-3-2) наличием пневмообразователей. Для преобразования пере­ мещения поплавка ротаметра, в пневматический выходной сигнал применяют передающие пневматические преобразователи компен­ сационного типа, принцип действия которых рассмотрен в гл. 8.

Г Л А В А С Е М Н А Д Ц А Т А Я

ТАХОМЕТРИЧЕСКИЕ РАСХОДОМЕРЫ И СЧЕТЧИКИ КОЛИЧЕСТВА И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ РАСХОДОМЕРЫ

17-1. Тахометрические счетчики количества жидкостей

Общие сведения. Тахометрический счетчик количества жид­ кости состоит из тахометрического преобразователя расхода и счет­ ного суммирующего механизма. Под тахометрическим преобразова­

телем расхода понимается первичный преобразователь, в котором скорость движения рабочего (чувствительного) элемента, взаимо­ действующего с потоком жидкости, пропорциональна объемному расходу.

Счетчики количества жидкостей применяют для измерения сум­ марного количества различных жидкостей (воды, нефти, мазута,

и объемные. Эти технические средства в зависимости от того, для измерения какой жидкости они предназначены, принято называть водосчетчиками, нефтесчетчиками, бензосчетчнками и т. д.

Для измерения суммарного количества холодной (до 30°С) и горячей (до 90СС) воды применяют главным образом скоростные счетчики. В'скоростных счетчиках в качестве рабочего элемента применяют вертикальные и горизонтальные вертушки (турбинки). У счетчиков с вертикальной вертушкой поток жидкости, вращаю­ щий вертушку, направлен по касательной к окружности, описывае­ мой средним радиусом вертушки. Такие крыльчатые вертушки (турбинки) обычно называют тангенциальными. У счетчиков с гори­ зонтальной вертушкой поток жидкости направлен параллельно оси вертушки. Эти вертушки (турбинки) называют аксиальными.

Угловая скорость вертушки (турбинки) пропорциональна сред­ ней скорости потока жидкости, а следовательно, и объемному рас­ ходу. Число оборотов вертушки прибора суммируется счетным механизмом, а количество жидкости в единицах объема указывается счетным указателем.

Объемные тахометрические счетчики, обладающие более высо­ кой точностью по сравнению со скоростными, применяют для изме­ рения суммарного количества мазута, нефти, бензина и других жидкостей. В объемных счетчиках протекающая через него жид­ кость измеряется отдельными, равными по объему дозами, отсе­ каемыми одним или несколькими рабочими элементами. Число пропущенных доз жидкости суммируется счетным механизмом, а суммарное количество жидкости, прошедшее через прибор за определенный промежуток времени, показывается счетным ука­ зателем.

Кроме указанных применяются объемные счетчики жидкостей со свободным сливом. Они выполняются, например, в виде стацио­ нарных мерных баков или счетчиков с опрокидывающимися (или вращающимися) мерными камерами.

Счетчики количества жидкостей обычно характеризуются сле­ дующими техническими данными: калибром — размером диаметра условного прохода входного патрубка в миллиметрах; пределами допускаемой основной погрешностии показаний, выраженной в про­ центах от действительного количества жидкости, протекшей через прибор; потерей давления, вызываемой прибором; начальным, номинальным и верхним пределами измерений; порогом чувствитель­