книги / Теплотехнические измерения и приборы

ности; емкостью счетчика “ • наибольшим значением количества жидкости, показываемым счетным механизмом; предельным допу­ скаемым избыточным давлением и предельной температурой изме­ ряемой жидкости.

Погрешность показаний рассматриваемых счетчиков зависит от вязкости и расхода жидкости и определяется обычно экспери­ ментальным путем при различных расходах. Следует также иметь в виду, что потеря статического давления, вызываемая счетчиком, с увеличением расхода и вязкости жидкости возрастает. Поэтому потеря давления обычно служит критерием пропускной способности счетчика.

Под нижним пределом измерений счетчика понимают наимень­ ший расход, при котором погрешность показаний прибора не пре­ вышает допускаемую. Номинальным расходом счетчика называют наибольший длительный расход, при котором погрешность показа­ ний прибора не выходит за пределы допускаемой, а потеря стати­ ческого давления не приводит к быстрому износу деталей прибора. Например, для счетчиков холодной воды с вертикальной крыльчатой вертушкой установлены номинальные расходы при потере давления не более 0,1 кгс/см2 (0,01 МПа) ГОСТ 6019-66. Для объем­ ных счетчиков жидкостей потеря давления обычно не превышает 0,3—0,5 кгс/см2 (0,03—0,05 МПа). Под верхним пределом измере­ ния счетчика понимают максимальный расход, допускаемый в тече­ ние одного часа в сутки.

При выборе счетчика необходимо иметь в виду, что калибр его может быть взят меньше диаметра трубопровода. В этом слу­ чае в трубопроводе до и после счетчика устанавливаются кониче­ ские переходы.

Скоростные счетчики количества жидкостей. К скоростным счетчикам, как было сказано выше, относятся счетчики с верти­ кальной и горизонтальной вертушками. Счетчики с вертикальной крыльчатой вертушкой применяют главным образом для измерения суммарного количества воды в горизонтальных трубопроводах при небольших расходах (от 0,15 до 12,6 м3/ч). Счетчики этого вида в зависимости от того, находится ли счетный механизм непо­ средственно в воде или отделен от нее соответствующим устройством, делятся на так называемые «мокроходы» и «сухоходы». Мокроходы имеют ряд преимуществ (меньше деталей, отсутствие сальника и т. д.) перед сухоходами, но их нормальная работа возможна только на воде с высокой степенью чистоты. Поэтому наибольшее распро­ странение получили счетчики-сухоходы.

В зависимости от способа подведения воды к лопастям вер­ тушки счетчика они разделяются на одноструйные и многоструй­ ные. Как в одноструйных, так и в многоструйных счетчиках вода к лопастям вертушки подводится тангенциально. В одноструйных счетчиках жидкость подводится в камеру крыльчатой вертушки и отводится из нее на одном уровне, что обеспечивает ее протека­ ние по кратчайшему пути без образования мертвых зон. Это умень-

шает потерю давления и одновременно уменьшает возможность оседания в счетчике взвешенных частиц песка и пр.

Корпус скоростного одноструйного водосчетчика выполняется с коническими патрубками для входа и выхода жидкости (рис. 17-1-1). В расширенной части входного патрубка установлена

Рис. 17-1-1. Схема устройства скоростного одноструйного водосчетчика с вертикальной крыльчатой вертушкой («сухоход»).

металлическая сетка, предохраняющая прибор от попадания посто­ ронних тел. За сеткой во входном патрубке установлен струевыпря­ мнтель. Крыльчатая вертушка прибора соединяется с помощью передаточного механизма (редуктора) со счетным механизмом; редуктор и счетный механизм соединены осью с сальниковым уплот­ нением. Счетный механизм отделен от проточной части прибора герметичной перегородкой, в которой установлен сальник пере-, даточной оси.

В многоструйном счетчике вода через входной патрубок (на рис. 17-1-2 патрубок показан пунктиром) поступает в нижнюю полость корпуса, проходит через нижний ряд отверстий и несколь-

кими струями попадает на лопасти крыльчатки, приводя ее во вра­ щение. Далее вода по спирали поднимается вверх вдоль оси вер­ тушки и через верхний ряд отверстий поступает в верхнюю часть корпуса, а затем — в выходной патрубок. В многоструйных водо­ счетчиках вращение крыльчатки передается счетному механизму так же, как и у одноструйных (см. рис. 17-1-1).

Счетчики с вертикальной крыльчатой вертушкой выпускаются калиб­ ром от 15 до 40 мм для измерения сум­ марного количества войы. Емкость счетного механизма (верхний предел показаний) этих приборов 10 000 м3; наименьшая цена деления шкалы счет­ чика указателя 0,001 м3. Наибольшее допускаемое избыточное давление воды 10 кгс/см2 (~1МПа). Пределы допус­ каемой основной погрешности показа­ ний водосчетчиков при измерении в диапазоне от нижнего предела до номи­ нального расхода не более ±2%.

12 500 м3/ч. Они могут быть ус­ тановлены на горизонтальных участках, а также на наклонных и

вертикальных участках с восходящим потоком жидкости. В водо­ счетчиках этого типа (рис. 17-1-3) жидкость, протекающая через прибор, вращает вертушку, представляющую собой многоходовой винт с большим шагом. Число оборотов винтовой вертушки про­ порционально средней скорости потока жидкости и обратно про­ порционально шагу лопасти

где п — число оборотов вертушки в секунду; vcp— средняя ско­ рость потока жидкости, м/с; к — постоянный коэффициент для данного счетчика; I — шаг лопастей винтовой вертушки, м.

Преобразовав выражение (17-1-1) и подставив в него значение скорости

Из уравнения (17-1-2) видно, что число оборотов вертушки пропорционально количеству протекающей жидкости. Для обеспе­ чения постоянства метрологических характеристик прибора необ­ ходимо, чтобы направление потока жидкости было параллельно оси вертушки, так как незначительные отклонения в движении потока влияют на число оборотов. Для стабилизации направления потока перед вертушкой со стороны входа потока жидкости уста­

навливают струевыпрямитель (рис. 17-1-3). Необходимо, кроме того, чтобы перед прибором был прямой участок трубы длиной не менее (8—10)D, а после него — не менее 5 D, где D — диаметр трубы.

ляется продолжением укороченной радиальной перегородки струевыпрямителя.

Водосчетчики с винтовой вертушкой изготовляются калибром 50, 80, 100, 150, 200, 250 и 300 мм. Выпускаемые водосчетчики этого типа рассчитаны на пре­ дельное избыточное давление до 10 кгс/см2 (1 МПа), хотя в отдельных случаях их выполняют и для давления до 15 кгс/см2 (1,5 МПа). Пределы допускаемой основной погрешности показаний водосчетчиков при измерении в диапазоне от нижнего предела до номинального расхода — не более ±2%. Технические харак­ теристики водосчетчиков с винтовой вертушкой приведены в [75].

Скоростные счетчики широко применяются в системах водо­ снабжения и тепловых сетях. На современных ТЭС скоростные счетчики не применяют.

Объемные счетчики количества жидкостей. К числу этих средств измерений относятся счетчики количества жидкостей — поршне­ вые, дисковые, с овальными шестернями, ротационные и др. [59, 75]. Объемные счетчики широко применяют в химической, нефтепере­ рабатывающей и других отраслях промышленности. На современ­ ных ТЭС объемные счетчики не применяются, так как технические характеристики их не соответствуют нужным требованиям экс­ плуатации.

Ниже в качестве примера рассмотрим устройство объемных счетчиков поршневого типа. Существует несколько различных вариантов конструкций поршневых счетчиков. Наиболее распро­ страненными являются приборы с одним и четырьмя поршнями. Для ознакомления с принципом работы поршневого счетчика рас­ смотрим упрощенную схему устройства однопоршневого прибора, показанную на рис. 17-1-4. Жидкость из трубы 1 через распредели­ тельный четырехходовой кран 2 поступает под поршень 3 и подни­ мает его. Поршень, перемещаясь вверх, вытесняет жидкость, нахо­ дящуюся в верхней полости цилиндра,

низма со штоком поршня (на рис. 17-1-4 счетный механизм не показан).

Для поршневых счетчиков по сравнению с другими типами объемных счетчиков характерна большая потеря давления. Поршне­ вые счетчики используются для измерения суммарного количества мазута, нефти, бензина it других жидкостей.

В промышленности широко применяют четырехпоршневой мазутомер типа МП [17]. Этот прибор изготовляют в качестве счетчика количества мазута, а также в качестве показывающего измерителя расхода мазута со счетным механизмом*. Показывающий мазутомер МП может быть снабжен двумя передающими ферродинамическими преобразователями ПФ или частотными передающими пре­ образователями со струйным вибратором типа ПС (гл. 8).

Мазутомеры МП выпускаются с верхними пределами измерения от 50 до 4000 л/ч. Рабочее давление измеряемого мазута должно быть не более 10 кгс/сма (1 МПа); температура от 10 до 100° С. Наибольшая потеря давления в мазутомере не превышает 0,35 кгс/см2 (0,035 МПа).

Пределы допускаемой основной погрешности суммирования ±1%. Пределы допускаемой основной погрешности по шкале расхода ±1,5% для мазутомера и ±2,5% для вторичного прибора.

Из числа рассмотренных тахометрических счетчиков коли­ чества жидкостей мазутомеры типа МП при наличии указанных выше дополнительных устройств могут быть использованы одно­ временно и как расходомеры при автоматизации технологических процессов.

17-2. Тахометрические расходомеры жидкостей

Созданию технических средств для измерения расхода различ­ ных жидкостей и, в частности, мазута уделяется большое внима­ ние. Из числа созданных за последние годы тахометрических рас­ ходомеров наибольшее внимание заслуживают скоростные турбин­ ные и шариковые расходомеры. Преобразователи и вторичные приборы этих расходомеров имеют унифицированные выходные

входных сигналов преобразователей и вторичных приборов тахо­ метрических расходомеров и их элементов, узлов и блоков суще­ ственно повышает надежность действия дистанционной передачи и позволяет применять эти средства измерений для автоматизации технологических процессов и в системах с информационно-вычис­ лительными и управляющими машинами.

На рис. 17-2-1 схематично показано устройство первичного турбинного преобразователя расхода жидкости. Корпус преобра­ зователя 1 представляет собой отрезок трубы с двумя фланцами для присоединения его к трубопроводу. Внутри корпуса преобра­ зователя установлены струевыпрямители 2 и Л, соединенные непод­ вижной осью, на которой расположена турбинка (вертушка с вин­ товыми лопастями) 4, вращающаяся на подшипниках (на рис. 17-2-1 подшипники не показаны). Лопасти турбинки преобразователя выполнены из ферромагнитного материала. На внешней стороне корпуса 1 установлен передающий дифференциально-трансформа­ торный преобразователь 5.

Устройство первичного шарикового преобразователя расхода жидкости схематично показано на рис. 17-2-2. Корпус шарикового преобразователя расхода выполнен аналогично с корпусом тур­ бинного преобразователя. Внутри корпуса шарикового преобразо­ вателя 1 расположен неподвижный сборный узел, состоящий из струенаправляющего устройства 2, выполненного в виде многозаходного винта, и струевыпрямителя 3. На крестовине струевыпрямителя находится ограничивающее кольцо 4. В пространстве между этим кольцом и струенаправляющим устройством находится шарик 5 из ферромагнитного материала, который может свободно вращаться вокруг ступицы 6. На корпусе шарикового преобразо­ вателя установлен передающий дифференциально-трансформатор­ ный преобразователь 7.

Наряду с показанным на рис. 17-2-2 преобразователем расхода НИИТеплоприбором разработан первичный шариковый преобра­ зователь расхода с тангенциальным подводом измеряемой жид­ кости.

В рассмотренных первичных скоростных тахометрических пре­ образователях расхода жидкость, протекающая через преобразо­ ватель, приводит во вращение турбинку или шарик. Частота вра­ щения турбинки или шарика пропорциональна средней скорости потока измеряемой жидкости в данном сечении преобразователя, а, следовательно, и объемному расходу. Установленный с наруж­ ной стороны корпуса первичного тахометрического преобразователя расхода бесконтактный передающий преобразователь формирует электрические импульсы, частота следования которых зависит от частоты вращения турбинки или шарика.

Наиболее широкое распространение получили два типа бес­ контактных передающих преобразователей — магнитоэлектрический и дифференциально-трансформаторный. Магнитоэлектрический пере­ дающий преобразователь используется в первичных тахометриче­ ских преобразователях, имеющих большие диаметры условного прохода, а следовательно, и значительный крутящий момент на турбинке или шарике. Тормозной момент, создаваемый на турбинке или шарике преобразователя расхода передающим магнитоэлектри­ ческим преобразователем, примерно на два порядка больше, чем у дифференциально-трансформаторного. Поэтому первичные тахометрические преобразователи расхода, имеющие малые диаметры условного прохода, передающими магнитоэлектрическими преобра­ зователями не снабжаются.

Передающий магнитоэлектрический преобразователь состоит из постоянного магнита, на котором намотана катушка. Прохожде­ ние мимо торца магнита ферромагнитной лопасти турбинки или шарика приводит к появлению электрического импульса в цепи катушки.

Передающие дифференциально-трансформаторные преобразова­ тели применяются в выпускаемых первичных турбинных и шари­ ковых преобразователях расхода с диаметрами условного прохода

до 200 мм. Импульсный сигнал измерительной информации пере­ дающего преобразователя тахометрнческого расходомера обычно преобразовывается в унифицированный выходной сигнал постоян­ ного тока с помощью дополнительного (приемного) электронного преобразователя.

На рис. 17-2-3 показана схема скоростного тахометрнческого расходомера жидкости. На этой схеме приняты следующие обозна­ чения: ППР — первичный тахометрический преобразователь рас­ хода (шариковый или турбинный); ПДТП — передающий дифферен­ циально-трансформаторный преобразователь; ПЭП — приемный электронный преобразователь, состоящий из генератора Г, уси-

Рис. 17-2-3. Электрическая схема скоростного тахометрнческого расходомера жидкости.

лителя-демодулятора Д, фильтра Ф, усилителя низкой частоты УНЧ, мультивибратора М и выходного узла ВУ; R„ — сопротивление внешней нагрузки (например, вторичного прибора, интегратора, регулирующего прибора и линии связи).

Преобразователь ПДТП состоит из первичной обмотки, питае­ мой от генератора Г переменным током частотой 3—6 кГц, двух секций вторичной (выходной) обмотки, включенных встречно, и двух сердечников С1 и С2. С помощью подвижного сердечника С1 производится регулировка взаимных индуктивностей между сек­ циями вторичной и первичной обмоток таким образом, чтобы в вы­ ходной цепи преобразователя при отсутствии ферромагнитной массы ФМ у нижнего торца преобразователя ПДТП остаточная э. д. с. имела как можно меньшее значение.

При проходе ферромагнитной массы (шара или лопасти турбинки) у нижнего торца преобразователя ПДТП изменяется взаим­ ная индуктивность между секциями вторичной и первичной обмо­ ток, что приводит к возникновению на выходе преобразователя сиг­

нала переменного тока UBblx с частотой 3—6 кГц, амплитуда кото­ рого в несколько раз больше значения остаточного (нулевого) сигнала. С выхода преобразователя сигнал UBblx, модулированный по амплитуде, подается на вход усилителя демодулятора Д и далее — на фильтр нижних частот Ф, который выделяет несущую частоту 3—6 кГц и пропускает напряжение с частотой модуляции на вход усилителя низкой частоты УНЧ. Усиленное напряжение поступает на ждущий мультивибратор М для формирования импульсов. Выходная часть ВУ приемного преобразователя ПЭП преобразо­ вывает импульсные сигналы в выходной унифицированный сигнал постоянного тока 0—5 мА.

Питание приемного электронного преобразователя ПЭП осу­ ществляется от сети переменного тока напряжением 220 В и часто­ той 50 Гц.

В качестве вторичных показывающих или самопишущих прибо­ ров могут быть использованы миллиамперметры типа КПУ, КСУ и другие приборы ГСП.

Рассмотренная выше схема устройства тахометрического рас­ ходомера реализована в турбинном расходомере мазута типа ТМ1, разработанном СКВ «Нефтехимприбор» [76]. Расходомер ТМ1 состоит из первичного турбинного преобразователя расхода Пр5, снабженного передающим дифференциально-трансформаторным пре­ образователем ДТП-1, и приемным нормирующим преобразователем типа ПН5 с унифицированным выходным сигналом постоянного тока 0—5 мА. В качестве вторичных приборов могут быть исполь­ зованы указанные выше миллиамперметры и интегратор типа С-1.

Преобразователи расхода Пр5 изготовляют с диаметрами условного прохода 32, 50, 80, 125 и 200 мм для измерения наибольшего расхода мазута 6,3 (1,25); 16 (3,2); 40 (8); 100 (20); 240 (48) м!1/ч соответственно (вскобках указан наименьший расход мазута). Турбинные преобразователи Пр5 предназначены для измерения расхода топочного мазута (марок Ф-5, Ф-12, М-40, М-100, ГОСТ 10585-83), находя­ щегося под избыточным давлением до 64 кгс/сма (6,4 МПа) при температуре .от 50 до 150°С. Кинематическая вязкость мазута при этих температурах лежит в пре­ делах от 25 до 30 сст (25 •10“6—30 •10"6м2/с).

Пределы допускаемой основной погрешности в диапазоне от 30 до 100% не превышают±2%, а в диапазоне от 20 до 30 % —±2,5%. Потеря давления при наи­ большем расходе не более 0,5 кгс/сма (0,05 МПа).

Схемы устройства первичного шарикового преобразователя расхода (см. рис. 17-2-2), передающего и приемного преобразователя (см. рис. 17-2-3) реализо­ ваны в шариковых расходомерах типа «Сатурн», разработанных НИИтеплоприбором. Первичные преобразователи расходомеровтипа «Сатурн» могут быть выпол­ нены с диаметрами условного прохода от 32 до 150 мм для измерения наибольшего расхода воды и водных растворов от 4 до 160 м3/ч соответственно. Шариковые преобразователи расхода рассчитаны на предельно допускаемое рабочее давление до 64 кгс/сма (6,4 МПа) и температуру измеряемой жидкости от —30 до +90°С.

Приемный преобразователь расходомера «Сатурн» имеет унифицированный выходной сигнал 0—5 мА и, кроме того, выходной сигнал постоянного напряжения 0—100 мВ. В качестве вторичных приборов могутбыть использованы миллиампер­ метры и другие приборы, рассмотренные выше.

Пределы допускаемой основной погрешности показаний в диапазоне от 30 до 100% — не более±1,6%. Потеря давления при наибольшем расходе—не более 0,5 кгс/см2 (0,05МПа).

К достоинствам первичных шариковых преобразователей расхода следует отнести простоту устройства. Кроме того, шариковые преобразователи расхода (в отличие от турбинных) вследствие отсутствия подшипников могут быть исполь­ зованы для измерения расхода жидких сред с абразивными частицами.

17-3. Электромагнитные расходомеры

Электромагнитные (индукционные) расходомеры применяют для измерения в трубопроводах объемного расхода электропроводных жидкостей, растворов и пульп с мелкодисперсными неферромагнит­ ными частицами. Удельная электрическая проводимость измеряе­ мой среды должна находиться в пределах от 10-3 до 10 См/м (ГОСТ 11988-66). Следует отметить, что некоторые разновидности электромагнитных расходомеров находят применение для измере­

проводная жидкость, протекающая через первичный электромаг­ нитный преобразователь расхода, установленный в трубопроводе. Измеряя э. д. с., наведенную в электропроводной жидкости, ко­ торая при своем движении пересекает магнитное поле первичного преобразователя, можно определить среднюю скорость текущей жидкости, а вместе с тем и объемный расход.

Измерение расхода жидкости электромагнитным методом может быть осуществлено как при постоянном возбуждающем магнитном поле, так и при переменном поле первичного преобразователя расхода. Указанные способы создания магнитного поля имеют свои положительные и отрицательные стороны, рассматриваемые ниже.

Принципиальная схема электромагнитного расходомера с по­ стоянным магнитным полем изображена на рис. 17-3-1. Прибор состоит из первичного электромагнитного преобразователя рас­ хода ПЭПР, электронного измерительного усилителя ИУ и вто­ ричного измерительного прибора ИП. Корпус преобразователя расхода представляет собой отрезок трубы 1 из немагнитного материала с двумя фланцами (на рис. 17-3-1 фланцы не показаны) для присоединения его к фланцам трубопровода. На внешней сто­ роне корпуса преобразователя установлен постоянный магнит NS, магнитные силовые линии которого перпендикулярны вектору скорости движения жидкости. Для съема выходной э. д. с. преобра­