
- •1. Общие сведения
- •2. Дифференциально-трансформаторные преобразователи и схемы дистанционной передачи
- •3. Передающие преобразователи с магнитной компенсацией
- •4. Ферродинамические преобразователи и схемы дистанционной передачи
- •5. Электросиловые преобразователи
- •6. Тензопреобразователи
- •1. Общие сведения
- •2. Жидкостные манометры и дифманометры
- •3. Деформационные манометры и дифманометры
- •4. Грузопоршневые манометры
- •5. Электрические и прочие манометры
- •6. Методика измерения давления и разности давлений
- •1. Общие сведения
- •2. Основы теории измерения расхода по перепаду давления в сужающих устройствах
- •3. Расчет градуировочной характеристики сужающих устройств
- •4. Методика использования сужающих устройств для измерения расхода сред
- •5. Оценка погрешности измерение расхода
- •6. Применение сужающих устройств при малых числах Рейнольдса
- •7. Особые случаи измерения расхода
- •1. Ротаметры
- •2. Тахометрические расходомеры
- •3. Электромагнитные расходомеры
- •4. Ультразвуковые расходомеры
- •5. Тепломеры
- •1. Уровнемеры с визуальным отсчетом
- •2. Гидростатические уровнемеры
- •3. Поплавковые и буйковые уровнемеры
- •4. Емкостные уровнемеры
- •5. Индуктивные уровнемеры
- •6. Радиоволновые уровнемеры
- •7. Акустические уровнемеры
- •8. Термокондуктометрические уровнемеры
- •9. Измерение уровня сыпучих материалов
2. Тахометрические расходомеры
Тахометрическими называются расходомеры, в которых скорость движения рабочего тела пропорциональна объемному расходу измеряемой среды. В большинстве случаев рабочее тело-преобразователь расхода (турбинка, шарик и т. п.) — под воздействием потока вращается. В зависимости от устройства тахометрические расходомеры подразделяются на турбинные, шариковые и камерные.
Тахометрические преобразователи расхода могут использоваться как в счетчиках количества, так и в расходомерах. В первом случае преобразователь расхода (например, турбинка) связан со счетным механизмом. Тахометрические расходомеры содержат электрические тахометрические преобразователи частоты вращения чувствительного элемента в электрический сигнал, измеряемый затем показывающим прибором. Такие электрические преобразователи скорости оказывают незначительное тормозящее действие на подвижный элемент (по сравнению с механической передачей в счетчиках), в силу чего точность тахометрических расходомеров выше точности счетчиков с механическим редуктором. Тахометрические приборы измеряют объемные расходы. При необходимости измерения массовых расходов они должны снабжаться плотномерами и вычислительным устройством. Тахометрические расходомеры применяются для измерения расхода различных жидкостей (реже газов), причем некоторые их разновидности могут использоваться на загрязненных жидкостях.
Погрешность измерения и потери статического давления на расходомере зависят от расхода и вязкости жидкости. Поэтому важными техническими данными таких приборов являются минимальный измеряемый расход (нижний предел измерения) и потеря давления на них.
Турбинные расходомеры применяйся для измерения расхода различныx жидкостей за исключением очень вязких и загрязненных. Для них важным является смазывающая способность измеряемой среды, поэтому наиболее целесообразно их использование в нефтепродуктах. Для измерения расхода газа турбинные расходомеры применяются редко. Это связано с тем, что из-за малой плотности газа достаточно большой вращающий момент получается только при больших расходах. Это уменьшает диапазон измерения расходомера и повышает порог чувствительности. Кроме того, в газовой среде ускоряется износ подшипников.
Рис. 2. Устройство турбинных преобразователей расхода:
а-с аксиальной турбинкой; б —с тангенциальной турбинкой
На рис. 2, а схематично показано устройство турбинного преобразователя расхода жидкости. Корпус преобразователя 1 представляет собой отрезок трубы с двумя фланцами для присоединения его к трубопроводу, внутри корпуса установлены струевыпрямители 2 и 3, соединенные неподвижной осью, на которой расположена турбинка 4. В расходомерах частота вращения турбинки, пропорциональная объемному расходу, с помощью тахометрического преобразователя 5 (см. рис. 2, а) преобразуется в частоту выходного напряжения и затем с помощью специальной схемы — в аналоговый выходной сигнал. В счетчиках количества частота вращения турбины, пропорциональная количеству протекшего вещества, измеряется счетным механизмом, соединенным с осью турбинки шестеренчатым редуктором и магнитной муфтой.
Турбинки тахометрических расходомеров подразделяются на аксиальные и тангенциальные. У первых ось совпадает с направлением потока, у вторых она перпендикулярна потоку. Аксиальные турбинки имеют лопасти винтовой формы (на рис. 2, а показана четырехлопастная турбинка). При малом диаметре турбинок число лопастей мало (4—6), но они имеют большую длину. При больших диаметрах турбинки число лопастей велико (до 20), но их высота и длина невелики (относительно диаметра).
Конструкции тангенциальных турбинок разнообразны. В качестве примера на рис. 2, б показана турбинка серийно выпускаемых одноструйных водосчетчиков.
При
незначительных нагрузках на турбинку
ее частота вращения
пропорциональна объемному расходу
однако на характер этой зависимости
влияют вязкость
и плотность
измеряемой среды, момент сопротивленияМс
от
трения в опорах и реакции тахометрического
преобразователя частоты вращения (поз.
5 на рис. 2, а)
или
механического счетчика, конструктивные
параметры турбинки.
Примером
турбинного тахометрического расходомера,
использование которого возможно на
ТЭС, является расходомер топочного
мазута ТМ-1. Эти расходомеры имеют
дифференциально-трансформаторный
тахометрический преобразователь, сигнал
от которого поступает к нормирующему
преобразователю с выходным сигналом
0—5 мА. Преобразователи расхода таких
расходомеров изготавливаются с диаметрами
условных проходов от 32 до 200 мм для
давления до 6,4 МПа и температуры от 50 до
150 °С. Расходомеры могут иметь шкалы с
верхними пределами 6,3—240 м3/ч.
Диапазон измерения этих расходомеров
(0,2-
1)
.В
диапазоне (0,31)
предельная основная погрешность равна
±2 % и в диапазоне (0,2
0,3),
±2,5 %.
Следует отметать, что в настоящее время
турбинные тахиметрические расходомеры
являются одними из наиболее точных.
Существуют серийно выпускаемые
расходомеры с основной погрешностью
0,5 %. Эта погрешность может быть уменьшена
индивидуальной градуировкой.
Достоинством
турбинных расходомеров является
возможность измерения расходов в широком
диапазоне (5
—2
м3/с)
на трубопроводах диаметром 4—750 мм при
давлениях до 250 МПа и температурах от
—240 до
700°С,
а также большой диапазон измерения. При
больших скоростях и диаметрах труб
диапазон измерения
достигает 15—20, при малых скоростях и
малых диаметрах труб 5—10. Кроме того,
такие расходомеры обладают малой
инерционностью.
Однако тахометрические турбинные расходомеры имеют и недостатки, ограничивающие их применение: влияние вязкости контролируемой среды, износ опор (нельзя, например, измерять расход сред, содержащих взвешенные частицы, особенно если они обладают абразивными свойствами).
Рис. 3. Схема шариковых преобразователей расхода:
а — для больших расходов; б — для малых расходов
Шариковыми называются тахометрические расходомеры, подвижным элементом которых является шарик, непрерывно движущийся в одной плоскости по внутренней поверхности трубы под воздействием предварительно закрученного потока. Скорость движения шарика по окружности трубы пропорциональна объемному расходу жидкости. Схема шарикового преобразователя для средних и больших расходов представлена на рис. 3, а. Поток жидкости, закрученный формирователем 1 в винтовом направлении, вызывает движение шарика 2 по окружности. От перемещения вдоль трубы шарик удерживается ограничительным кольцом 3, за которым располагается струевыпрямитель 4 для выпрямления закрученного потока. На внешней стороне немагнитного корпуса располагается тахометрический преобразователь 5 для преобразования частоты вращения шарика в частотный электрический сигнал.
Для
небольших расходов применяется
конструкция, представленная на рис. 3,
б. Здесь нет специального формирователя
для закручивания потока, а движение
шарика по окружности вызывается
тангенциальным подводом жидкости. В
шариковых расходомерах применяются
тахометрические преобразователи
скорости, аналогичные преобразователям
турбинных расходомеров. Шар (рис. 3, а)
под действием центробежной силы
прижимается к внутренней поверхности
трубы, а под действием осевой составляющей
скорости потока — к ограничительному
кольцу, т. е. шару кроме сил вязкого
трения жидкости необходимо преодолевать
силы трения о поверхности трубы и
ограничительного кольца. Это вызывает
отставание окружной скорости шара
от
окружной скорости потока
,
которое оценивается коэффициентом
скольжения
,
откуда
Частота
импульсов тахометрического преобразователя
связана со скоростью шара соотношением
,
где
—
радиус вращения центра шара. Учитывая,
что
,
гдеk
—
коэффициент пропорциональности, можно
получить
.
Таким образом, для обеспечения однозначной
зависимости между f
и объемным расходом
надо иметь постоянство
.
Этот коэффициент меньше всего изменяется
в области значений чисел Рейнольдса от
103
до 105,
поэтому шариковые расходомеры
проектируются для работы в этом диапазоне.
Кроме того, для уменьшения скольжения
масса шарика делается по возможности
малой. Согласно стандарту шариковые
расходомеры могут применяться для
измерения расхода жидкостей с плотностью
700—1400 кг/м3,
вязкостью 0,3—12 сСт [(0,3
12)
м2/с].
Из-за отсутствия опор у подвижного
элемента расходомеры могут использоваться
на жидкостях с твердыми включениями
(ограниченной крупности) и агрессивных.
Диапазон измерения шариковых расходомеров
обычно равен (0,2
1)
однако в диапазоне (0,2
·0,3)
они обладают повышенной погрешностью
по сравнению с диапазоном (0,3
1)Qв.п.
Приведенная погрешность обычно равна
1,5%
в интервале (0,3
1)
и ±2,5 % в интервале (0,2
0,3)
На
АЭС используются шариковые расходомеры
ШТОРМ двух модификаций: ШТОРМ-32М (верхний
предел измерения 50 м3/ч)
и ШТОРМ-8А (верхний предел измерения 8
м3/ч).
Основная погрешность их ±(1,52,5) %.
Камерными
называются
тахометрические расходомеры и счетчики,
имеющие один или несколько подвижных
элементов, которые при движении отмеривают
определенные объемы жидкости. Обычно
эти подвижные элементы движутся
непрерывно со скоростью, пропорциональной
объемному расходу. В промышленности в
подавляющем большинстве случаев
применяются камерные счетчики.
Достоинствами их является высокая
точность измерения (0,5—1 % для жидкостей
и 1—1,5 % для газов), достаточно большой
диапазон измерения, слабое влияние
вязкости измеряемой среды. Последнее
обстоятельство позволяет применять
камерные счетчики для жидкостей вязкостью
до 3·м2/с
(300 сСт).
Рис. 4. Схема счетчика с овальными шестернями
Одним
из приборов камерного типа являются
счетчики жидкости с овальными шестернями.
Такие счетчики предназначены для
измерения количества жидкостей, имеющих
вязкость от 55·до 3·
м2/с
(0,55—300 сСт), температуру от —40 до +120
и давление до 64 кгс/м2
в трубах диаметром до 100мм. Такие счетчики
имеют основную погрешность 0,5 %. Схема
преобразователя с овальными шестернями
показана на рис. 4.
В
положении шестерен по рис. 4, а под
действием разности давлений
возникает вращающий момент, вращающий
левую шестерню против часовой стрелки.
Правая шестерня при этом будет ведомой
и за счет зубчатого сцепления будет
поворачиваться по часовой стрелке.
Через полоборота шестерни установятся
в положение рис. 4,б.
При
этом вращающий момент будет создаваться
на правой шестерне, левая становится
ведомой. За полный оборот измерительные
камеры (на рис. 4 заштрихованы) дважды
наполняются и опорожняются, т. е. за один
оборот объем пропускаемой жидкости
равен четырем объемам одной измерительной
камеры. На счетный механизм передается
движение одной из шестерен посредством
магнитной муфты или тахометрического
дифференциально-трансформаторного
преобразователя скорости. Сильное
изменение вязкости жидкости увеличивает
погрешность измерения счетчика.