Промежуточные свойства между нормальными диафрагмой и соплом могут
быть получены с помощью двойной диафрагмы в виде сужающего устройства,
состоящего из двух стандартных дисковых диафрагм,
расположенных на расстоянии а = (0,3 Χ 0,5)D друг от
друга (рис. 22.5). Давление р1 отбирается у передней
плоскости первой вспомогательной диафрагмы, имею-
щей диаметр отверстия d1, а давление р2 — у задней
плоскости второй основной диафрагмы, диаметр отвер-
стия которой d. Диаметр d1 всегда больше, чем d.
Двойная диафрагма по своим свойствам — промежу-
точная между диафрагмой и стандартным соплом, так
как вспомогательная диафрагма при правильно вы-
бранном расстоянии облегчает вход потока в отверстие
основной диафрагмы. В связи с этим потеря давления
в ней меньше, чем у стандартной диафрагмы, но боль-
Рис. 22.5. Двойная
ше, чем у стандартного сопла, а значение коэффициен-
та расхода б меньше, чем у сопла, но больше, чем у
диафрагма
диафрагмы.
Преобразователи расхода — гидравлические сопротивления
Любое гидравлическое сопротивление, у которого известна зависимость потери давления от расхода, может быть преобразователем расхода. Но применяются, главным образом, лишь сопротивления, работающие в ламинарном режиме, чтобы получить линейную (или близкую к ней) зависимость между расходом Q и перепадом давления Др. Основное такое сопротивление — капиллярная трубка, диаметр которой определяется уравнением d ј 0,554Qmax/х
(d, мм; Qmax, м3/с; х, м/с), полученным при Re Ѕ 2300.
В связи с этим применяются преобразователи, состоящие из пакета капиллярных трубок, которые включены параллельно. Таким способом измеряют расходы жидкости вплоть до 2000 кг/ч. Так, для измерения расхода масла до 1000 кг/ч был применен пакет из 963 трубок диаметром 0,48 мм и длиною 150 мм.
Наряду с капиллярными трубками применяются преобразователи, сопротивление в которых создается пористой набивкой из тонкой медной стружки, из стеклянных или бронзовых пористых перегородок, а также из металлических или стеклянных шариков, расположенных между двумя металлическими сетками. С помощью пористых перегородок из стекла измерялись расходы жидкости в пределах 0,8—100 см3/с, а из бронзы — в пределах 15—450 см3/с. При размерах пор более 250 мкм линейная зависимость между расходом и перепадом давления нарушается.
Центробежные преобразователи расхода
На закругленных участках трубопровода, например, коленах, под влиянием центробежной силы возникает перепад давления, зависящий от расхода (рис. 22.6). На этом основана работа центробежных преобразователей расхода.
22.2. Расходомеры переменного перепада давления
Принимая среднюю скорость в сечении равной скорости х0 в центре, получим уравнение расхода
Qo
k
<D2
R0
p1 p2
, (22.8)
4
D
где бk — коэффициент расхода, учитывающий расположение мест отбора давлений p1 и p2, шероховатость трубы и возможные отклонения действительного распределения скоростей от принятого закона. При измерении расхода газа это уравнение должно быть дополнено множителем е.
Рис. 22.6. Схема колена трубы и распределения давлений в его поперечном сечении
Преобразователи расхода — напорные устройства
Напорные устройства создают перепад давления, зависящий от динамического давления потока. Они преобразуют кинетическую энергию потока в потенциальную. К этим устройствам относятся напорные: трубки, усреднители, крылья и усилители. Только напорные усреднители образуют перепад давления в зависимости от расхода, а остальные устройства — в зависимости от скорости, существующей в месте их установки. Тем не менее, с помощью напорных трубок можно определять расход жидкостей и газов.
Напорные трубки. Классический пример напорного устройства — трубка Г-образной формы с отверстием, направленным навстречу потоку, которая называется трубкой Пито по имени французского ученого, применившего ее для измерения скорости течения реки. Такая трубка воспринимает полное давление, которое равно сумме динамического рд = сх2/2 и статического рс давлений потока. Чтобы с помощью такой трубки измерить скорость х в трубопроводе, необходимо кроме трубки Пито иметь еще трубку для отбора только статического давления рс. Тогда дифманометр, который измеряет разность давлений Др = рп — рс = рд, будет служить для определения скорости по формуле
где _ — показатель адиабаты газа; Ма — число Маха.
Для жидкости коэффициент kcж = 1. Для воздуха при нормальных условиях эта поправка составляет около 0,5 % при х = 70 м/с.
В большинстве случаев трубки для отбора полного и статического давлений конструктивно объединяют. Подобное устройство наиболее правильно называть дифференциальной трубкой Пито. Для таких трубок, изготовленных в соответствии со стандартами ИСО 3354-75, ИСО 3966-77, ГОСТ 8.361-79 и ГОСТ 8.439-81, коэффициент kT = 1 ± 0,0025. Разновидности подобных трубок показаны на рис. 22.7. Каждая из них состоит из двух трубок, одна из которых расположена концентрично внутри другой.
Глава 22. Расходомеры и счетчики
а)
б) в)
Рис. 22.7. Дифференциальные трубки Пито с концами: а — коническим; б — полусферическим; в — полуэллипсоидальным
22.3. Дифференциальные манометры
Дифференциальные манометры (или сокращенно дифманометры) измеряют перепад давления, создаваемый сужающим устройством или другим преобразователем расхода [2, 13]. Они различаются по принципу действия, пределам измерений и характеру отсчетного устройства (показывающие, самопишущие, интегрирующие и т.п.). Кроме того, многие дифманометры оборудуются электрическими или пневматическими преобразователями перемещения чувствительного элемента прибора в сигнал, поступающий на вторичный измерительный прибор. При этом дифманометр может иметь или не иметь отсчетное устройство (т.е. быть бесшкальным). В последнем случае он по существу представляет собой двухступенчатый преобразователь перепада давления.
По принципу действия дифманометры могут быть жидкостными или деформационными.
Двухтрубные дифманометры
Простейший представитель жидкостных дифманометров с видимым уровнем — это стеклянная U-образная трубка, заполненная до середины манометрической жидкостью и снабженная шкалой. Но она применима лишь при очень небольших давлениях измеряемой среды. Чтобы сделать ее при-
22.4. Поплавковые дифманометры
годной для измерения значительных давлений, надо взять две толстостенные стеклянные трубки и укрепить их в металлических блоках.
Однотрубные дифманометры
При отсчете двух уровней в двухтрубном дифманометре удваивается погрешность от неточности отсчета и удлиняется процесс измерения. Последнее обстоятельство существенно при измерении быстро меняющихся расходов. Этих недостатков нет у однотрубного дифманометра, в котором плюсовая трубка заменена сосудом большого диаметра и отсчет производится только по уровню в одной трубке (рис. 22.8).
Рис. 22.8. Схема однотрубного дифманометра: О-О— нулевой уровень манометрической жидкости: D и d — диаметр широкого сосуда и трубки соответственно
22.4. Поплавковые дифманометры
Общая характеристика
Поплавковыми называются жидкостные дифманометры с неподвижными коленами, у которых измеряемый перепад давления уравновешивается столбом манометрической жидкости, а измеряется перемещением поплавка, находящегося в одном из колен дифманометра (рис. 22.9).
Обозначив через H ход поплавка, который равен перемещению уровня жидкости в поплавковом сосуде, через D и d — диаметры поплавкового и непоплавкового сосудов соответственно, получим уравнение измерения поплавкового дифманометра с цилиндрическими коленами (g — ускорение свободного падения).
p1 p2 Hg( 1 2 )(1 D2 / d 2 ). (22.11)
В течение многих лет основными выпускаемыми дифманометрами были именно поплавковые, отличающиеся надежностью в работе и стабильностью показаний.
Подобные же преимущества имеют и электромагнитные методы передачи хода поплавка.
Рис. 22.9. Схема поплавкового дифманометра с цилиндрическими коленами: 1 — механизм, передающий движение от поплавка 3 к стрелке прибора 2; 4 — минусовый поплавковый сосуд; 5 — плюсовой сосуд
Глава 22. Расходомеры и счетчики
22.5. Колокольные дифманометры
Общая характеристика
Колокольный дифманометр состоит из одного колокола (реже двух, подвешенных на коромысле), частично погруженного в жидкость и перемещающегося под влиянием измеряемой разности давлений. Давление р1 подается обычно внутрь колокола, а давление р2 — снаружи, но встречается и обратная подача давлений. При двух колоколах давление р1 подается под один колокол, а давление р2 — под другой.
Рис. 22.10. Колокольный дифманометр
В зависимости от характера противодействующей силы колокольные дифманометры могут быть с гидравлическим, пружинным или грузовым уравновешиванием.
Дифманометр с гидравлическим уравновешиванием показан на рис. 22.10. В нем уравновешивание измеряемого перепада давления достигается за счет уменьшения гидростатического давления жидкости на колокол при его подъеме. Для этого дифманометр должен иметь толстые стенки, а иногда и плунжер посредине, чтобы обеспечить большую площадь поперечного сечения частей, погружаемых в жидкость.
22.6. Деформационные дифманометры
Общая характеристика
Деформационными называются дифманометры, у которых измеряемый перепад давления воспринимается чувствительным элементом (одна или несколько упругих или вялых мембран или сильфонов), уравновешивается упругими силами либо самого элемента при его деформации, либо же дополнительными (чаще всего винтовыми) пружинами и измеряется по величине деформации этого элемента.
Деформационные дифманометры появились позже жидкостных. Их распространение вначале сдерживалось несовершенством упругих свойств мембран и сильфонов и недостаточной надежностью устройств, предохраняющих их от перегрузки.
Мембранные дифманометры типа ДМ
Среди всех разновидностей дифманометров особенно широкое применение в промышленности получили бесшкальные мембранные дифманометры типа ДМ с дифференциально-трансформаторной передачей показаний.
На рис. 22.11 показано устройство дифманометра типа ДМ. Чувствительный элемент дифманометра — мембранный блок, состоящий из двух (иногда четырех) мембранных коробок 4 и 7, которые ввернуты своими основаниями в перегородку 6. Внутренние полости мембранных коробок, сообщающиеся
22.7. Расходомеры переменного уровня
между собою, заполняются через ниппель 20 водным раствором этиленгликоля и после этого ниппель заваривается. Перегородка б вместе с двумя крышками 3 и 19, между которыми она зажимается с помощью муфты 5, образует две полости — нижнюю и верхнюю. В первую подается давление р1 через штуцер 2, а во вторую — давление р2 через штуцер 21. Под воздействием перепада давления нижняя мембранная коробка сжимается и часть жидкости перетекает в верхнюю коробку, вызывая перемещение верхней мембраны и соединенного с ней сердечника 11, который движется внутри диамагнитной разделительной трубки 18. Снаружи послед-
ней находится катушка 17 преобразователя,
Рис. 22.11. Мембранный дифма-
нометр типа ДМ
укрепленная на траверсе 10, которая защи-
щена от случайных ударов щитками 8.
Катушка 17 защищена экраном, состоящим из неподвижного корпуса 16 и подвижного колпачка 15, перемещением которого достигается минимальная нелинейность выходной характеристики, после чего колпачок фиксируется винтами 12. На колпачке сверху укреплены переменное 14 и постоянное 13 сопротивления делителя, обеспечивающего получение стандартного выходного сигнала. Сверху катушка 17 с сопротивлениями закрыта колпачком 9, на котором крепится штепсельный разъем. Дифманометр снабжен уравнительным клапаном 24, клапаном 1 и верхним отверстием у разделительной трубки (закрытым пробкой 22 с резиновым уплотнительным кольцом 23), служащим для выпуска воздуха при заполнении дифманометра жидкостью.
В дифманометрах типа «Сапфир», появившихся позднее мембранных дифманометров ДМ и ДМЭР и очень сильно от них отличающихся, чувствительный элемент — не гофрированная, а плоская дисковая мембрана малого диаметра. Ее деформация преобразуется в стандартный токовый сигнал 0—5 мА с помощью тензорезисторов. Дифманометры «Сапфир» характеризуются высокой точностью и малыми габаритными размерами. Описание других типов дифманометров можно найти в [1].
22.7. Расходомеры переменного уровня
Расходомерами переменного уровня называются приборы, основанные на зависимости между расходом и высотой уровня в сосуде, в который жидкость непрерывно поступает и из которого она вытекает через отверстие в дне или в боковой стенке [13]. Преобразователь расхода в этих расходомерах — сосуд с отверстием истечения. Уровень в нем измеряется непосредственно или косвенным путем. Они применяются не только для измерения расхода жидкостей, вытекающих из трубопровода в открытые емкости, но и в емкости, нахо-
Глава 22. Расходомеры и счетчики
дящиеся под давлением. В первом случае преобразователь расхода — открытый, во втором — закрытый.
Расходомеры могут быть с полностью или с частично затопленным отверстием истечения. У первых это отверстие делается круглым и располагается в дне или иногда внизу боковой стенки сосуда.
22.8. Расходомеры обтекания
Расходомерами обтекания называются приборы, чувствительный элемент которых воспринимает динамическое давление потока и перемещается под его воздействием, причем величина перемещения зависит от расхода [13]. У большинства расходомеров обтекаемое тело (поплавок, диск, поршень) перемещается прямолинейно, обычно вдоль своей вертикальной оси. Но имеется группа приборов, у которых обтекаемое тело (лопасть, диск) поворачивается вокруг оси подвеса. Расходомеры обтекания состоят из следующих трех групп.
1)расходомеры постоянного перепада давления, у которых обтекаемое тело перемещается вертикально, а противодействующая сила создается весом тела;
2)расходомеры с изменяющимся перепадом давления, в которых в большинстве случаев имеется противодействующая пружина и помимо вертикальной может быть и другая траектория перемещения обтекаемого тела;
3)расходомеры с поворотной лопастью. Противодействующая сила в них создается не только весом тела, но во многих случаях еще и пружиной. Кроме того, имеются компенсационные расходомеры с поворотной лопастью, в которых противодействующая сила создается посторонним источником энергии.
Расходомеры постоянного перепада давления
Расходомеры постоянного перепада давления подразделяются на ротаметры, поплавковые и поршневые (или, точнее, золотниковые). Эти приборы (особенно ротаметры) наиболее широко применяются по
сравнению с другими расходомерами обтекания.
100%
3
3
d0
2
2
H
1
1
2
l
0
%
0
1
H
I
Рис. 22.12. Схема ротаметра
Ротаметры
Ротаметр состоит из конической (обычно стеклянной) трубки, расходящейся вверх, внутри которой перемещается поплавок (рис. 22.12). Шкала наносится непосредственно на стеклянную трубку. Длина последней обычно находится в пределах от 70 дo 600 мм, а диаметр от 1,5 до 100 мм.
В ротаметре (рис. 22.12) (так же, как и в преобразователе расхода с сужающим устройством) можно выделить три сечения: 1-1, где начинает сказываться возмущающее действие поплавка на поток; 2-2— узкое кольцевое сечение потока, где
22.9. Тахометрические расходомеры
имеется максимальная скорость; 3-3, в котором кончается возмущающее действие поплавка на поток.
На поплавок снизу действуют три силы: разность статических давлений на носовую и кормовую поверхности поплавка, возникающая вследствие перехода части потенциальной энергии в скорость ΠK в узком сечении 2-2; эта разность равна (р1 — р2) f, где f — площадь наибольшего поперечного сечения поплавка; динамическое давление W потока, определяемое по формуле
W cΠ2 f / 2,
(22.12)
где с — коэффициент сопротивления поплавка; с и х — плотность и характерная скорость потока соответственно; сила трения N потока о поверхность поплавка.
Сумма этих трех сил уравновешивается весом G поплавка
G Vg п ,
(22.13)
где V и сп — объем и плотность материала поплавка (сплошного).
Из уравнения равновесия следует, что
p1 p2 (G W N) / f .
(22.14)
Если пренебречь силами W и N, то получаем, что р1 — р2 = G/f = const. Это послужило основанием считать ротаметр расходомером постоянного перепада давления.
Поплавки и трубки ротаметров. Основные элементы ротаметра — коническая трубка и поплавок — образуют его проточную часть. Формы поплавка могут быть весьма разнообразны. Классическая его форма показана на рис. 22.13.
Серийно выпускаются ротаметры со стеклянной конической трубкой по ГОСТ 13045-81. В зависимости от пределов измерения поплавки изготовляются из стали 12X18 Н9Т, анодированного дюралюминия, эбонита или титана. Каждый ротаметр двукратно градуируется на отметках шкалы: 0, 20, 40, 60, 80, 100.
Рис. 22.13. Поплавок ротаметра
22.9. Тахометрические расходомеры
Тахометрическими называются расходомеры и счетчики, имеющие подвижной, обычно вращающийся элемент, скорость движения которого пропорциональна объемному расходу [13]. Они подразделяются на турбинные, шариковые, роторно-шаровые и камерные.
Измеряя скорость движения подвижного элемента, получаем расходомер, а измеряя общее число его оборотов (или ходов) — счетчик количества (объем или массу) прошедшего вещества.
Турбинные тахометрические расходомеры и счетчики количества могут изготовляться для труб диаметром от 4 мм до 750 мм, для давлений до 250 МПа и температур от 240 °С до +700 °С. У нас турбинные приборы применяются преимущественно для измерения расхода и количества воды, различных неф-
Глава 22. Расходомеры и счетчики
тепродуктов и других жидкостей. Основной недостаток турбинных расходомеров — изнашивание опор, и поэтому они непригодны для веществ, содержащих механические примеси.
Разновидности турбинных преобразователей
Аксиальные турбинки имеют винтовые лопасти с переменным по высоте углом подъема винтовой линии. Попытка применения плоских лопастей при измерении расхода вязких сред привела к ухудшению линейной характеристики. Но при измерении расхода газа и жидкостей с малой вязкостью их применение целесообразно. Схема аксиальной турбинки для труб небольшого диаметра показана на рис. 22.14. Непосредственно на ступице установлены несколько лопастей, которые реализуют значительную часть винтовой линии. Ось турбинки вращается в подшипниках скольжения. В турбинках средних разме-
ров применяют как подшипники скольжения, так
и шарикоподшипники.
Такие счетчики применяются, в частности,
для измерения количества нефти, нефтепродуктов
и других неагрессивных жидкостей. На их основе
разработаны и выпускаются турбинные преобра-
зователи, предназначенные для измерения коли-
Рис. 22.14. Аксиальная тур-
чества газа при давлении от 0,2 до 6,4 МПа, тем-
бинка
пературе от 5 до 80 °С и содержании сероводоро-
да не более 3 % (по объему).
Резко отличен по своему устройству от всех
ранее рассмотренных преобразователей с аксиа-
льной турбинкой безопорный преобразователь,
(рис. 22.15). На оси 4, перпендикулярной к пото-
ку жидкости, укреплены две турбинки и два дис-
ка 3 и 5 с конической боковой поверхностью.
При появлении расхода возникает разность дав-
лений на входе и выходе из преобразователя, ко-
торая приподнимает ось с дисками, и поток, раз-
деляясь на две ветви, вращает обе турбинки со
скоростью, пропорциональной объемному расхо-
ду. Магнитные головки 2, укрепленные на верх-
Рис. 22.15. Безопорный тур-
нем диске 3, при вращении последнего создают в
бинный преобразователь
индукционном преобразователе 1 импульсы тока,
частота которых пропорциональна частоте враще-
ния турбинок.
22.10. Шариковые расходомеры
Шариковыми расходомерами называются тахометрические расходомеры, подвижной элемент которых — шарик — непрерывно движется по кругу. Это движение обеспечивается или винтовым направляющим аппаратом, закручивающим поток, или же тангенциальным подводом измеряемого вещества.
На рис. 22.16 показаны преобразователи расхода шариковых расходомеров. Основное применение из них получил преобразователь с винтовым направляющим аппаратом 1. Поток, закрученный в последнем, приводит в движение ферромагнитный шарик 5 по окружности трубы. Частота вращения шарика по кругу преобразуется в электрический частотный сигнал индукционным или индуктивным преобразователем 2. Ограничительное кольцо 3 удерживает шарик от перемещения вдоль оси трубы. Для выпрямления потока на выходе служат неподвижные лопасти 4.
22.11. Поршневые расходомеры
Рис. 22.16. Преобразователь расхода шариковых расходомеров с винтовым направляющим аппаратом
22.11. Поршневые расходомеры
Поршневые счетчики жидкости ранее применялись для измерения воды. Сейчас благодаря высокой точности измерения (погрешность не более ± 0,5-1 %) они служат главным образом для измерения расхода нефтепродуктов [13].
В топливозаправочных колонках широко применяется четырехпоршневой счетчик бензина (рис. 22.17). В четырехцилиндровом блоке 1 перемещаются четыре поршня, штоки которых 14 через кулисы 17 и ролики 12 приводят во вращение коленчатый вал 11, а вместе с ним золотник 9 и валик 5, связанный со счетным механизмом. Золотник 9, имеющий форму усеченного конуса, расположен в распределительной головке 2 и притерт к опорной поверхности блока 1. Плотность прилегания золотника обеспечивается двумя пружинами: гофрированной цилиндрической 7 с опорным кольцом 6 и расположенной внутри нее винтовой пружиной 4. В положении, показанном на рисунке, жидкость через отверстие 3 начинает поступать к поршню 13, находящемуся в крайнем положении, и продолжает поступать к поршню 15, уже прошедшему половину пути. Одновременно поршни 10 и 16, соединенные штоками с поршнями 13 и 15, перемещают уже отмеренную жидкость через отверстие 8 к выходному штуцеру.
