В системах автоматического регулирования теплоэнергетических установок, в ракетной и авиационной технике, в различных химических процессах массовый расход {М) является основным физическим парамет­ром, определяющим оптимальные режимы работы объектов и качество процессов. В связи с этим в последнее время у нас в стране и за рубежом интенсивно разрабатываются и внедряются различные приборы для изме­рения массового расхода. Развитие этой области расходометрии идет по трем направлениям. Во-первых, объемные расходомеры (переменного пе­репада давления, электромагнитные, турбинные и пр.) снабжаются соот­ветствующими датчиками плотности и корректирующими схемами; во-вторых, создаются приборы, способные непосредственно измерять прямы­ми методами массовый расход благодаря особенностям своего принципи­ального устройства: в-третьих, находят применение комбинированные расходомеры, измеряющие массовый расход косвенными методами пу­тем автоматической обработки результатов прямых измерений связан­ных с ним параметров.

Контрольный вопрос № 14

На показания какого типа расходомеров — ультразвуковых или ЯМР-расходомеров- изменения вязкости измеряемой среды оказывают большее влияние?

Если Вы решите, что на показания ультразвуковых расходо­меров — см. с. 182,   если на показания ЯМР-расходомеров — см. с. 1S6. К контрольному вопросу №13

Вы неправильно ответили на вопрос.

Разберитесь, что происходит с потоком измеряемой среды при ее течении через турбинный датчик, и как „закрутка" пото­ка влияет на показания турбинных расходомеров.

Несмотря на многообразие предложенных принципиальных схем и конструктивных решений, массовые расходомеры прямого действия можно отнести к двум основным видам: инерционным и тепловым. Принцип действия инерционных расходомеров основан на том, что потоку измеряемого вещества сообщается дополнительное движение, чтобы создать в потоке инерционные эффекты, по которым судят о зна­чении массового расхода. В зависимости от того, какое именно дополни­тельное движение сообщается потоку (при помощи вращающегося или колеблющегося звена), на чувствительном элементе прибора возникает или усилие Кориолиса, или гироскопический, или инерционный момент. Принцип действия тепловых расходомеров основан на непрерывном нагреве потока (калориметрические расходомеры) или специального элемента, помещенного в поток (термоанемометры). В первом случае массовый расход определяется количеством тепла, обеспечивающим определенную разность температур потока до и после нагревателя; во втором — количеством тепла, теряемым нагретым или непрерывно на­греваемым телом, помещенным в поток измеряемого вещества.

Массовые турборасходомеры; В турбораеходомерах, реализующих инерционный принцип измерений, закручивай? поток относительно век­тора его актуальной (продольной) скорости.

Момент, необходимый для обеспечения устойчивого вращения по­тока с угловой скоростью <о, определяется (без учета сил гидравличес­кого трения) соотношением

MBp = J-/<o,                            (7.36)

где/ — момент инерции среды.

Учитывая, что dJ = R^drn (RK — радиус инерции; т — масса вра­
щающейся среды) и dm/dt =M (M — массовый расход среды), из выра­
жения (7.36) получим общее для всех турборасходомеров уравнение
для определениям     мвр

При торможении предварительно закрученного потока на тормозя­щее устройство будет действовать момент, соответствующий выражению (7.29), и уравнение приборов, использующих эффект торможения закру­ченного потока, не будет отличаться от выражения (7.37).

Существует большое число различных модификаций турбинных дат­чиков массового расхода, отличающихся способами вращения потока, измеренияМвр и значениямиRH.

Принципиальные схемы датчиков, получивших преимущественное распространение, приведены на рис. 77.

Основным источником методических погрешностей турборасходоме­ров является непостоянство сил трения в их гидравлическом тракте, об­условленное изменениями вязкости, температуры и других параметров измеряемой среды.

Погрешность измерения массового расхода турборасходомерами мо­жет быть доведена до ± (0,5—1,0) % верхнего предела измерений. Повы­шение точности лимитируется трудностями поддержания постоянного числа оборотов ведущей (закручивающей поток) турбинки, нестабиль­ностью характеристик упругих элементов, воспринимающих действие инерционного звена, и изменением КПД приводного двигатедя при изме­нении нагрузки (расхода). Кроме того, на показания турборасходоме­ров (как уже отмечалось выше) влияет изменение параметров измеря­емой среды, а их надежность ограничивается наличием изнашивающихся опор.

Кориолисовые и гироскопические расходомеры. В этих расходоме­рах закручивание и торможение потока производится в помощью враща­ющихся элементов трубопровода сложной конфигурации.

Кориолисовый расходомер (рис. 78) состоит из двух Т-образных участков 2 и б трубопровода, сочлененных при помощи гибких соедине­ний 1 и приводимых во вращение с постоянной угловой скоростью w специальным приводным механизмом. Прибор размещен в корпусе 5 (показан условно). При протекании вещества со скоростью v через вра­щающийся в уплотнительных муфтах 4 элемент трубопровода в потоке возникает направленное против вращения ускорение Кориолиг-а, равное

-Р’кт

 

 

Рис. 77. Принципиальные схемы наиболее распро­страненных датчиков:

а — измеряется мощность, необходимая для за­кручивания потока; б — измеряется момент вра­щения по углу поворота упругой муфты; в — из­меряется момент вращения заторможенной крыль­чатки по углу ее поворота при упругом зацепле­нии; г — измеряется разность углов поворота двух крыльчаток, упруго закрепленных на валу двигателя; д — измеряется относительный угол поворота двух крыльчаток с разными углами по­ворота лопастей; 1 — двигатель; 2 — датчик мощ­ности; 3 — прямолопастная крыльчатка; 4 — уп­ругое соединение валов; 5 — импульсный датчик; 6 — датчик угла поворота; 7 — радиальная крыль­чатка; 8 — спиральная крыльчатка

а — 7ш. Вследствие этого в каждой ветви Т-образного участка создается усилие RK = —m2cjv = —2Mcj(R2
-Ri) и на всем вращающемся участке возникает момент

 = 2R

R-,

 (Rl-R i

(7.38)

В результате действия этого момента Г-образные участки, деформи­руя гибкое соединение /, поворачиваются относительно друг друга на не­который угол а. Угол поворота а преобразуется в электрический сигнал при помощи торсионного датчика 3. Значение этого сигнала пропорцио­нально МК, а следовательно, при постоянной угловой скорости вращения и массовому расходу вещества.

Гироскопический расходомер (рис. 79) состоит из эксцентрично рас­положенных элементов трубопровода сложной конфигурации. Устрой-

 

Рис. 78. Схема кориолисова расходо­мера

Рис. 79. Схема гироскопического рас­ходомера

ство приводится во вращение относительно оси АА с постоянной угловой скоростью. Возникающий при этом гироскопический момент Мт стре­мится повернуть ротор относительно оси ВВ. Величина

Мт
= 2Мы (R2 — R1) Ъ               (7.39)

пропорциональна массовому расходу вещества и преобразуется в соот­ветствующий сигнал с помощью датчиков деформации (например, тензо-метрических).

Относительно невысокая точность кориолисовых и гироскопических расходомеров, характеризуемая-приведенной погрешностью 1—2 %, объ­ясняется большими температурными влияниями на жесткость упругих элементов, их гистерезисом и последействием, а также трудностями под­держания постоянным числа оборотов приводного механизма, особенно при колебаниях расхода. Расходомеры данного типа громоздки, сложны в эксплуатации, требуют специальных вращающихся уплотнительных устройств и большой мощности приводного механизма.

Два последних недостатка отсутствуют у вибрационных расходоме­ров, у которых вращательное движение трубопровода заменяется коле­бательным. Однако точность вибрационных расходомеров получается меньшей.

Преимуществом кориолисовых и гироскопических расходомеров является полная независимость их показаний от вязкости измеряемой среды. Поэтому их целесообразно применять лишь для измерения массо­вого расхода веществ с большим диапазоном изменения вязкости.

Калориметрические и термоанемометрические расходомеры. Бели пренебречь теплом, отдаваемым потоком через стенки трубопровода в окружающую среду, то уравнение теплового баланса Между расходом тепла, потребляемым нагревателем, и теплом, сообщенным потоку, при­нимает вид

qt = k0M.CpAT,          …..           (7.40)

где Аго — поправочный множитель на неравномерность распределения температур по сечению трубопровода; ср — теплоемкость (для газа при постоянном давлении) при температуре 7\ + Т2/2; Т\, Т2 — температу­ры потока до и после нагревателя; AT — Т2 ~ 7\,

Тепло к потоку в калориметрических расходомерах подводится обычно электронагревателями, для которых

«, = 0,24/**.                           (7*0

где / — сила тока; R — сопротивление нагревателя.

На основании выражений (7.40) и (7.41) получим уравнение измере­ний (статическую характеристику преобразования) калориметрических расходомеров

 °24IR                                                            (7.42)

коср
AT

Возможны и существуют два способа измерения массового расхода в соответствии с выражением (7.42) :

расход определяют по значению мощности, потребляемой нагревате­лем и обеспечивающей постоянную разность температур AT;

расход определяют по разности температур AT при неизменной мощ­ности, подводимой к нагревателю.

В первом случае расходомеры работают как регуляторы температу­ры нагрева потока, у которых измерительным и регулирующим элемен­том является уравновешенный мост с термометрами сопротивления до и после нагревателя. При изменении разности температур мост выходит из равновесия и включает устройство, которое изменяет регулировочное сопротивление до тех пор, пока не восстановится заданная степень нагре­ва. Массовый расход при этом определяют по показаниям ваттметра, включенного в цепь нагревателя.

Датчики калориметрических расходомеров второго типа (рис. 80) состоят из двух последовательно соединенных термометров сопротив­ления 1 и 3, устанавливаемых до и после нагревателя 2. Последователь­ное соединение термометров обеспечивает равенство токов в их цепях, что позволяет градуировать их непосредственно по разности температур. Кроме термометров сопротивления используют также термисторы и термопары. Термометры сопротивления обладают тем преимуществом, что их можно выполнять в виде равномерной сетки,.перекрывающей все сечения потока, и таким образом измерять среднюю по сечению темпера­туру.

Калориметрические расходомеры обладают достаточно высокой точ­ностью, оцениваемой (в условиях ин­дивидуальной градуировки) приведен­ной погрешностью ± (0,5—1,0) %, боль­шим диапазоном измерений (10:1 и выше), малой инерционностью.

Недостатками их являются слож­ность   измерительных  схем  и неста-

Рис. 80. Схема калориметрическо-     бильность характеристик, связанная с
го расходомера   коррозией приемных устройств и осаж-

дением на них различных частиц, пере­носимых потоком.

Дачные, приборы можно приме­нять для измерения массового расхода как жидкостей, так и газов. Но в настоящее время ими измеряют, главным образом, малые (в трубках диаметром 2-3 мм) и средние расходы чистых газов.

Статическая характеристика преобразования (уравнение измере­ний) термоанемометров определяется известным уравнением теплофи­зики

qT = 0,24/2/? = (Гн — Тс) (X + V 2«v*   y/’vj^ ),   (7.43)

где Ти — температура тела; Тс — температура потока измеряемой среды; X — теплопроводность среды; с„ — теплоемкость среды при постоянном объеме; d — диаметр нагреваемого тела.

Термоанемометры измеряют „массовую" скорость vp потока в месте установки нагреваемого тела.

В последние годы появились бесконтактные термоанемометрические расходомеры, в которых роль термоэлемента играет изолированный участок трубопровода.

Как видно из уравнения (7.43), „массовую" скорость при помощи термоанемометра можно измерять двумя способами. В одном случае ток, нагревающий приемник, поддерживают постоянным, и скорость оп­ределяют по результатам измерения его температуры. В другом случае ток нагрева регулируют таким образом, чтобы температура приемника оставалась постоянной, а скорость определяют по значению питающего тока. В практике встречаются оба этих способа измерений.

Приемник термоанемометра (термонить) обычно выполняют из пла­тиновой проволоки диаметром 0,005—0,3 мм. Температура термонити должна быть по возможности высокой, так как при ее увеличении по­вышается чувствительность приемника и уменьшается влияние колеба­ний температуры потока. Однако значительное повышение температуры проволоки может вызвать изменение структуры металла и тем самым „снос" градуировочных кривых прибора.

Основным недостатком термоанемометров является существенное влияние на их показания температуры, давления и различных теплофизи-ческих параметров измеряемой среды.

В связи с очень малыми габаритными размерами приемника (термо­нити) приборы получили преимущественное распространение в лабора-торно-зкспериментальной практике при измерении скоростей в тончай­ших пристенных слоях и пленках жидких и газообразных потоков. До появления оптических (лазерных) методов термоанемометры были единственными приборами, позволяющими проводить такие измерения.

Погрешности термоанемометров до’ настоящего времени полностью не изучены, и точность выполняемых с их помощью измерений не норми­руется.

Комбинированные турбопоршневые расходомеры. Одним из приме­ров, иллюстрирующим возможность комбинированного измерения мас­сового расхода, являются турбопоршневые расходомеры, состоящие иэ турбинного с аксиальной крыльчаткой и поршневого преобразователей. Угловая скорость вращения турбинки пропорциональна объемному рас­ходу среды, протекающей по трубопроводу,

<о = кг Q.                           (7.44)

Поршневой преобразователь воспринимает и передает на регистриру­ющий или показывающий прибор гидродинамическое давление потока, действующее наступицу турбинки и равное

 (7.45)

где ки k2 — коэффициенты пропорциональности, в общем случае завися­щие от числа Рейнольдса и конструктивных параметров преобразовате­лей.

Поделив выражение (7.45) на выражение (7.46). т. е. поделив пока­зания поршневого преобразователя на показания турбинного, получим рабочие уравнения измерений турбопоршневых расходомеров. Так, при измерении массового расхода

-,                               (7.46)

О

при измерении плотности протекающей среды

P=Ap^j,                                 (7.47)

р

Используя формулы (7.46) и (7.47), по результатам измерений угловой скорости и гидродинамического давления при известных (опре­деленных в процессе градуировки приборов) коэффициентах Ам и Ар можно рассчитать значения массового расхода и плотности протекающей среды.

Турбопоршневой расходомер (рис. 81) работает следующим обра­зом. Турбинка 11 жестко закреплена на поршне 8, который может пере­мещаться вдоль оси и вращаться относительно неподвижного цилиндра 9, закрепленного в опоре 10. Все детали прибора помещены в корпусе 2.

J //

В цилиндре 9 создается давление, пропорциональное статическому давлению в потоке и гидродина­мическому напору, действующе­му на турбинку 11 и поршень 8 в аксиальном направлении. Это давление по трубке 7, заполнен­ной специальной манометричес­кой жидкостью, передается в од­ну из полостей дифференциаль­ного манометра 5. Во вторую полость дифманометра по труб­ке 4 подается статическое давле­ние,  отбираемое  из кольцевой

Рис. 81. Схема турбопоршневого расходе- камеры 3. Следовательно, диф-
мера                  манометр 5 будет измерять толь-

ко динамическую составляющую давления потока, действующую на поверхность турбинки и выра­жаемую формулой (7.45). Поршневая пара 8-9 имеет микронные зазо­ры, что обеспечивает чисто жидкостное трение в поршневом датчике и весьма малые утечки манометрической жидкости, заполняющей систему дифманометра. Для пополнения утечек в систему введен пресс 6. Угло­вая скорость вращения турбинки измеряется счетным устройством 1. Основными достоинствами турбопоршневых расходомеров явля­ются:

возможность одновременного и комплексного измерения объемно­го, массового расхода и плотности протекающей по трубопроводу среды;

высокая точность измерений, обусловленная объединением в этих приборах двух прецизионных измерительных преобразователей — тур­бинного и поршневого и характеризуемая погрешностями измерений объемного расхода 0,1—0,2 %, массового расхода и плотности 0,3—0,5 %;

отсутствие опор с сухим трением, а следовательно, высокая стабиль­ность и надежность турбопоршневых приборов.

Специфическим недостатком данных расходомеров являются утечки манометрической жидкости в измеряемую среду. Однако эти утечки мо­гут быть сведены к ничтожно малым известными и применяемыми в сис­темах с неуплотненным поршнем конструктивными мероприятиями. При измерении же расхода нефтепродуктов и других жидкостей, кото­рые могут быть использованы в поршневых системах при соответствую­щем подборе материалов поршневых пар в качестве манометрических, этот недостаток вообще не сказывается.

В связи с достаточно высокой точностью и надежностью турбопорш-невые расходомеры используют в настоящее время’ в качестве образцо­вых расходоизмерительных устройств.

Естественно, возможны и другие комбинированные системы для из­мерения массового расхода, например, одновременное использование

сужающего устройства и турбинного датчика и пр. Однако точностные возможности этих систем получаются существенно меньшими.