ния. Так как сечение этих сосудов велико, вытекание из них конденсата мало изменит его уровень, так что перепад ∆рд измеряемый дифманрметром, можно считать равным перепаду ∆р в сужающем устройстве.

При измерении расхода пара дифманометр следует располагать ниже сужающего устройства 1 и уравнительных сосудов 2 (рис. 3.56, а) для облегчения удаления воздуха из соединительных линий. Допускается дифманометр располагать выше сужающего устройства, но в верхней точке соединительных линий в этом случае необходимо устанавливать газосборники 5 (рис. 3.56, б), позиции 3,4 — запорные и продувочные вентили.

5.2. Расходометры постоянного перепада давления

Ротаметры

Наиболее распространенными представителями расходомеров постоянного перепада являются ротаметры. Ротаметры используются в промышленных и лабораторных условиях для измерения небольших объемных расходов жидкостей (верхние пределы от 0,002 до 70 м3/ч) или газов (верхние пределы от 0,05 до 600 м3/ч) в вертикальных трубопроводах диаметром 3...150 мм.

Ротаметры обладают рядом достоинств: простота устройства; возможность измерения малых расходов однофазных жидкостей и газов в трубопроводах малых диаметров; высокая точность при индивидуальной градуировке прибора; малая потеря давления; практически равномерная шкала; динамический диапазон Gв.п / Gн.п достигает десяти.

Недостатками ротаметров являются необходимость установки только на вертикальных участках трубопроводов; трудности дистанционной передачи показаний и записи; непригодность для измерения расхода сред с высокими давлением и температурой.

Рис 3.57. Схема ротаметра:

1 — стеклянная трубка; 2 – поплавок

В простейшем виде ротаметр представляет собой вертикальную коническую (расходящуюся вверх) стеклянную трубку 1 (рис. 3.57), внутри которой располагается поплавок 2. Поплавки могут иметь различную форму. Одна из форм — цилиндрическая с нижней конической частью и верхним бортиком с вырезанными на нем косыми канавками. Контролируемая среда при протекании

через эти канавки обеспечивает вращение поплавка, при этом он центрируется по оси трубки и устраняется его трение о стенки.

Между бортиком поплавка и стенкой трубки образуется кольцевой зазор fк, при прохождении через который поток сужается, скорость его растет, возникает разность меду давлением в сечении АА до начала сужения и давлением в самом

80

узком сечении ВВ кольцевой струи. С подъемом поплавка площадь fк увеличивается.

Принцип действия ротаметра основан на уравновешивании при любом расходе силы тяжести поплавка силами, действующими на него со стороны жидкости. При этом вертикальное положение поплавка будет однозначно связано с расходом.

Основная погрешность ротаметров обычно равна ±(2...3) %, при индивидуальной градуировке она может быть уменьшена до ±(0,5…1) %. Обычно нижний предел измеряемого расхода ротаметра Gн.п. составляет 0,1 от верхнего предела Gв.п. Важным отличием ротаметров от других типов расходомеров является незначительная и почти постоянная в рабочем диапазоне потеря давления. У стандартных расходомеров она не превышает 10 кПа для жидкостных приборов и 5 кПа для газовых.

Тахометрические счетчики и расходомеры

Тахометрическими называются расходомеры, в которых скорость движения рабочего тела пропорциональна объемному расходу измеряемой среды. В большинстве случаев рабочее тело — преобразователь расхода (крыльчатка, турбинка, шарик и т.п.) — под воздействием потока вращается. В зависимости от устройства рабочего тела тахометрические расходомеры подразделяются на крыльчатые, турбинные, шариковые, камерные, кольцевые и др.

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 вторичным прибором. 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 либо измерителями температуры и давления, либо плотномерами, вычислительными устройствами.

Тахометрические расходомеры обладают следующими положительными чертами: широкий динамический диапазон; высокая точность, получаемая за счет индивидуальной градуировки приборов; простота получения и съема показаний. К числу их недостатков относятся значительная потеря давления, требования к длинам линейных участков до (свыше 10D) и после (более 3D) счетчика, износ подшипников при наличии загрязнений в воде и газах, ограничения по диаметру трубопровода.

Крыльчатые и турбинные расходомеры применяются для измерения расхо-

да различных жидкостей за исключением очень вязких и загрязненных, поскольку для них важной является смазывающая способность измеряемой среды. Для измерения расхода газа турбинные расходомеры применяются реже. Это

81

связано с тем, что из-за малой плотности газа достаточно большой вращающий момент получается только при больших расходах, что уменьшает диапазон измерения расходомера и повышает порог чувствительности. Кроме того, в газовой среде ускоряется износ подшипников.

Рис. 3.58. Устройство турбинных преобразователей расхода: а — че-

тырехлопастная турбина; б — турбина однострунных водосчетчиков; 1

— корпус; 2, 3 — струевыпрямители; 4 — турбинка; 5 — тахометрический преобразователь

При диаметрах трубопроводов от 15 до 40 мм применяются крыльчатые расходомеры, а от 50 до 250 мм — турбинные. На рис. 3.58, 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 осью, на которой расположена турбинка 4. В расходомерах частота вращения турбинки, пропорциональная объемному расходу, с помощью тахиметрического преобразователя 5 преобразуется в частоту импульсов выходного сигнала. При известной цене импульса их суммарное число определяет объемный расход на интервале времени. Импульсный сигнал с помощью специальной схемы преобразуется в аналоговый выходной сигнал. В счетчиках количества число оборотов турбины, пропорциональное количеству протекшего вещества, измеряется счетным механизмом, соединенным с осью турбинки шестеренчатым редуктором и магнитной муфтой. Если редуктор находится в воде, то счетчик называется мокроходным, если редуктор вынесен из воды, то счетчик является судоходным. В основном используются последние.

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 (рис. 3.58, а). 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. 3.58, б показана турбинка серийно выпускаемых одноструйных водосчетчиков.

При незначительных нагрузках на турбинку ее частота вращения ω пропорциональна объемному расходу G0. Однако на характер этой зависимости влияют вязкость v и плотность р измеряемой среды, момент сопротивления Мс от трения в опорах и реакции тахометрического преобразователя частоты вращения (см. рис. 3.58, а поз. 5) или механического счетчика, конструктивные параметры турбинки. С увеличением вязкости и снижением числа Re коэффициент преобразования ω/G0 турбинного преобразователя уменьшается.

82

Зависимость показаний турбинных расходомеров от вязкости контролируемой среды является их существенным недостатком. Влияние момента сопротивления Мс наиболее сильно проявляется при уменьшении измеряемых расходов, так как вращающий момент снижается в большей степени, чем Мс. Это обстоятельство сужает диапазон измерения и обусловливает большую погрешность измерения на начальном участке диапазона.

В расходомерах для возможности бесконтактного измерения скорости вращения турбинки ее лопасти либо изготавливаются из ферромагнитного материала, либо на крыльчатке устанавливаются отметчики из этого материала. Среди бесконтактных преобразователей (см. рис. 3.58, а поз. 5), преобразующих скорость вращения турбинки в электрический сигнал, наибольшее распространение получили магнитоиндукционные типы. Такой преобразователь (рис. 3.59, а) представляет собой катушку 1 с большим числом витков, внутрь которой вставлен магнит 2. Оси катушки и магнита располагаются перпендикулярно к оси немагнитной трубы 3. При прохождении ферромагнитной лопа-

сти 4 турбинки (или отметчика) мимо магнита происходит изменение магнитного поля, что вызывает появление импульса ЭДС (меандра) в обмотке.

Рис.3.59. Схема электрических бесконтактных преобразователей турбинных расходомеров:

а — магнитоиндукционного: 1— катушка; 2 — магнит; 3 — немагнитная труба; 4 — ферромагнитные допасти; б — диф- ференциально-трансформаторного; 1, 2 —

первичнаяивторичнаяобмотки; 3 — подвижныйсердечник; 4 — сердечник

Шариковыми называются тахометрические расходомеры, подвижным элементом которых служит 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. 3.59, 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.

83

Для небольших расходов применяется конструкция, представленная на рис.

Рис. 3.60. Схема шариковых преобразователей расхода:

а, б — для больших и малых расходов; 1 — формирователь потока; 2 — шарик; В — ограничительное кольцо; 4 — струевыпрямитель; 5 — тахометрический преобразователь

3.60, 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 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 (см. рис. 3.60, а).

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), их основная погрешность составляет ±(1,5...2,5) %.

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 большинстве случаев для измерения расхода газа и нефтепродуктов применяются камерные счетчики. Достоинствами их является высокая точность измерения, составляющая ±(0,2...1) % для жидкостей и ±(1...1,5) % для газов, достаточно большой диапазон измерения и слабое влияние вязкости среды. Последнее обстоятельство позволяет применять камерные счетчики для жидкостей вязкостью до 3 · 10-4 м2/с.

Один из приборов камерного типа — счетчик жидкости с овальными шестернями. Такой счетчик предназначен для измерения количества жидкостей, имеющих вязкость от 55 · 10-6 до 3 · 10-4 м2/с (0,55...300 сСт), температуру от – 40 до 120 °С и давление до 64 кгс/см2 в трубах диаметром до 100 мм. Такой счетчик имеет основную погрешность ± 0,5 %. Схема преобразователя с овальными шестернями показана на рис. 3.61.

Рис. 3.61. Схема счетчика с шестернями

84

В положении шестерен по рис. 3.61, а под действием разности давлений р1— р2 возникает момент, вращающий левую шестерню против часовой стрелки. При этом правая шестерня будет ведомой и за счет зубчатого сцепления будет поворачиваться по часовой стрелке. Через половину оборота шестерни установятся в положение рис. 3.61, б. Тогда вращающий момент будет создаваться на правой шестерне, левая становится ведомой. За полный оборот измерительные камеры (на рис. 3.61 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 диффе- ренциально-трансформаторного преобразователя скорости. Изменение вязкости жидкости может увеличить погрешность счетчика.

Электромагнитные расходомеры

Принцип действия электромагнитных расходомеров основан на законе электромагнитной индукции, в соответствии с которым в электропроводной жидкости, пересекающей магнитное поле, индуцируется ЭДС, пропорциональная скорости движения жидкости. В настоящее время электромагнитные расходомеры это самые распространенные приборы для измерения расхода воды в трубопроводах диаметром менее 250 мм. Что объясняется их следующими положительными чертами:

показания не зависят от вязкости и плотности среды;

динамический диапазон достигает 100 и более;

преобразователи расхода являются безынерционными;

у других расходомеров, поэтому требуемая длина прямых участков для них минимальная;

электромагнитные расходомеры применяются на трубопроводах диамет-

затруднено или невозможно вовсе: при измерении расхода агрессивных, абразивных и вязких жидкостей, пульп, жидких металлов.

К числу недостатков электромагнитных расходомеров следует отнести требования к минимальному значению электропроводности измеряемой среды, что сужает круг использования таких расходомеров. Другой недостаток расходомеров — низкий уровень информативного сигнала (мкВ) и необходимость тщательной защиты преобразователя и линий связи от внешних помех.

Принципиальная схема первичного преобразователя электромагнитного расходомера показана на рис. 3.62, а. Рабочий участок трубы преобразователя 1, изготовленный из немагнитного материала и покрытый изнутри электрической

85

изоляцией 2 (резиной, эмалью, фторопластом и т.п.), расположен между полюсами электромагнита. Через стенку трубы изолированно от нее, по диаметру введены электроды 5, находящиеся в электрическом контакте с жидкостью. Силовые линии магнитного поля направлены перпендикулярно плоскости, проходящей через ось трубы и линию электродов.

Рис. 3.62. Схема преобразователей электромагнитных расходомеров:

а — с внешним магнитом: 1

— преобразователь; 2 — электрическая изоляция; 3 — электроды; б — с внутренним магнитом: 1 — обтекаемый корпус; 2 — магнит; 3

— электроды; 4 — кабель

В качестве примера на рис. 3.62, б представлена схема электромагнитного преобразователя скорости с цилиндрическим магнитом. Основными элементами преобразователя являются обтекаемый корпус 1, магнит 2 в форме цилиндра и электроды 3. В простейшем случае электроды привариваются к внутренней поверхности корпуса в диаметрально противоположных точках и выводятся из корпуса с помощью кабеля 4. При обтекании преобразователя жидким металлом между электродами появляется разность потенциалов, пропорциональная скорости металла.

Ультразвуковые расходомеры

Принцип действия ультразвуковых расходомеров основан на измерении зависящего от расхода того или иного акустического эффекта, возникающего при прохождении ультразвуковых колебаний через контролируемый поток жидкости или газа.

Основные трудности использования ультразвукового метода связаны с тем, что скорость ультразвука в среде зависит от физико-химических свойств последней: температуры, давления, и она значительно больше скорости среды, так что действительная скорость ультразвука в движущейся среде мало отличается от скорости в неподвижной среде. Разность времен прохождения ∆τ равна 10-6...

10-7 с даже при скоростях потока 10... 15 м/с, причем измерять ∆τ нужно с погрешностью 10-8...10-9 с. Эти обстоятельства обусловливают необходимость применения сложных электронных схем в сочетании с микропроцессорной техникой, обеспечивающих компенсацию влияния перечисленных факторов.

Расходомеры по конструктивному исполнению подразделяются на одно- и двухканальные. В одноканальной схеме (рис. 3.63, а) каждый пьезоэлемент работает попеременно в режиме излучателя и приемника, что обеспечивается системой переключателей. Для увеличения чувствительности ход луча в среде может быть увеличен применением рефлекторов (рис. 3.63, б).

Чувствительность ультразвуковых, преобразователей также растет с

86