Системы управления ХТП2

Рисунок 3.3.2 - Схема скоростного счётчика жидкости с винтовой верхушкой

Перед турбинкой со стороны входа жидкости установлен струе ыпрямитель, сос тоящий из нескольких радиально закрепле нных прямых пластин. Конец одной из пластин струевыпря мителя поворачивается вокруг вертикальной оси, образуя лопасть 8, сл ужащую для регулирования счетчика через рычажный привод.

Для каждого счетчика существует оп ределен ный минимальны й расход, ниже которого точность измерения становится весьма низко й. Точная работа счетчика возможна в том случае, когда распределение скоростей по сечению потока соответствует гра дуировочному распределению. Наличие местных сопротивлений (вентилей, колен, задвижек) вблизи прибора вызывает появление дополнительных погрешностей; поэтому при установке прибора нео бходимо предусматривать перед ним прямой участок трубопровода длиной (8 —10) D, а после него – длиной не менее 5D (где D – внутренний диаметр трубопровода).

В зависим ости от способа подвода жидкости к тур бинке счетчики с крыльчатой турбинкой подразделя ются на одноструйные (рис. 17.3, а) и многоструйные (рис. 17 .3, б). В обоих случаях жидкость подводится тангенциально к лопастя м турбинк и.

Рисунок 3.3.3 - Схемы движения жидкости в одноструйном (а) и многоструйном ( б) счётчиках.

40

Счетчики с крыльчатой турбинкой устанавливают на горизонтальных участках трубопроводов. Из-за нед остаточно развитой поверхности струевыпрямителя перед счетчиком и за ним должны быть прямые участки трубы длиной соответственно 30D и 15D. Калибр счетчика может быть меньше диаметра трубопровода. В этом случ ае счетчики устан авливают с коническим переходом. Скоростные счетчики рассчитаны н а рабочее давлен ие жидкости до 0, 98 МПа и температуру до 40 °С. Погрешность счетчик ов в зави симости от расхода ±2 – 5 %.

3.3.2.3 Счетчики для количества газов

Из счетчиков для газов наиболее расп ространены рота ционные счетчики (рис. 17.4). Они предназначены для измерения больших количеств газа. Счетчик состоит из кожуха 2, внутри которого вращаются на параллельных горизонтальных валах роторы 1.

Рисунок 3.3.4 - Принципиальная схема ротационного счетчика

Валы роторов свя заны зубчатыми колесами, находя щимися вне кожуха. От одного из валов вращение передается счетному механизму. Шарикоили роликоподшип ники валов, а также зубчатые колеса находятся в масляных ваннах и заключены в картеры. Тонкий валик, соединяющий вал ротора со счетным механизмом, проходит через сальник в стенке картера. Зазор между роторами и кожухом очень мал (порядка 0,12 мм).

В положении, изображенном на схеме, правый ротор не вращается под действием газа (давления на обе стороны ротора одинаковые). На верхнюю часть левого ротора действует газ с более в ысоким давлением, чем на нижнюю; левый ротор поворачивается, увлекая за собой правый. Когда правый ротор стоит вертикально (а левый горизонтально), то он поворачивает левый. За один оборот обоих роторов объем газа, прошедшего через прибор, равен об ъему измерительной камеры счетч ика.

Перепад давлений газа в счетчике контролир уется ди фференциальным манометром.

41

Ротационные счетчики применяют для измерения расхода газа от 40 до 10 000 м3/ч. Погрешность измерений составляет ±2 – 3 %. Счетчик допускает кратковременную перегрузку до 30 %.

42

3.3.3РАСХОДОМЕРЫ ПЕРЕМЕННОГО ПЕРЕ ПАДА ДАВЛЕНИ Й

Наиболее распространенным м етодом и змерения расхода жидкости, пара и газа является метод переменного перепада давлен ий. Измерение расхода по этому методу основано н а изменении потенциальн ой энергии (статического давления) вещества, протекающег о через местное сужение в трубопроводе. В измерительной технике в качестве сужающих устройств (первичных преобразователей) используют диафрагмы, сопла и сопла Ве нтури.

Стандартная диафрагма – наиболее простое и распространенное сужающее устройство. Ее применяют без индивидуальной градуировки для трубопроводов D > 50 мм при условии, что 0,05 < т < 0,7. Диафрагма представляет собой тонкий диск с круглым концентрическим отверстием (рис. 1), кото рое имеет со стороны вхо да острую цилин дрическую кромку, а далее расточено под углом φ = 30...45°. Входная кромка диафрагмы не должна иметь закруглений, вмятин, зазубрин, заусенцев.

Рисунок 3.3.5 -Диафрагма (стрелкой показано направление потока)

Стандартны е сопла можно применять без индивидуаль ной градуировки в трубопроводах ди аметром D ≥ 50 мм при условии, что 0,05 ≤ т ≤ 0,65 (рис. 2).

Рисунок 3.3 .6 -Сопло для m ≤ 0,444 (вверху – вариант измерения перепада через кольцевые камеры, внизу – через отдельные отверстия)

43

Профильная часть отверстия сопла должна быть выполнена с плавным сопряжением дуг. Поверхность входной части сопла не должна быть ш ероховатой; для цилиндрической части иск лючается конусность. Вых одная кромка цилиндрической части отверстия должна быть острой, без заусенцев, фаски или закругления. Для изготовления сопел обычн о применяют те же матер иалы, что и для диафрагм.

Рисунок 3.3.7 -Длинное (I) и короткое (II) сопло Вентури для т < 0,444

По сравнению с диаф рагмами сопла менее чувствительны к коррозии, загрязнениям и обеспечивают несколько боль шую точность измерения.

Сопла Вентури можно применять без индивидуальной градуировки для трубопроводов диаметром D > 50 мм при одновременном соб людении условия 0,05 ≤ т ≤ 0,6. П рофильную входную часть сопел Вентури выполняют такой же, как у обычного сопла (рис.3). Цилиндрическая средняя часть без сопряжения переходит в конус.

Сопла Вентури могут быть длинными и короткими. Кор откие сопла Вентури пол учили большее распространение, так как они дешевле в изготовлении и монта же, а потеря давления в них почти такая же, как в длинных. Потеря давления в сопле Вентури возрастает с увеличением угла φ и уменьшени м длины конуса. Сопло Вентури следует применять в случаях, когда потеря давления имеет решающее значение.

Диафрагма представляет собо й тонкий диск, установленн ый в трубопроводе так, чтобы отверстие в диске было концентрично внутреннему контуру сечения трубопровод а.

Суж ение потока начинается до диафрагмы; затем на некотором расстоянии за ней благодаря действию сил инерции поток сужается до ми нимального сечения (диаметр d2), а далее постепен но расширяется до полного сечен ия трубопровода. Перед диафрагмой и за ней образуются зоны с вихревым движением, причем зона вихрей за диафрагмой больше, чем перед ней.

Давление потока около стенки трубопровода н есколько возрастает из-за подпора перед диафрагмо й и снижается до м инимума за диафрагмой в наиболее узком сечении потока. Далее по мере расширения струи давление пото ка около стенки снова повышается, но не достигает прежнего значения. Потеря части давления рп определяется главным образом потерей энергии на трение и завихрения.

44

Изменение давления потока по оси трубопровода практически совпадает с изменением давления около его стенки, за исключением участка перед диафрагмой и непоср едственн о в ней, где давление потока по оси трубы снижается (штриховая линия). Разность давлений p'1 – р'2. является перепадом, зависящим от расхода протек ающей через трубопровод среды.

Рисунок 3.3.8 -Характер потока и график распределения статического давления при установке сужающего устройства в трубопроводе

Характер потока и распределение давления одинаковые во всех типах сужающих устройств. Так как струя, протекающая через сопло, почти не отрывается от е го профилированной части, потери на завихрения возникают в основном за соплом, поэтому остаточная потеря давления ри в сопле мень ше, чем в диафрагме. Еще меньше потери давления ри в сопле Вентури, профиль которого близок к сечению потока, проходящ его через сужение.

Из трех типов сужаю щих устройств наиболее часто применяют диафрагму. Уравнения расхода д ля несжимаемой жидкости в объемных (м3/с) и массо-

вых (кг/с ) единицах имеют вид соответственно:

QM =as0 2ρ( P1 −P2 ). (2)

При измере нии расхода сжим аемых сред (газов и паров), особенно при больших перепадах давления в сужающем устройстве, необходимо учитывать уменьшение плотности ρ вследствие понижения давления при прохождении через сужающее устройство, в результате чего массовый расход (а также объемный, отнесенн ый к начальному значению р) несколько уменьшается.

Уравнения расхода для газов и паров в объемных (м3/с) и массовых (кг/с) единицах соответственно:

45

где ε – поправочный множитель на расширение измеряемой среды, называемый коэффициентом расширения; Р1 – плотность среды перед входом потока в отверстие диафрагмы.

Из уравнений (1) и (2 ) следует, что дл я однозначной зависимости расхода от перепада давления на сужающем устройстве необходимо постоянство всех остальн ых величи н, входящих в эти уравнения.

Величина s0 постоянна для каж дого конкретного случая.

Коэффициент расхода α зависит от геометрич еской формы сужающего устройства и физических свойств потока измеряемой среды. Для определения коэффициента расхода ис пользуют теорию подобия, так как для всего многообразия потоков определить α экспериментально практически очень трудно.

Из теории подобия следует, что если потоки геометрически подобны, то при разных числах Рейнольдса для этих потоков коэффициенты расхода равны. Для перенесения результатов измерения одного потока на другой должно быть соблюдено геометрическо е и гидродинами ческое подобие. Для однотипных сужающих устройств геом етрическое подобие достигается равенством величины т и одинако вым соотношением размеров поверхностей, ограничивающих рассматр иваемые потоки. Гидродинамическое подобие потоков достигается равенством чисел Рейнольдса. В общем случае коэффициент расхода для сужающих устройств вы ражается зависимостью a = f (Re, m).

Эксперимент ально установлено, что коэффици ент расхода зависит от характера движения только до определенного значения числа Рейнольдса, выше которого он определяется только величиной т.

На рис. 5 пр иведены диаграммы для определения исходного коэффициента расхода α диафрагм при различных значениях т и числа Рейнольдса.

В общем случае к исходному коэффициенту расхода вносят две поправки – на шероховатость трубы и на затупление вх одной кро мки;

Рисунок 3.3.9 -Зави симость исходного коэффициента расхода для диафрагм от числа Рейнольдса

46

3.3.4РАСХОДОМЕРЫ ПОСТОЯННОГО ПЕРЕПАДА ДАВЛЕН ИЙ

Кприборам постоянного перепада давлений относятся ротаметры, поплавковые и поршневые расходомеры. Наиболь шее применение имеют ротаметры и поплавковые расходомеры , шкалы которых практически равномерны. Их можно испо льзовать для измерения малых расходов; потери давления в них незначительн ы и не зависят от расхода. Ротаметры и поплавковые расходомеры имеют большой диапазон измерения (Qmax/Qmin = 10 : 1).

Проходящий через р отаметр (рис. 1) снизу поток жидкости или газа поднимает поплавок до тех пор, пока расширяющаяся кольцевая щель между телом поплавка и стенками конусной трубки не д остигнет такой ве личины, при которой действующие на поплавок силы уравновешиваются. При равновесии сил поплавок устанавливается на некоторой высоте, зависящей от расхода.

На поплавок ротамет ра сверху вниз действуют две силы: сила тяжести Gп и сила от давления потока на верхнюю плоскость по плавка. Сила тяжести Gп = Vpпg, где V – объем поплав ка; рп – п лотность материала поплавка; g – ускорение свободного падения. Сила от давления потока на вер хнюю п лоскость поплавка

равна p'2 s, где р'2 – среднее давление потока на единицу площади верхней поверхности поплавка; s — площадь наибольшего поперечного сечения поплавка.

Рисунок 3.3.10 -Схема ротаметра

Снизу вверх на поплавок действуют также две силы: сила от дав ления потока на нижнюю плоскость поплавка p'1s и сила трения потоков о поплавок kv"кsб, гд е k – коэффициент сопротивления, зависящий от числа Рейнольдса и степени шероховатости поверхности; vк – средняя скорость потока в кольцевом

канале, охватывающем боковую поверхность поплавка; sб – площадь боковой поверхности поп лавка; п – показатель, зависящий от скорости.

Поплавок уравновешен в случае, если соблюдается равенство:

Vpпg + p'2s = p'1s + kvnk + k vnksб

или:

Если допустить, что v к при все х расходах – вели чина пос тоянная (с увеличением расхода увеличивается площадь ко льцевого канала), то правая часть

47

уравнения (1) будет постоянной, так как остальные величины для данного прибора неизменны. Следовательно, разность давлений на поплавок р'1 – р'2 = const, т. е» ротаметр является прибором постоянного перепада давления.

Уравнение расхода:

Q = asк k,

где = a - коэффициент расхода; SК – площадь кольцевого отверстия, образованного конусной трубкой и верхней частью поплавка.

Эта зависимость линейна, поэтому шкала ротаметра равномерная. Коэффициент расхода а для ротаметров зависит от большого числа вели-

чин, которые, как правило, не поддаются аналитическому определению, поэтому ротаметры градуируют экспериментально. Для экспериментальной градуировки ротаметров, предназначенных для измерения расхода жидкостей или газов, применяют в качестве градуировочной среды воду или воздух. Экспериментальная градуировка шкалы ротаметра точна лишь в том случае, если при эксплуатации значения всех величин, входящих в уравнение расхода, соответствуют градуировочным условиям. Изменение температуры потока меняет плотность среды и ее вязкость, а следовательно, и коэффициент расхода. В еще большей степени будут изменяться величины, входящие в уравнение расхода, в случае, если ротаметр применяют для измерения расхода среды, отличающейся от градуировочной. В обоих случаях показания прибора необходимо умножать на поправочный коэффициент.

Ротаметр со стеклянной трубкой (рис. 2) состоит из конической трубки 1, закрепленной в двух металлических головках 2 и 3, снабженных сальниками и фланцами для монтажа в вертикальном трубопроводе. Головки соединены несколькими тягами 4, образующими вместе с поперечинами 5 защитную решетку вокруг стеклянной трубки. Внутри трубки 1 свободно перемещается поплавок 6, имеющий форму волчка. В нижней головке имеется седло, на которое опускается поплавок при прекращении потока. Верхняя головка снабжена ограничителем хода поплавка. Седло и ограничитель хода не позволяют поплавку выйти за пределы стеклянной трубки. Шкала 7 прибора вытравлена на поверхности стеклянной трубки; отсчет ведут по верхней горизонтальной плоскости поплавка.

В верхней части поплавка иногда делают косые прорези (см. рис. 20.1), благодаря чему поплавок вращается вокруг вертикальной оси. При вращении поплавок центрируется внутри трубки, не соприкасаясь со стенками; его чувствительность повышается. По вращению поплавка можно определить состояние прибора (отсутствие трения и засорения).

48

Рисунок 3.3.11 - Ротаметр со стеклянной конусной трубкой

Ротаметры со стеклян ной труб кой изготовляют на давление жидкости или газа не более 0,58 МПа. При более высоких давле ниях жидкости или газа, а также дл я измерения расхода пара применяют рота метры с м еталлической конусной трубкой. Показания такого прибора снимают при пом ощи указателя, соединенного с поплавком стержнем.

Рассмотренные ротаметры имеют недостатки: невозмож ность регистрации показани й и передачи их на расстояние; н едостаточная четкость шкал приборов.

Рисунок 3. 3.12 - Схема попл авкового расходомера с дифференциальнотрансформаторны м датчик ом

Приборы с металлической трубкой с электрической или пневматической передачей показаний на расстояние не имею т этих недостатков. Измерительное устройство поплавкового расходомера не отличается от описанных измерительных устройств показывающих ротаметров.

49