10211
.pdf
крыльчатки и составляет v1, м/мин.
ка vвоз определяется по формуле:
vвоз
Таким образом, скорость воздушного пото-
|
30 v |
|
|
|
|
1 |
. |
(2.17) |
|
60 |
||||
|
|
|
Чашечные анемометры Робинзона (рис. 2.10в) и Петерсена (рис. 2.10г)
имеют крыльчатку, которая представляет собой радиально расположенные в горизонтальной плоскости стержни, укрепленные на вертикально стоящей оси.
К концу стержней присоединены полусферические чашки, которые под дей-
ствием воздушного потока приводят в движение ось, сообщающуюся со счет-
чиком оборотов. Чашечные анемометры предназначены для измерения боль-
ших скоростей движения воздуха, чем крыльчатые (1-12 м/с). Анемометры данных конструкций в настоящее время широко применяются при измерении метеорологических данных.
Статические анемометры имеют принцип действия основанный на вы-
числении скорости воздушного потока по данным об отклонении пластины или шара от их первоначального положения. На точность измерений, получаемых данными анемометрами, значительно влияет плотность воздуха, что позволяет их использовать только для сравнительно грубых измерений.
Одним из примеров статического анемометра является анемометр А.
Вильда (рис. 2.10з), который состоит из рамы с установленной качающейся пластиной. В верхней её части установлен указатель, который при отклонении пластины под действием ветрового потока указывает на величину скорости по-
тока, отсчитываемую на циферблате.
Статический анемометр Вольперта (рис. 2.10ж) снабжен крыльчаткой, ось которой сдерживается пружиной. При воздействии воздушного потока крыль-
чатка отклоняется на определенный угол поворота ψ, град, указываемый стрел-
кой на циферблате, нанесенной на кольце окружающем крыльчатку. Скорость воздушного потока определяется по формуле:
|
|
|
|
vвоз a , |
(2.18) |
||
где a – переводной коэффициент, для приведенного прибора a = 0,06. 41
Анемометр Далоза (рис. 2.10и) более чувствителен, чем анемометр Виль-
да и представляет собой флюгер, на верхнем конце которого подвешен легкий алюминиевый маятник, качающийся вдоль нижней изогнутой стороны флюгера с нанесенными на ней делениями. Прибор сам ориентируется по направлению ветра. Шар прибора подвешен на уравновешенном стержне. Перемещение шара по дуге шкалы прибора показывает значение измеряемой скорости, которая подчиняется следующей зависимости:
vвоз
v |
пр |
tg |
|
|
,
(2.19)
где vпр – предельная скорость падения шара, м/с; α – угол отклонения подвеса шара от вертикального положения, град.
Электроанемомеры (или термоэлектрические анемометры, рис. 2.10к)
имеют принцип работы, основанный на определении изменения электрического сопротивления горячей проволоки при действии на неё потока воздуха [14].
Современные электроанемометры имеют чувствительный элемент, пред-
ставляющий собой обогреваемую струну, состоящую из двух термосопротив-
лений, одно из которых помещено в воздушный поток. Термосопротивление,
помещенное в поток, подогревается электрическим током, для поддержания по-
стоянной разности температур между сопротивлениями. Второе сопротивление находится вне потока и воспринимает температуру окружающей среды. Вели-
чина тока является пропорциональной измеряемой скорости потока. Сигналы с первичного преобразователя (обогреваемой струны) поступают на вход изме-
рительного блока прибора, где преобразуются в цифровой код, который в чис-
ленном виде выводится на монитор прибора.
Существующие в настоящее время электроанемометры способны изме-
рять скорость движения воздуха в широком диапазоне, от 0 до 40 м/с, цена де-
ления шкалы электроанемометра может составлять от 0,01 до 0,10 м/с при по-
грешности измерения ±0,03-0,2 м/с. Приведенные метрологические характери-
стики электроанемометров выше, чем у динамических и статических, что поз-
воляют проводить более точные измерения.
42
Рис. 2.10. Внешний вид анемометров: а – Комба; б – Казелли; в – Шульц-Фюсса с крыльчаткой Робинзона; г – Петерсена; д – Рекнагеля; е – Ришара; ж – Вольперта; з – А. Вильда; и – Далоза; к – электроанемометр
43
2.3.2. Расходомеры
Расходомер – это прибор для измерения массового или объемного расхо-
да воды или газа, проходящего через его сечение в единицу времени. Расходо-
мер, одновременно фиксирующий количество проходящего вещества, называ-
ется счетчиком расходомером. Наибольшее распространение приборы для из-
мерения расхода получили в узлах учета потребления тепловой энергии систем теплоснабжения зданий, а также индивидуального (квартирного) и коммерче-
ского учета расхода воды систем горячего и холодного водоснабжения.
По принципу действия расходомеры подразделяются на: объемные; ско-
ростные; переменного перепада давления; постоянного перепада давления; уль-
тразвуковые; электромагнитные.
Объемный расходомер (рис. 2.11а) являются простейшими устройствами для измерения расхода жидкости. Данные устройства состоят из двух одинако-
вых калиброванных сосудов (мерников) 3, которые поочередно заполняются измеряемой жидкостью из трубопровода и опорожняется в расходный бак 1. Из расходного бака жидкость поступает к потребителю. Мерники представляют собой стеклянные сосуды с отметками, нанесенными на их стенки. Мерники большого объема называются мерными баками и имеют указатели 2 в виде во-
домерных стекол, по шкале которых отсчитывают объем жидкости. Принцип действия объемного расходомера заключается в следующем: жидкость, запол-
няющая объем бака до определенного уровня, приводит в движение детали из-
мерительного прибора, связанного со счетчиком. Счетчик фиксирует число за-
полнений известного объема, а, следовательно, и общее количество пропущен-
ной жидкости. Баки 3 заполняются попеременно посредством открытия и за-
крытия вентилей 4, 6.
В качестве скоростного расходомера (рис. 2.11б) рассмотрим механиче-
ский крыльчатый счетчик горячей и холодной воды [15]. Принцип его работы аналогичен действию динамического анемометра. Через входной патрубок 2 в
расходомер поступает вода, проходящий поток которой крутит крыльчатку 3.
44
Крыльчатка приводит в движение ось 4, которая через шестеренки передает число оборотов крыльчатки на измерительный прибор. Счетчик суммирует по-
казания измерительного прибора за период измерения. Изменение расхода воды фиксируется на приборной шкале.
Работа расходомеров переменного перепада давления основана на изме-
рении перепада давления на дросселирующем устройстве. Зная перепад давле-
ния на дросселирующем устройстве и гидравлические характеристики дроссе-
ля, можно определить объемный расход проходящего через него вещества L,
м3/ч, по формуле [8]:
L
A d 2
p 
,
,
(2.20)
где A – коэффициент, учитывающий ускорение силы тяжести и соотношения единиц измерения; α – коэффициент расхода дросселирующего устройства,
учитывающий неравномерность распределения скорости движения вещества в сечении потока; ε – поправка на расширение измеряемой среды при прохожде-
нии через дросселирующее устройство, для жидкостей ε = 1; d – диаметр дрос-
селирующего устройства, мм; p – перепад давления на сужающем устройстве,
кгс/м2; γ – удельный вес измеряемой среды, кгс/м3.
Наибольшее распространение получили диафрагменные расходомеры пе-
ременного перепада давления, принципиальная схема одной из конструкций которого, для измерения расхода пара, приведена на рисунке 2.11в. Импульс-
ные трубки 10 при измерении расхода пара заполняются водой в результате конденсации пара, поступающего из паропровода. Между диафрагмой 5 и им-
пульсными трубками устанавливают конденсационные сосуды 2, 3. Конденсат пара образуется в сосудах и заполняет трубки, начиная от уровня в сосудах по-
плавкового дифманометра. Излишек конденсата сливается обратно в трубопро-
вод. Диаметры сосудов дифманометра отличаются, более высокое давление по-
дается на так называемый плюсовой сосуд 7, а более низкое на минусовой 6.
Соотношение диаметров сосудов подбирается таким образом, чтобы при раз-
ных пределах измерения уровень ртути в плюсовом сосуде изменялся на одну и
45
ту же величину. На поверхности ртути плавает металлический поплавок, кото-
рый меняет свое расположение одновременно с изменением уровня ртути. Пе-
ремещение поплавка передается на измерительную стрелку 8 через механиче-
скую передачу, измеренный расход пара отображаются на шкале 9.
К расходомерам постоянного перепада давления относятся ротаметры поршневого и поплавкового типа. Поплавковый ротаметр, схема которого представлена на рисунке 2.11г, представляет собой вертикальную конусную трубку 4, в которой установлен поплавок 3. Между поплавком и трубкой име-
ется зазор, через который снизу вверх проходит жидкость, расход которой из-
меряется. Давление на поплавок снизу больше, че сверху. При подъеме поплав-
ка зазор увеличивается, так как трубка имеет коническое сечение, перепад дав-
лений уменьшается. Поплавок становится на том уровне в трубке, при котором его вес буде уравновешен перепадом давления. Чем больше расход, тем выше поднимается поплавок. Значение расхода отсчитывают по положению поплавка относительно шкалы 1, нанесенной непосредственно на стенке стеклянной трубки. Ротаметр может работать только в вертикальном потоке.
При невозможности размещения поплавкового расходомера на верти-
кальном участке трубопровода его могут заменить на поршневой расходомер постоянного перепада давления, который может быть установлен на горизон-
тальный участок. Принцип действия поршневого расходомера основан на урав-
новешивании силой, возникающей в результате перепада давлений на проход-
ном отверстии прибора веса поршня. Площадь сечения этого отверстия изме-
няется в зависимости от положения поршня. Поршневые расходомеры просты в конструкции, но чувствительны к загрязнению трущихся поверхностей, кото-
рое может привести к загрязнению поршня.
Современные технологические процессы предъявляют все более высокие требования к приборам измерения расхода, а именно: повышенная точность измерений; возможность работы при высоких температурах и давлениях; рас-
ширение пределов измерения; снижение давлений на дросселирующих устрой-
ствах. Рассмотренные выше виды расходомеров не всегда удовлетворяют всем
46
этим требованиям, тогда используют расходомеры, принцип работы которых основан на использовании физических законов, связанных с ультразвуковыми сигналами и электромагнитными полями.
Ультразвуковые расходомеры (рис. 2.11д) работают следующим образом.
Ультразвуковой сигнал, излучаемый одним преобразователем 1, проходит через движущуюся по трубе жидкость и воспринимается вторым преобразователем 2.
При движении жидкости происходит снос ультразвуковой волны, который при-
водит к изменению времени распространения ультразвукового сигнала. При движении сигнала по потоку жидкости время прохождения сигнала уменьшает-
ся, а при движении против потока жидкости – увеличивается. Разность показа-
ний времени прохождения ультразвукового сигнала по потоку и против потока пропорциональна скорости движения жидкости, а при известном диаметре тру-
бопровода и объемному расходу L, м3/ч, значения которого определяются по результатам расчетов во вторичном преобразователе 3. Преобразователи уль-
тразвукового сигнала устанавливают под углом α = 20-70 град.
Принцип действия электромагнитного расходомера (рис. 2.11е) основан на законе электромагнитной индукции, согласно которому в электропроводной жидкости, которая движется в магнитном поле, индуцируется электродвижу-
щая сила (ЭДС), пропорциональная скорости движения данной жидкости. Схе-
ма работы электромагнитного расходомера показана на рис. 2.11е. Участок трубопровода, на который устанавливается преобразователь, изготавливается из немагнитного материала и покрывается изнутри электрическим изолятором.
Трубопровод помещен между полюсами электромагнита. В корпус трубы вве-
дены электроды 2, 3, находящиеся в электрическом контакте с жидкостью. Си-
ловые линии магнитного поля направлены перпендикулярно плоскости, прохо-
дящей через ось трубы и линию электродов. При осесимметричном профиле скоростей в жидкости между электродами наводится ЭДС, которая прямо про-
порциональна объемному расходу жидкости, расчет значений которого прово-
дится во вторичном преобразователе 4.
47
Рис. 2.11. Расходомеры. Объемный (а): 1 – расходный бак; 2 – водоуказательные стекла; 3 – мерные баки; 4, 6 – вентили; 5 – подающая труба; 7 – слив. Скоростной (б): 1 – корпус; 2, 3 – патрубки; 4 – ось; 5 – крыльчатка. Диафрагменный (в): 1, 4 – соединительные трубки; 2, 3 – конденсационные сосуды; 5 – диафрагма; 6, 7 – минусовой и плюсовой сосуды; 8 – стрелка; 9 – шкала; 10 – импульсные трубки. Поплавковый (г): 1 – шкала; 2, 3 – поплавок в сборе; 4 – конусная трубка. Ультразвуковой (д): 1, 2 – преобразователи; 3 – вторичный преобразователь; 4 – кабели. Электромагнитный (е): 1 – труба; 2, 3 – электроды; 4 – вторичный преобразователь; 5, 6 – полюса магнита.
48
2.4. Приборы для измерения давления
Контроль над протеканием большинства технических процессов в тепло-
энергетике связан с измерением давления или разности давлений газовых и жидких сред. При измерениях различают абсолютное pа, Па, избыточное pизб,
Па, и вакуумметрическое pвак, Па, давление. Под абсолютным давлением пони-
мают полное давление, равное сумме атмосферного давления и избыточного:
pа = pизб + pат, |
(2.21) |
где pат – атмосферное давление, Па.
Понятие вакуумметрического давления вводится при измерении давле-
ния, величина которого ниже атмосферного: pвак < pат. Приборы, предназначен-
ные для измерения давления и разности давлений, называют манометрами.
К манометрам относятся следующие приборы: барометры; манометры избыточного давления; вакуумметры; манометры абсолютного давления. По принципу действия манометры подразделяются на: жидкостные; деформацион-
ные; электрические; ионизационные; тепловые и пр. Устройство приборов из-
мерения давлений разнообразно, рассмотрим конструкцию и принцип работы некоторых из них.
2.4.1. Двухтрубные жидкостные манометры
Принципиальная схема двухтрубного дифференциального манометра,
также называемого U-образным, представлена на рисунке 2.12а. Две верти-
кальные сообщающиеся стеклянные трубки 1, 2 закреплены на металлическом или деревянном основании 3, к которому прикреплена пластина с нанесенной шкалой 4. Трубки заполнены рабочей жидкостью до нулевой отметки. Трубка 1
находится под измеряемым давлением, а трубка 2 сообщается с атмосферой.
При измерении разности давлений к трубкам 1, 2 подводят измеряемые давления.
Величина измеряемого давления, или перепада давлений определяется по следующей зависимости:
p1 p2 gh, |
(2.22) |
49
h |
|
1 |
|
g( p |
|
|
|
|
1 |
||
|
|
|
|
p |
2 |
) |
|
|
,
(2.23)
где ρ – плотность рабочей жидкости, кг/м3; g – ускорение свободного падения, м/с2.
В качестве рабочей жидкости может быть использована вода, ртуть,
спирт, трансформаторное масло и др. Двухтрубные манометры с водяным за-
полнением применяются для измерения давления, разряжения, разности давле-
ний воздуха и неагрессивных газов в интервале ±10 кПа, а при использовании в качестве рабочей жидкости ртути – до 0,1 мПа.
2.4.2. Микроманометры
Для измерения давления и разности давлений до 3 кПа, как правило, ис-
пользуются приборы называемые микроманометрами. Известны различные конструкции микроманометров, это дифференциальный манометр Рекнагеля,
тягомер Крелля, микроманометр Фюсса [8] др. Наибольшее распространение в нашей стране получили лабораторные микроманометры типа ММН с наклон-
ной измерительной трубкой, принципиальная схема которых представлена на рис. 2.12б. Показания манометра определяются высотой столбика рабочей жид-
кости по шкале измерительной трубки 1. Трубка имеет наклон, под углом α.
Величина измеряемого давления определяется по формуле [3]:
|
|
f |
|
|
p1 p2 |
gn |
|
sin , |
(2.24) |
|
||||
|
F |
|
|
|
где f, F – площади поперечного сечения широкого сосуда и трубки, м2.
При определенной плотности рабочей жидкости ρр, в качестве которой используют спирт и нормальном ускорении свободного падения gн разность давлений определяется по формуле:
p |
p |
|
|
k gn |
, |
(2.25) |
2 |
|
|||||
1 |
|
|
р g |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где k – коэффициент соответствующий пяти фиксированным положениям из-
мерительной трубки относительно сектора 4 от 0,2 до 0,8), которые соответ-
ствуют пределам измерения от 0,6 до 2,5 кПа.
50