книги / Расходомеры и счетчики количества веществ. Расходомеры переменного перепада давления, расходомеры переменного уровня, тахометрические расходомеры и счетчики

6-7° не рекомендуется вследствие сильного возрастания погреш­ ности измерения. Манометрической жидкостью здесь обычно слу­ жит этиловый спирт. Отношение f/F в большинстве случаев из­ меняется в пределах от 1/400 до 1/700. Рассматриваемые дифманометры могут быть не только с постоянным, но и с переменным углом наклона трубки, что позволяет повышать чувствительность дифманометра с уменьшением предела измерения.

Известна конструкция однотрубного дифманометра [010], у ко­ торого нижняя часть трубки наклонная, а верхняя — вертикаль­ ная. Это позволяет иметь большой верхний предел измерения и сохранить точность измерения малых перепадов давления.

Предложены также однотрубные дифманометры, имеющие кри­ волинейную трубку, переменная кривизна которой рассчитана так, чтобы получить шкалу, пропорциональную расходу.

7.6. П-ОБРАЗНЫБ ДИФМАНОМЕТРЫ

П-образными называют жидкостные дифманометры с видимым уровнем, имеющие форму П-образной трубки. Они разделяются на двухтрубные и однотрубные (рис. 75). При частично открытом вентиле S измеряемая жидкость устанавливается на нулевой от­ метке шкалы. Выше нулевого уровня остается воздух. При воз­ никновении перепада давления Ар жидкость в колене, соединен­ ном с давлением plf поднимается, а в другом колене опускается, образуя столб высотой Л, давление которого уравновешивает изме­ ряемый перепад Ар. Давления Pi и р2 в двухтрубном приборе (рис. 75,а) подводят через вентили 1 и 5 в камеры 2 и 4, каждая из которых имеет объем VKJопределяемый уравнением

~ VT (Ртах “ 2ро)/4ро,

192

емой жидкости. Для исключения этого недостатка предложено за­ полнять верхнюю часть дифманометра вместо воздуха какой-либо жидкостью, более легкой, чем измеряемая. Лучшее решение — применение однотрубного П-образного дифманометра вместо двухтрубного. У него (рис. 75, б) левое колено заменено широким сосудом 2, через который проходит нулевой уровень. Подъем жид­ кости до этого уровня производится с помощью правильно выбран­ ных объемов камер 1 и 4 и вентиля 3. Уравнения равновесия одно­ трубных дифманометров П-образного и U-образного типов совпада­ ют. Также совпадают и формулы для определения погрешностей.

Основное применение П-образных дифманометров — измерение расхода воды и реже других жидкостей. Их чувствительность зна­ чительно выше, чем у U-образных дифманометров, если в качестве манометрической жидкости в последних применяется ртуть. Для дальнейшего увеличения чувствительности верхнюю часть П-об­ разного дифманометра заполняют [1] не воздухом, а жидкостью более легкой (например, керосином), чем измеряемая (обычно вода).

7.7. ДВУХЖИДКОСТНЫЕ ДИФМАНОМЕТРЫ

Данные дифманометры состоят из U-образной трубки, имею­ щей на верхних концах широкие сосуды, в которые подаются давления р\ и р2* Более тяжелая жидкость заполняет один из сосудов и U-образную трубку до нулевой отметки в ее измери­ тельном колене. Выше этой отметки находится более легкая жидкость, заполняющая второй сосуд. Если давление подается в этот сосуд, то нулевая отметка располагается вверху измеритель­ ного колена, в противном случае — внизу. Уравнение измерения двухжидкостного дифманометра имеет вид

Pi - Рг = hg[p i(i+ f / fi) - p2(l + f / *2)].

где P i и p2 — плотности тяжелой и легкой манометрической жид­ кости соответственно; f — площадь трубки; и Е2 — площади верхних сосудов.

Если Fi = Ё2 >:> /* то это уравнение приобретает вид

Р\ - Р2= № (Pi ~ Р2>*

Следовательно, чувствительность прибора возрастает с умень­ шением разности (pi - р2). Стремятся эту разность делать неболь­ шой, но для предупреждения смещения жидкостей и сохранения четкого мениска надо, чтобы (pi - р2) > (0,01*0,05) г/см3.

Температурная погрешность у двухжидкостного дифманометра вследствие малой величины (Pi - Р2) может быть много больше, чем у одножидкостного прибора. Ее можно уменьшить, если одну из жидкостей (обычно, тяжелую) составлять в виде тройной смеси. Хорошие результаты получены при смеси спирта, воды и анили-

193

13 П . П . Кремлевский

на или этилового спирта, бензолового спирта и воды при приме­ нении керосина в качестве легкой жидкости [012].

Для повышения чувствительности в работе [4] предложены дифманометры с двумя линиями раздела. Тяжелая жидкость за­ лита до середины высоты U-образной трубки, а ее верхняя часть и сосуды залиты легкой жидкостью.

Условно к двухжидкостным приборам можно отнести дифманометр с каплей или пузырьком воздуха [2], обладающей высокой чувствительностью. Все двухжидкостные приборы служат лишь для измерения перепада давления газа.

7.8.ЖИДКОСТНЫЕ ДИФМАНОМЕТРЫ

СЭЛЕКТРИЧЕСКИМ СЪЕМОМ СИГНАЛА

Вэтих приборах манометрическая жидкость (ртуть), уравно­ вешивающая измеряемый перепад давления, одновременно служит элементом преобразователя кондуктивного или индуктивного типа, создающего сигнал, который соответствует высоте столба ртути.

Схемы преобразователей кондуктивного типа показаны на рис. 76. Первый из них (рис. 76, а) — преобразователь проволоч­ ного типа. В его минусовом колене 1 укреплена (припаяна к стеклу) проволочка 2. Напряжение от источника питания пода­ ется к верхнему концу ее и к ртути, залитой в дифманометр. Сопротивление проволочки, включенной в мостовую схему, меня­ ется по мере увеличения измеряемого перепада давления и подъе­ ма ртути в колене 1. При эксплуатации прибора надо предотвра­ щать окисление проволоки и ртути, растворение материала про­ волоки в ртути и прилипание последней к проволоке и стенкам трубки. Проволока из платины или платиново-иридиевая [6] ус­ тойчива к коррозии, но после нескольких месяцев работы ее по­ верхность амальгамируется из-за высокой растворимости плати­ ны в ртути. В результате сопротивление проволоки меняется.

Всвязи с этим предпочтительнее [10] применять проволоку из вольфрама или молибдена. Для предотвращения окисления рту­ ти полезно изолировать ее от соприкосновения с измеряемым веществом (влажным воздухом, водой и т. п.) слоем нейтраль­ ной жидкости. Во избежание прилипания и зависания ртути про­ волоку надо располагать по оси трубки, имеющей не слишком малый диаметр. Диаметр же проволоки берут около 0,05 мм,

стем чтобы иметь достаточное значение ее омического сопротив­ ления. Подобные дифманометры (рис. 76, а) применяют главным образом при исследовательских и лабораторных работах.

На рис. 76, б изображена схема дифманометра с реостатным преобразователем секционированного типа. В колене этого при­ бора 1 на разной высоте расположены концы проволоки, припа-

194

тель конструктивно сложнее проволочного, но зато более наде­ жен и стабилен. Дифманометры с реостатными преобразователя­ ми изготовлялись рядом зарубежных фирм для работы в произ­ водственных условиях на давления до 35 МПа и при предельных перепадах 5 •103 - 7 •104 Па. Шкалу измерительного прибора можно получить пропорциональной расходу, подбирая надлежа­ щим образом сопротивления отдельных секций реостата либо располагая контакты в колене 1 на расстояниях, возрастающих по квадратическому закону [9].

Водном приборе [5] реостат состоял из 91 секции, которые были намотаны на три концентрические катушки, помещенные

вмасло в верхней части минусового колена. От каждой секции вниз проходил стержень из коррозионно-стойкой стали. Длины стержней были различны; этим достигалось последовательное за­ мыкание их при подъеме ртути.

Вдругом приборе [91] в стеклянную трубку однотрубного дифманометра были впаяны контакты от 38 секций реостата. При­ бор был рассчитан на давление до 6,5 МПа.

Несмотря на некоторые преимущества этих приборов — воз­ можность применения типовых электрических счетчиков в каче­ стве интеграторов и удобство построения схем с автоматической коррекцией на изменение плотности вещества, они широкого рас­ пространения не получили.

Еще реже применяли дифманометры не с реостатным, а с ин­ дуктивным преобразователем. В этом приборе [8] в минусовом колене помещается Ш-образный железный сердечник трансфор­ матора, на средний стержень которого надета хорошо изолиро­ ванная катушка, питаемая переменным током. Ртуть при подъе­ ме в минусовом колене окружает сердечник, образуя короткозамкнутый виток вторичной обмотки. В результате индуктивное сопротивление катушки (первичной обмотки) уменьшается, и ток в ней, являющийся выходным сигналом, возрастает. Работа ин­ дуктивного преобразователя не ступенчатая, а непрерывная.

13* 195

7.9. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПОПЛАВКОВЫХ ДИФМАНОМБГРОВ

Поплавковыми называются жидкостные дифманометры с не­ подвижными коленами, у которых измеряемый перепад давления уравновешивается столбом манометрической жидкости, а измеря­ ется перемещением поплавка, находящегося в одном из колен диф-

манометра (рис. 77).

Обозначив через Н ход поплавка, кото­ рый равен перемещению уровня жидкости в поплавковом сосуде, черед D и d — диа­ метры поплавкового и непоплавкового со­ судов соответственно, получим уравнение измерения поплавкового дифманометра с цилиндрическими коленами:

Pi ~ Р2 = Д ? (Pi ~ Р2) (1 + D2/d2).

100 кПа. Предельные давления имеют значения 6,3, 25 и 40 МПа. Диаметр D поплавкового сосуда немного больше диаметра поплав­ ка Dn « 78 мм, который должен быть достаточным для получения необходимой перестановочной силы. Ход поплавка в отечествен­ ных дифманометрах 30-35 мм. Значительно реже встречаются по­ плавковые дифманометры не с ртутным, а с масляным заполнени­ ем для измерения малых Артах ОТ 0,04 до 4 кПа, у которых диаметр поплавка Dn « 160 мм, а предельное давление составляет 0,25 МПа.

В течение многих лет основными выпускаемыми дифманометрами были именно поплавковые, отличающиеся надежностью в работе и стабильностью показаний.

7.10. ПОГРЕШНОСТЬ ПОПЛАВКОВОГО ДИФМАНОМЕТРА

Выражение для средней квадратической погрешности поплавко­ вого дифманометра с цилиндрическими коленами такое же, как и у однотрубных жидкостных дифманометров с видимым уровнем.

196

Основное значение в поплавковых дифманометрах имеет по­ грешность АН. В нее дополнительно входит погрешность АНд от несоответствия положения поплавка и уровня манометрической жидкости в результате действия сил трения (главным образом в передаточном механизме). Обозначив через S приведенную к поплавку силу трения и через f n площадь поплавка, определим перемещение уровня ДЯд, необходимое для преодоления силы S, из формулы

дяд= Sk/fa(pi - р2)ё>

где k — множитель, учитывающий, что при этом жидкость в по­ плавковом сосуде перемещается не по всей площади поплавкового сосуда F, а лишь по площади зазора (F - / п).

Очевидно, что

k = [ l + ( F - f n) / f ] / ( l + F / f ) = [ l - f n / (F + f)]>

где f — площадь непоплавкового сосуда.

Для уменьшения АНд следует увеличивать площадь поплавка /ш чтобы зазор между ним и стенками сосуда был минимально допускаемым конструкцией прибора, а для уменьшения АН/Н же­ лательно увеличивать Нтах. Чем больше произведение H maxfn> тем меньше влияние сил трения, но зато тем больше время запаз­ дывания дифманометра.

Температурная погрешность поплавкового дифманометра опре­ деляется уравнением

8, = бо + 5Л.

Здесь 8о — погрешность вследствие нулевого смещения поплавка, причем 8о = H^td/Hy где HQ — нулевое смещение поплавка при At = 1 °С; Н — перемещение поплавка, соответствующее данному Ар.

Для определения H Q имеем [2] уравнение

Н0 = {G(P - 3fea)-G n[(F/fa + f/ fn)~ 1]х

х (Р - 2a)p: / (Pi - р2)} / [Pi*(F + f)],

где G и Gn — веса манометрической жидкости и поплавка соответ­ ственно; Р и a — коэффициенты объемного расширения ртути и линейного расширения материала дифманометра; k — коэффици­ ент, равный 1,22 для отечественных поплавковых дифманометров.

Погрешность бд вследствие изменения хода поплавка определя­ ется [012] приближенным уравнением

бй = р*.

При At = 10 °С и ртутном заполнении бд = 0,18 % . Погрешность 8^ всегда положительна при At > 0. Знак же по­

грешности бо зависит от знака HQ и от того, в какой из сосудов подается давление Анализ уравнения для H Q показывает, что

197

если площадь сменного сосуда f невелика (что характерно для отечественных дифманометров), то HQ > 0 и нулевое смещение по­ плавка направлено вверх. Если бы давление рх подавалось в не­ поплавковый сосуд, то погрешности 8^ и 8о складывались бы. Но в рассматриваемом случае давление рх подается в поплавковый со­ суд. При этом погрешность бо становится отрицательной и в зна­ чительной мере компенсирует погрешность 8д. Полная компенса­ ция достигается в пределах Ар = (70+85) % Дртах.

7.11. ПОПЛАВКОВЫЕ ДИФМАНОМЕТРЫ С ПРОФИЛИРОВАННЫМИ КОЛЕНАМИ

При гидравлическом способе для извлечения квадратного кор­ ня из измеряемого перепада давления Ар одно из колен дифманометра профилируют так, чтобы получить пропорциональность между ходом поплавка и расходом. Для такого прибора (рис. 78) спра­ ведливы уравнения:

х = k^Aр = kij(x + y)g(Р1-Р 2);

Fdx = fydy,

где х и у — подъем и опускание уровня жидкости в минусовом (поплавковом) и плюсовом сосудах; к — постоянная прибора; fy — переменная площадь плюсового сосуда; F — площадь минусово­ го сосуда.

Их решение дает соотношения

fy = F /yfT+4y/a; fy = F a/(2x-a),

198

кривая показана на рис. 78. Следовательно, извлечение квадрат­ ного корня из Ар невозможно при х < а/2. На самом деле началь­ ная неравномерная часть шкалы еще больше, так как реально невозможно иметь fy =«>. Обычно принимают fymax = (l-s-2)F. Верх­ нюю же часть плюсового сосуда делают цилиндрической с пло­ щадью, равной fymax (или несколько больше). Если fymaLX - 2F, то неравномерная начальная часть шкалы равна 3/4а.

В работе [012] показано, что отношение hmax/x max надо брать не менее шести—восьми, чтобы не возросла неравномерная часть шкалы. В связи с этим дифманометры с криволинейным сосу­ дом непригодны для малых Лтах, а значит, и для малых Дртах. Э т о обстоятельство, а также сложность конструкции — причины того, что рассматриваемые приборы, изготовлявшиеся ранее зару­ бежными фирмами, не получили заметного распространения.

7.12. ЖИДКОСТНЫЕ ДИФМАНОМЕТРЫ С ОДНИМ ПОДВИЖНЫМ КОЛЕНОМ

Существуют жидкостные дифманометры с одним и с двумя подвижными коленами, последние обычно кольцевой формы. У первых измеряют перемещение подвижного колена, у вторых — угол поворота дифманометра.

На рис. 79 показаны схемы дифманометров с одним подвиж­ ным коленом, которое обычно бывает минусовым. Оно подвеше­ но на пружине и имеет гибкое соединение с плюсовым коленом и трубкой, подводящей к нему давлениеР2. Под влиянием разно­ сти давлений Рх - Р2 часть манометрической жидкости перетекает из неподвижного плюсового сосуда в минусовый, вызывая его пе­ ремещение, которое измеряется по шкале. Подвижной сосуд мо­ жет быть цилиндрическим (рис. 79, а) или профилированным (рис. 79, б), обеспечивающим пропорциональность между расхо­ дом и перемещением подвижно­ го сосуда. Уравнение измерения для первого из них имеет [012] вид

199

жины перемещение Н может быть как меньше, так и больше разности уровней манометрической жидкости Л. Если с > 2а, то Н < Л, если с = 2а, то Н = h и если а < с < 2а, то Н > h. Здесь а = = £ (Pi ” Р2) /п/н/(/п + / н). Во всех случаях необходимо, чтобы было с > а, так как при с = а ход Н = °°.

Для построения профиля неподвижного сосуда по рис. 79, а может служить [012] уравнение

/„ = П/П[(л - I) 2 + 4y/k2g ( Pl - р2г°«5],

где п = с //п£ (pi - Р2); У — координата опускания манометрической жидкости в неподвижном сосуде; k = Нтйх [h^^g (pj - Р г)]0,5-

Наибольшую площадь криволинейного сосуда ограничивают некоторым значением /нтах, и верхнюю часть этого сосуда делают цилиндрической. Обозначим ук координату, соответствующую на­ чалу криволинейной части сосуда. Она определяется [012] уравне­ нием

Ук = k2g ( рх - р2) [л2/ т 2 - (л - 1)2]/4,

где т - /нтахЯп» а начало неравномерной части шкалы Нк — уравнением

Я к = Я 2ах[(л - 1) + л / т\/ гЛщах.

Относительная начальная неравномерная часть Нк шкалы про­ порциональна отношению -Нщах/^тах*

Для получения небольшой начальной неравномерной части шкалы надо иметь по возможности малое перемещение подвижно­ го сосуда # тах.

Дифманометр на рис. 79, а изготовлен немецкой фирмой на предельные перепады от 0,25 (25 •103 Па) до 1 кгс/см2 (105 Па). Полный ход подвижного сосуда около 5 мм, что обеспечивало очень малое значение отношения H max/hmfix и соответственно малое значение начальной неравномерной части шкалы Нк/Нтах.

7.13. КОЛЬЦЕВЫЕ ДИФМАНОМЕТРЫ

Общая характеристика. Две схемы рассматриваемых прибо­ ров приведены на рис. 80. В большинстве случаев применяют кольцевые дифманометры (рис. 80, а), состоящие из полого коль­ ца 1 с перегородкой 2 в верхней части, с разных сторон которой с помощью гибких трубок подаются давления pi и р%. Кольцо заполнено наполовину манометрической жидкостью 5 и снабже­ но поперечиной 3. При ру > р2 кольцо поворачивается вокруг призменной опоры 4, установленной так,что ось вращения обыч­ но совпадает с геометрическим центром кольца. Угол поворота ф зависит от веса груза б, создающего противодействующий момент. На рис. 80, б показан поворотный дифманометр, состоящий из двух сосудов 1 и 4, соединенных трубкой 6 и укрепленных на

200

9

Рис. 80. Поворотные дифманометры: а — кольцевой формы; б — некольцевой формы

поперечине 2. Он имеет груз 5, создающий противодействующий момент, и поворачивается вокруг призменной опоры 3 на угол <р, когда pi > р2.

Вкольцевом дифманометре (рис. 80, а) разность давлений р\ -

-р2, действующая на перегородку площадью /, создает [2] вращаю­ щий момент М в в соответствии с уравнением

М в = (р 1 - p2)fR,

где R — средний радиус кольца.

Под действием момента М в кольцо поворачивается по часовой стрелке на угол <р до тех пор, пока вес G груза, находящегося на расстоянии а от оси вращения, не образует противодействующий момент М п, равный моменту М в. Очевидно, М п= Ga sin <p.

Из равенства моментов М в и М п следует, что

Pi ~ Р2 = k sin ф,

где k = Ga/fR.

В это уравнение не входит плотность манометрической жидко­ сти. Следовательно, угол поворота ф не зависит от плотности жид­ кости, а значит, и от ее температуры. Другие существенные досто­ инства кольцевых дифманометров — легкость перехода на другой предел измерения путем смены противодействующего груза G и малое трение благодаря применению опоры ножевого типа. Но для этих дифманометров требуется повышенное внимание при эксплу­ атации и давления Pi и р2 должны подводиться к ним гибкими трубками.

Основная область их применения — измерение расхода домен­ ного, коксового и других газов низкого давления при малых пре­ дельных перепадах: 250, 400, 630,1000,1600 Па. Здесь для подачи давлений р\ и р2 от импульсных трубок к дифманометру служат резиновые трубки. Манометрическая жидкость — масло или вода. Ранее изготовляли кольцевые дифманометры (на среднее до ЗМПа,

201