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

турбинки находится магнит. При вращении турбинки поле этого магнита пересекает витки катушки, генерируя в них пульсирую­ щий ток. При необходимости повысить частоту тока увеличива­ ют число катушек, расположенных снаружи, или же число маг­ нитов. Так, в одной конструкции турбинка снабжена кольцевым ободом, утопленным в кольцевом пазе в стенке корпуса. В ободе помещены с равным шагом несколько десятков маленьких маг­ нитов, каждый из которых, проходя мимо катушки, генерирует импульс тока. Пример турбинного преобразователя с большим числом магнитов дан на рис. 149.

Если же магнит помещен внутри катушки, то тогда или лопат­ ки турбинки изготовляют из ферромагнитного материала, или в ее ступице помещают из аналогичного материала пластинку либо штифт с осью, перпендикулярной к оси трубы. Каждый из этих магнитопроводов при вращении турбинки изменяет поле маг­ нита, находящегося внутри катушки, и генерирует в последней пульсирующий ток. Здесь при большом числе ферромагнитных лопастей легче, чем в предыдущем случае, обеспечить высокую частоту тока даже при малой частоте вращения, соответствую­ щей малым расходам. Но при небольших диаметрах, когда число лопастей ограничено, для повышения частоты прибегают к уве­ личению магнито-индукционных узлов.

Иногда обмотку, в которой генерируется ток вращающимся магнитом, выполняют не в виде прямой катушки, а тороидально, наматывая проволоку на кольцевой сердечник из пермаллоя, от­ деленный от турбинки диамагнитной стенкой. При этом можно увеличить амплитуду сигнала и избавиться от торможения по­ коя при симметрии магнитной цепи. Тормозящий момент М п индукционных преобразователей определяется мощностью, рас­ ходуемой на выделение тепла в электрическом контуре, и мощ­ ностью, расходуемой на вихревые токи и перемагничивание фер­ ромагнитных материалов. Момент М п возрастает с ростом ам­ плитуды сигнала. Увеличение последнего оправдано при сред­ них и больших турбинках, когда влияние противодействующего момента М ПУсоздаваемого тахометрическим преобразователем, не­ значительно, при этом в некоторых случаях можно обойтись без промежуточных усилителей. Анализ индукционных преобразова­ телей и рекомендации по их расчету приведены в работах [10, 26].

Индуктивные преобразователи основаны на изменении индук­ тивности наружной обмотки в зависимости от изменения сопро­ тивления ее магнитной цепи, происходящего при вращении тур­ бинки. Индуктивная катушка с железным сердечником, отделен­ ная от турбинки диамагнитной стенкой, питается от особого гене­ ратора током сравнительно высокой частоты в несколько кило­ герц. Во время вращения турбинки при проходе лопастей или других ее элементов из ферромагнитного материала мимо катуш­ ки изменяется сопротивление ее магнитной цепи, а значит, и ее

312

сигнала. Электрическую схему, показанную на рис. 142, имеет турбинный расходомер «Парус-31», рассчитанный для измерения расхода топлива (<7тах = 5 м3/ч, диапазон измерения 20 : 1) в трубах диаметром 25 мм. Измерительный прибор — авто­ матический потенциометр. Погрешность измерения ±0,5 % от <7max* Для достижения указанного большого диапазона измерения входной направляющий аппарат имеет лопатки под углом 35° при установочном угле лопастей турбинки 15°, что увеличивает движущий момент на заторможенной турбинке [16].

Фотоэлектрические тахометрические преобразователи основа­ ны на появлении пульсирующего электрического напряжения

вцепи фотоэлемента в результате периодического прерывания вращающейся турбинкой луча света, падающего на фотоэлемент. Частота пульсации напряжения в цепи фотоэлемента пропорци­ ональна вращению турбинки. Такие преобразователи не создают никакого тормозящего момента, но устройство их сложнее, чем индукционных или индуктивных. Они применяются главным образом при измерении расхода газа [10, 12, 17], но иногда и жид­ кости, например, при небольших диаметрах турбинки [57] или при измерении быстропеременных расходов [22]. Обычно освети­ тель (электрическая лампочка) и фотоэлемент устанавливаются с разных сторон турбинки и отделяются от измеряемого веще­ ства прочными стеклами. В теле турбинки делается одно или несколько отверстий, которые при вращении турбинки создают периодическое освещение фотоэлемента светом, падающим от осветителя. Для получения высокой частоты фототока служат разные средства. Так, в работе [22] для этой цели применено зуб­ чатое колесо, каждый зуб которого модулирует луч света, падаю­ щий на фотоэлемент. В другом расходомере применены три фо­ тоэлектрических преобразователя, каждый из которых состоит из лампы, фотосопротивления и двух оптических призм, отделяю­ щих фотосопротивления и лампы от жидкости. Фотосопротивле­ ния смещены относительно друг друга на 120°.

Применение фотоэлектрических преобразователей для непро­ зрачных жидкостей затруднительно, но возможно. Так, в работе [57] тангенциальная турбинка имеет отражательные пластинки на концах лопастей. Над турбинкой, ось которой горизонтальна, помещено прочное стекло, за которым расположены осветитель и германиевый фотодиод. При вертикальном положении лопас­ ти турбинки луч света отражается от пластинки на конце лопас­ ти и освещает фотодиод. Слой жидкости между концом лопасти и стеклом очень тонок и не мешает процессу отражения. Кроме того, максимум чувствительности германиевого фотодиода лежит

винфракрасной области при длине волны около 1,5 мк. Известны также конструкции, в которых для измерения непрозрачной жид­ кости на вертикальной оси турбинки, выведенной вверх в воз­ душную камеру, укреплялся обтюраторный диск для прерыва­ ния луча света.

314

турбинки 1. Отражаясь от нее, световой поток через гермоввод 2 попадает на торцы шести пери­

ферийных световодов волоконно-оптической линии связи 3 и за­ тем на светочувствительный элемент блока 4. В качестве гермо­ ввода применяется градан-стержень из кварца с градиентным распределением по радиусу коэффициента преломления, который имеет свойства цилиндрической линзы.

На рис. 143, б показана схема распространения лучей в градане (5 — отражающая поверхность торца лопасти турбинки; 6, 7 — передающее центральное и приемное периферийное волок­ на световода; 8 — градан). Диаметр градана 1,5 мм, длина 16 мм. Допустимые давление и температура 15 МПа и 200 °С [1].

14.9.КОНСТРУКЦИИ РАСХОДОМЕРОВ

ИСЧЕТЧИКОВ С АКСИАЛЬНОЙ ТУРБИНКОЙ

Уже много лет широкое применение имеют счетчики жидко­ сти воды, аксиальная турбинка которых через шестеренчатый ре­ дуктор связана со счетным механизмом. Ранее они нередко име­ новались счетчиками Вольтмана, с горизонтальной или вертикаль­ ной осью. На рис. 144 показано устройство одной из моделей такого водосчетчика типа УВТ. Вода поступает в турбинку 7, прой­ дя через струевыпрямитель 8, в ребрах которого укреплен обтека­ тель 10, содержащий передний подшипник 9 оси турбинки. У струевыпрямителя одна из лопастей 6 может поворачиваться при вращении регулировочного винта, который затем закрывает­ ся крышкой и пломбируется. Задний подшипник вместе с упор­ ным, выполненным в виде регулируемого винта 4 с агатовым наконечником и червячной парой, передающей вращение от тур-

315

Рис. 144. Счетчик воды УВТ с аксиальной турбинкой

бинки паре сменных шестерен 3, заключены внутри кронштейна 5. В нем же находятся и опоры вертикальной оси червячного колеса. Размещение этих опор в одной детали позволяет устра­ нить биение оси и быстрый износ зубчатых колес, имевший место в прежних конструкциях. Шестерня 3 вращает магнитную полумуфту, отделенную водонепроницаемой диамагнитной перегород­ кой от второй магнитной полумуфты, соединенной с редуктором 2, и через последний со счетным роликовым механизмом 1, име­ ющим стрелочный указатель. Общее передаточное число редук­ тора 1:88,25 . В отличие от более старых конструкций здесь не только счетный механизм, но и редуктор отделены от воды, а бла­ годаря применению магнитной передачи нет трения оси, связы­ вающей редуктор и счетный механизм, в сальниковом уплотне­ нии.

В связи с выходом ГОСТ 14167-83 (табл. 29) разработана но­ вая конструкция турбинного водосчетчика типа СВТ (рис. 145). В корпусе 1 с помощью кольца 3 укреплена втулка 16, снабжен­ ная струевыпрямителем 2, несущим передний подшипник, и реб­ рами жесткости 14 с задним подшипником турбинки 15. Такая конструкция позволяет обеспечить соосность обоих подшипников. Для регулирования частоты вращения турбинки при настройке имеется поворотная лопатка 4. На конце оси турбинки укрепле-

316

Т а б л и ц а 29

Технические характеристики счетчиков воды с аксиальной турбинкой по ГОСТ 14167—83

на ведущая часть магнитной муфты 13. Ведомая часть 11 послед­ ней находится в изолированном от воды блоке, закрытом за­ глушкой 8, и несущем корундовую опору 12, в которую упирается корундовый наконечник оси турбинки. Магнитная муфта с по­ мощью конической передачи приводит во вращение вертикальный вал 9усвязанный с редуктором 5 и счетным механизмом, заклю­ ченным в чашу 7 и закрываемым крышкой 6. Для регулирования зацепления конической передачи служит винт 10. Подшипники турбинки графитофторопластовые. В паре со стальной осью они

Рис. 145. Счетчик воды СВТ с аксиальной турбинкой

317

имеют низкий коэффициент трения и высокую износоустой­ чивость.

Во избежание быстрого изнашивания опор наибольший не­ ограниченный во времени расход назван в ГОСТ 14167-83 экс­ плуатационным <7Э. Он лежит в пределах от 24 до 46 % от gmax. Ранее таким расходом считался номинальный, равный 50 % от <7шах•Исходя из расхода q3 в табл. 29 дан максимальный объем воды, прошедший через счетчик за месяц. Кратковременно до­ пускаются расходы воды, лежащие в пределах от q3 до qmах, но так, чтобы не был превзойден максимальный объем за сутки, при­ веденный в табл. 29.

Погрешность водосчетчика не более ±2 % в диапазоне от qn до (Zmax и не более ±5 % в диапазоне от qmin до qn. По мере эксплу­ атации водосчетчика допускается увеличение погрешности, и ее предел определяется по формулам ±(2 + 0,170 % < 4 % или ±(5 4- 0,17f) % < 10 % , где t — время эксплуатации, тыс. ч. Счет­ чики предназначены для измерения q воды при температуре от 5 до 40 °С и давлении до 1 МПа.

Турбинные расходомеры, которые получают все более широ­ кое распространение, конструктивно существенно отличаются от рассмотренных турбинных водосчетчиков. У них нет механичес­ кой связи между турбинкой и счетным механизмом, поэтому момент сил трения у них много меньше. Это позволяет снизить погрешность преобразования расхода в частоту вращения турбинки до ±(0,3-0,5) % .

На рис. 146 показан серийно изготовляемый преобразователь расхода с аксиальной турбинкой типа ТПР. В корпусе 2 с помо-

Рие. 146. Турбинный преобразователь расхода ТПР

318

щью специальной гайки 8 укреплен обтекатель 7, несущий ло­ пасти струевыпрямителя и образующий опору для переднего ша­ рикоподшипника. Второй радиально-упорный шарикоподшипник 4 помещен в выходном обтекателе — струевыпрямителе 3. Через отверстие в конце последнего поступает повышенное статическое давление, уменьшающее осевую нагрузку на подшипник 4 [4]. Характерная особенность этой конструкции — применение сту­ пенчатой втулки 6, внутри которой вращается турбинка 5. Втул­ ка изменяет проходное сечение на уровне средней части лопастей турбинки так, что передняя часть лопастей оказывается в канале с большим проходным сечением, чем задняя. В результате при уменьшении расхода ламинарный режим в передней части будет наступать раньше, чем в задней части. Это способствует сохране­ нию постоянства момента вязкого трения и увеличению диапазо­ на измерения в области малых чисел Re. Максимальная частота выходного сигнала, создаваемого магнито-индукционным преобра­ зователем 2, равна 500±50 Гц. Выходной сигнал на нагрузке 3 кОм не менее 25 мВ. В соответствии с рис. 146 изготовляют преобразователи расхода типов ТПР7-ТПР14 для труб диамет­ ром от 10 до 25 мм. Для труб диаметром от 32 до 100 мм устрой­ ство опорного узла несколько видоизменено. В ступице турбин­ ки размещены два шарикоподшипника, из которых один ради­ ально-упорный. При этом турбинка вращается вокруг неподвиж­ ной оси. Так изготовляются преобразователи типов ТПР15-ТПР20. Технические характеристики преобразователей ТПР приведены в табл. 30.

Приведенная погрешность преобразователей ТПР-7, ТПР-8 и ТПР-9 ±1 % , остальных ±0,5 % . Потери давления не более 50 кПа.

Бугульминский опытный завод «Нефтеавтоматика» изготов­ ляет счетчики «Норд-М», предназначенные для измерения коли-

319

чества нефти, нефтепродуктов и других неагрессивных жид­ костей. Устройство турбинного преобразователя показано на рис. 147. В корпусе 1 укреплены входной 2 и выходной 8 обтека- тели-струе-выпрямители. Турбинка 6 вместе со своей осью 4 вра­ щается в подшипниках скольжения 3 и 7, из которых последний, выполненный в виде втулки, воспринимает осевое усилие. Под­ шипники и ось изготовляются из твердого сплава, лопатки турбинки — из ферромагнитного материала, остальные детали — из коррозионно-стойкой стали. Фланец 5 служит для установки магни­ то-индукционного преобразователя («Норд-И1» или «Норд-И2») ча­ стоты вращения турбинки в частоту электрических импульсов, дости­ гающую 1000 Гц. Амплитуда выходного сигнала у «Норд-И1» не менее 0,5 В. Преобразователь «Норд-И2» включает в себя пред­ варительный усилитель-формирователь, на выходе которого име­ ются прямоугольные импульсы амплитудой 11±0,1 В. Импуль­ сы поступают в электронный блок, снабженный счетным устрой­ ством. Технические характеристики турбинных преобразовате­ лей приведены в табл. 31.

Турбинные преобразователи «Норд-М» для D от 40 до 100 мм изготовляют на условные давления 2,5, 6,4 и 16 МПа, а для D = = 150 и D = 200 мм — только на давления 2,5 и 6,4 МПа. Допу­ стимая вязкость жидкости (1-2-20) 10“4 м2/с. Допустимая темпе­ ратура 5-50 °С. Содержание сернистых соединений не более 3 % . Температура окружающей среды от -50 до +50 °С. Допустима вибрация частотой 25 Гц при амплитуде не более 0,1 мм. Реко­ мендуется перед турбинным преобразователем устанавливать фильтр, затем струевыпрямитель и прямой участок трубы дли­ ной 10£> (или 20П при отсутствии струевыпрямителя). После пре­ образователя — прямой участок трубы длиной 10D..

Рис. 147. Турбинный преобразователь расхода «Норд-М»

320

Т а б л и ц а 31

Технические характеристики турбиииых преобразователей «Норд-М»

Были испытаны различные материалы для подшипников и осей турбинки. Наилучшие результаты дали подшипники из ма­ териала Т5К10 и оси из ВК-6, причем на товарной нефти время работы до отказа (10 000 ч) оказалось в два раза выше, чем на воде (5000 ч).

Как показали испытания [31], турбинные преобразователи типа «Норд-М» пригодны также для измерения сжиженных газов и конденсата.

Помимо турбинных счетчиков типа «Норд» в нефтяной про­ мышленности в автоматизированных групповых установках типа «Спутник» для измерения количества сырой сепарированной неф­ ти нашел применение турбинный счетчик типа «Тор-1» с акси­ альной турбинкой, расположенной вертикально. Он предназна­ чен для давлений до 6,4 МПа, температур 5-100 °С, вязкости неф­ ти до 80 •10“4 м2/с и содержания парафина не более 10 % , песка не более 0,01 % , сернистых соединений не более 5 % и свободного газа не более 5 % (по массе). Диапазоны измерения 3-30 и 7,5 - 35 м3/ч при D, равном 50 и 80 мм соответственно. Погрешность

Для измерения количества и расхода мазута в трубах с D = 32 мм имеется прибор ТМ2С-32/64, состоящий из преобразователя с ак­ сиальной турбинкой ПР-32/64 и измерительного преобразователя ПИ. Последний укомплектован электромеханическим импульс­ ным счетчиком количества и имеет выходной сигнал — посто­ янный ток 0 -5 мА. В состав преобразователя расхода ПР-32/64 помимо аксиальной турбинки входят индукционный тахометрический преобразователь и усилитель. Давление мазута до 6,4 МПа, температура от 50 до 125 °С, вязкость от 3 •10” 5 до 8,5 •10~5 м2/с. При вязкости до 4 ■10“5, 6 •10”5 и 8,5 •10~5 области измерения: 3,2-16, 3,2-12 и 3,2-10 м3/ч, а наибольшая потеря давления — 0,12, 0,16 и 0,20 МПа. Погрешность измерения количества ±1 % в области 50-100 % qmax и ±1,5 % в области 20-50 % qmax■

Весьма своеобразную конструкцию имеет турбинный преобра­ зователь ПРГ-400 расходомера и счетчика газа типа «Тургас» (рис. 148). Передний направляющий аппарат 18 не только слу-