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

Рис. 1 6 6 . Различные типы камерных преобразователей расхода: а — опро­ кидывающийся гравиметрический; б — опрокидывающийся объемный; в — барабанный для жидкости; г — барабанный для газа («мокрые газовые часы»); д — с эластичными стенками («сухие газовые часы»); е — поршневой; ж — ротационный с восьмеркообразными роторами; з — зубчатый с овальными шестернями; и — кольцевой; к — дисковый; л — лопастной; м — ковшо­

вый; н — ротационный с трапецеидальными роторами

ме того, к этой же группе камерных счетчиков могут быть услов­ но отнесены мерные емкости с сильфонным или клапанным опо­ рожнением. Счетчики без движущегося разделительного элемен­ та — наиболее точные. Но они служат для измерения лишь не­ больших расходов и только при ограниченном давлении измеря­ емого вещества.

Представитель приборов 2-й группы — газосчетчик с эластич­ ными стенками двух (рис. 166, д) или более камер, которые после­ довательно заполняют и опорожняются при их непрерывном воз­ вратно-поступательном движении. Газораспределительный ме­ ханизм золотниковый или клапанный. Подобные приборы нахо-

352

дят широкое применение при измерении газа, расходуемого мел­ кими потребителями.

Приборы 3-й группы имеют наибольшее число разновиднос­ тей и применяются часто (рис. 166, е—н). Они состоят из жест­ кой камеры, в которой при непрерывном перемещении одного (рис. 166, е9и9к) или нескольких (рис. 161, ж9з, л9м, н) раздели­ тельных элементов (поршня, диска, роторов и т. п.) осуществля­ ется отмеривание объемов жидкости или газа. Перечислим ос­ новные их разновидности.

Поршневые счетчики могут быть однопоршневыми (рис. 166, е) и многопоршневыми с коленчатым валом (см. далее рис. 172) или распределительным диском. Они отличаются высокой точ­ ностью и применяются для измерения расхода нефтепродуктов.

Роторные счетчики отличаются друг от друга формой и чис­ лом роторов. Последние могут быть одинаковыми, например, восьмеркообразными (рис. 166, ж)9трапецеидальными (рис. 166, н) или же различными. Широко применяются в качестве газосчетчиков.

Зубчатые счетчики имеют две резко отличные друг от друга разновидности: счетчики с овальными шестернями (рис. 166, з) и счетчики винтовые, состоящие из двух-трех роторов винтовой формы. Те и другие предназначены для измерения жидкостей, причем винтовые лишь при весьма малых расходах. Основное применение имеют счетчики с овальными шестернями для изме­ рения жидкости самой различной вязкости, в том числе и очень высокой. Погрешность ±0,5 % от измеряемого значения.

Укольцевых счетчиков (рис. 166, и) кольцо совершает слож­ ное движение. Оно катится внутри цилиндрической камеры и одновременно скользит вдоль перегородки, разделяющей отвер­ стия для входа и выхода. Погрешность ±(0,2-0,5) % . Благодаря удобству разборки и чистки применяется преимущественно для измерения жидкостей в пищевых производствах.

Удисковых счетчиков (рис. 166, к) диск с шаровой пятой со­ вершает сложное колебательное движение между конусообраз­ ными поверхностями камеры. Ранее дисковые счетчики жидко­ сти широко применялись.

Лопастные счетчики могут быть со скользящими или же со складывающимися лопастями. Наибольшее применение имеют первые. При вращении цилиндрического ротора внутри измери­ тельной камеры лопасти скользят в прорезях ротора. Лопасти имеют либо кулачковое управление (рис. 166, л) либо движутся, упираясь пружинами в стенку камеры. Предназначены для из­ мерения жидкости в трубах диаметром 100-200 мм. Погрешность ±0,2 % в диапазоне 3 : 1 .

Ковшевые счетчики (рис. 166, м) состоят из ротора крестооб­ разной формы, на котором укреплены оси четырех полуцилиндрических ковшей. Под влиянием разности давлений на ковши, находящиеся у входа и выхода жидкости, ротор вращается. При

353

23 П. П. Кремлевский

этом ковши поворачиваются вокруг своих осей, но так, что их наклон к горизонтальной оси счетчика остается неизменным. Предназначены для измерения жидкости в трубах большого диа­ метра от 200 до 400 мм.

15.2. КАМЕРНЫЕ ПОДВИЖНЫЕ СЧЕТЧИКИ

Камерные подвижные счетчики разделяются на опрокидыва­ ющиеся и барабанные.

Опрокидывающиеся счетчики. Применяются лишь для жид­ кости и состоят из двух камер или ковшей, опрокидывание кото­ рых происходит после заполнения одной из камер определенным объемом (см. рис. 166, б) или определенной массой жидкости (см. рис. 166, а) в случае грузового уравновешивания. Первые опрокидываются после начала перетекания жидкости в дополни­ тельный желобок, прикрепленный к наружному краю камеры. Во избежание разбрызгивания жидкости и преждевременного попадания в желобки она поступает через воронки, концы кото­ рых опущены почти до дна камер. Объем камер от 0,5 до 50 л, интервалы между опрокидываниями 10-30 с, соответствующие Яшах = 0,18^6,0 м3/ч. Опрокидывающиеся счетчики удобны для измерения различных жидкостей при малых расходах в очень широком диапазоне, достигающем 50: 1 -100: 1. В этих преде­ лах они сохраняют высокую точность. Погрешность не более ±(0,5-1) % от измеряемой величины и зависит главным обра­ зом от неучитываемого количества тх жидкости, поступающей в камеру в момент ее опрокидывания, и в меньшей степени — от изменения момента трения в опорах.

Для уменьшения погрешности следует в момент, когда напол­ нение очередной камеры заканчивается, автоматически снижать расход подаваемой жидкости по аналогии с тем, как это делается у ковшевых весов. Это делает значение тх малым и не завися­ щим от расхода. Тогда погрешность можно снизить до 0,1 % , что было достигнуто в водосчетчиках Штейнмюллера, опорожнявших­ ся с помощью сифонов. Но при этом устройство счетчика суще­ ственно усложнится.

Опрокидывающиеся счетчики могут работать и при избыточ­ ном давлении, если они помещены в прочный и герметичный корпус, внутрь которого подан воздух (по трубе 4 на рис. 167) под соответствующим давлением. Устройство такого счетчика ма­ зута (на расходы до 700 кг/ч) конструкции Кирмалова, рассчи­ танного на давление до 0,6 МПа и температуру мазута 50-60 °С, показано на рис. 167. Внутри цилиндрического корпуса 3, по­ крытого теплоизоляцией 1, снабженного люком 10 для осмотра и закрывающегося крышкой 6, размещены два призматических ковша 11, имеющих сечение в виде равнобедренных треугольни-

354

7В0

Рис. 167. Опрокидывающийся гравиметрический счетчик мазута

ков. При этом центр тяжести ковша при заполнении будет пере­ мещаться строго по вертикали, и изменение плотности жидкости (например, из-за изменения ее температуры) не внесет дополни­ тельной погрешности. Мазут поступает по трубе 5 в распредели­ тельный желоб 9 и оттуда в один из ковшей. Когда определенная масса жидкости заполнит этот ковш, момент, создаваемый его ве­ сом, преодолеет момент контргруза б, и подвижная стрелка во­ круг оси 12 в положение, показанное штриховой линией. Мазут из опрокинувшегося ковша выливается и по трубе 2 поступает к потребителю. После заполнения левого ковша подвижная сис­ тема повернется против часовой стрелки и вернется в исходное положение. Каждый поворот вызывает срабатывание счетного ме­ ханизма. Во избежание переполнения жидкостью счетчика пред­ усмотрен регулятор уровня жидкости, состоящий из поплавка 7, связанного системой рычагов с клапаном на впускной трубе 5.

Барабанные счетчики. Состоят из барабана, разделенного пе­ регородками той или иной формы на несколько равновеликих измерительных камер. Смещение центра тяжести барабана от вертикали, проходящей через ось его вращения, при поступлении в него жидкости вызывает периодический или непрерывный по­ ворот барабана. В счетчиках газа барабан непрерывно поворачи­ вается под действием разницы давлений газа на входе и выходе. Барабанные счетчики применяют лишь для измерения объемно­ го количества жидкости или газа. Но в случае изготовления ба­ рабанного счетчика жидкости с противодействующим контргру­ зом он может измерять массу прошедшей жидкости.

На рис. 168 показано устройство наиболее распространенного трехкамерного барабанного счетчика жидкости. Вокруг оси счет­ чика имеется кольцевая трубка б, по которой поступает жидкость, выливающаяся затем во внутренний цилиндр 7. Последний име­ ет три щелевых отверстия, сообщающиеся с измерительными ка­ мерами. Из цилиндра 7 жидкость через нижнюю щель 8 перете­ кает в измерительную камеру 10. При этом равновесие счетчика

355

не нарушается, так как каме­ ра занимает симметричное по­ ложение относительно цент­ ральной вертикальной оси. После заполнения камеры 10 станет повышаться уровень в цилиндре 7 и жидкость через щель 2 начнет заполнять ка­ меру 4. Тогда центр тяжести сместится влево, и счетчик по­ вернется на 120° против часо­ вой стрелки. Жидкость через отверстие 1 выльется из каме­ ры 10 в корпус прибора, соеди­ ненный с выходной трубкой,

а камера 4, продолжая заполняться, займет нижнее положение. Трубочки 3, заканчивающиеся открытыми концами в торцевой стенке счетчика, служат для удаления воздуха из камер 4, 5 и 20. Стаканчики 0, впаиваемые в торцевые стенки камер, позволя­ ют точно подогнать объем последних к заданному расчетному значению. Во избежание быстрого опорожнения камер и возмож­ ного проскакивания барабана с преждевременным попаданием жидкости в соседнюю камеру делают перегородки (показаны штри­ ховой линией), которые тормозят выливание жидкости.

По данным фирмы «Сименс и Гальске», подобные барабанные счетчики, имеющие объем каждой камеры 0,33,1, 2, 5, 10 и 20 л, рассчитаны на<7тах, равный 0,25, 0,8, 1,5, 4,0, 7,0 и 12,0 м3/ч соот­ ветственно. Погрешность измерения в диапазоне от 1 до 100 % Qmax не более ±0,5 % , а в диапазоне от 0 до 1 % <7тах не более

±1 % . Особая модель изготовлялась для <7max = 0,05 м3/ч. Подоб­ ные счетчики применяют для измерения количества различных жидкостей, причем для агрессивных их изготовляют из керами­ ческих материалов.

Существуют конструкции счетчиков с большим числом изме­ рительных камер (см. рис. 166, б), но без внутреннего цилиндра. Поэтому жидкость из отверстия в кольцевой трубке, идущей вдоль оси, поступает в одну или сразу две измерительные камеры, нахо­ дящиеся под этим отверстием. Форма камер несимметрична от­ носительно вертикали, проходящей через ось, и по мере заполне­ ния камер центр тяжести счетчика сдвигается вправо. Это — причина непрерывного вращения такого барабана по часовой стрелке.

Погрешность барабанного счетчика зависит от вязкости жид­ кости, как это видно из рис. 169 [18], и, кроме того, от ее поверхност­ ного натяжения, плотности, температуры и трения в опорах. Сте­ пень же этого влияния зависит от расхода. При измерения воды (кривая 2) чем меньше ее расход, тем сильнее сказывается влия­ ние капиллярных сил, образующих мениск в отверстии 8

356

бд,%

Рис. 169. Зависимость погрешности 6? барабанного счетчика жидкости от расхода:

1 — вода; 2 — спирт; 3 — масло малой вязкости; 4 — машинное масло вязкостью 6,8 - 10“5 м2/с; 5 — вода при повышенном трении в приборе

(см. рис. 168) и вызывающих утечку части жидкости из измери­ тельной камеры обратно во внутренний цилиндр. Поэтому при малых расходах кривая 1 поднимается и имеется небольшая по­ ложительная погрешность. При больших же расходах вновь име­ ется небольшой подъем кривой 1 вследствие того, что воздух не успевает выделиться из жидкости и занимает часть объема изме­ рительной камеры. Наконец, при очень большом расходе кривая 1 резко падает, потому что уровень жидкости во внутреннем ци­ линдре повышается и неучитываемая ее часть переливается че­ рез воздушную трубку в камеру 5 и далее в корпус прибора. У спирта, который имеет малое поверхностное натяжение, кривая погрешности 2 близка к горизонтальной. Поэтому, если у воды в диапазоне 100 : 1 погрешность равна ±0,5 % , у спирта она сни­ жается до ±0,2 % (во всяком случае в диапазоне 10 : 1). При вязкой жидкости стенки камер покрываются слоем жидкости и полезный объем их уменьшается. Это приводит к большой поло­ жительной погрешности в начале кривых 3 и 4. Кроме того, уро­ вень во внутреннем цилиндре повышается и при расходах, зна­ чительно меньших, чем у воды или спирта, начинается перетека­ ние неучитываемой жидкости через воздушную трубку в камеру 5, что приводит к резкому падению кривой. Все сказанное прояв­ ляется тем сильнее, чем больше вязкость жидкости. Измерять вязкие жидкости все же можно в уменьшенном диапазоне рас­ ходов, учитывая уменьшение полезного объема камер. Так, по данным [18], можно барабанными счетчиками измерять жидко­ сти, имеющие вязкость до 76 •106 м2/с . Возрастание трения в опорах, равно как и уменьшение плотности жидкости, приводит к возрастанию уровня во внутреннем цилиндре в момент поворо­ та барабана и, следовательно, уменьшению расхода, при котором начинается падение кривой погрешности (кривая 5).

Благодаря хорошим метрологическим характеристикам ба­ рабанные счетчики целесообразно применять во всех случаях,

357

когда требуется высокая точность измерения, а измеряемая жид­ кость находится под атмосферным или небольшим избыточным давлением.

Принципиальная схема барабанного счетчика газа показана на рис. 166, г. Он имеет четыре камеры, измерительный объем которых ограничивается уровнем затворной жидкости (обычно воды), расположенным немного выше оси барабана. Под действи­ ем разности давлений газа на входе и выходе барабан непрерыв­ но вращается. Для увеличения площади проходных отверстий перегородки, разделяющие камеры, дополняют торцевыми поверх­ ностями, близкими по площади к четверти круга. Одна из этих поверхностей направлена в сторону вращения, а другая отогнута

вобратном направлении. Эти поверхности слегка перекрывают­ ся аналогичными поверхностями соседней перегородки, благода­ ря чему образуются большие щели для входа и выхода газа. Ра­ нее газосчетчики с подобными барабанами широко применялись

вкачестве бытовых газосчетчиков и именовались «мокрыми га­ зовыми часами». Затем их заменили на «сухие газовые часы», принципиальная схема которых показана на рис. 166, д. Круг­ лый жестяной диск, прикрепленный эластичными стенками (ме­ хами) из кожи или ее заменителя к основанию, совершает воз­ вратно-поступательное движение, вытесняя определенные объе­ мы газа.

Барабанные же счетчики газа сохранили свое значение для лабораторных работ. У газосчетчиков 1-ГСБ-160 и 1-ГСБ-400 пол­ ные измерительные объемы 2 и 5 л, пределы измерения 0,08-

0,24 м3/ч и 0 ,2 -0 ,6 м3/ч, погрешность ±(0,5-1) % .

15.3.ОСНОВЫ ТЕОРИИ КАМЕРНЫХ СЧЕТЧИКОВ

СДВИЖУЩИМИСЯ РАЗДЕЛИТЕЛЬНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ

Объем V жидкости, прошедшей через счетчик за время £, опре­ деляется уравнением

V = mVQ+ qty

где VQ — объем жидкости, вытесняемый разделительным эле­ ментом за один цикл или оборот; т — число ходов или оборотов этого элемента за время t; q — объем жидкости, протекающей через зазоры в единицу времени.

Разделив это уравнение на время t, получим выражение для объемного расхода qQ

Яо = nVо + q,

где п = m/t — число ходов или оборотов разделительного элемен­ та в единицу времени.

Счетный же механизм прибора или отсчетное устройство рас­ ходомера покажут: Vn = mnVi; qn = nnV\9 где — объем жидко­

358

сти, учитываемый за одно срабатывание счетного механизма; тп — число срабатываний счетного механизма за время t; п = mn/t.

Обозначим i = т/тп = п/пп — передаточное число редуктора между разделительным элементом и счетным механизмом. Тог­ да, подставляя в выражения для погрешностей измерения 8у = = (Va - V)/V и 69 = (qa - q0)/q0 значения Vn, V, qa и q0 из предыдущих уравнений и учитывая, что q « nVQ9 получим

bv =(V1/iV0)(l-q t/ V )-h 8q =(V1/iV0)(l-q / q 0) - l .

Погрешность показаний зависит от относительной протечки q/qо = qt/V через зазоры. Протечка определяет отрицательный знак погрешности. Путем рационального выбора передаточного числа i можно сместить кривую погрешность и тем уменьшить ее абсолютное значение. Для этого надо положить в предыдущих уравнениях 8V ~ §<7= 0 и определить i из уравнений

i = (Уг/У0) (1 - qt/V) = (Vr/VQ) (1 - q/q),

подставляя сюда некоторое среднее значение протечки q/q в пре­ делах диапазона измерения счетчика. Получить при этом 8у = = 8д = 0 во всем диапазоне измерения нельзя, так как q/q не сохраняется постоянным, а изменяется с расходом. Протечка q зависит от толщины зазоров, вязкости жидкости и перепада дав­ ления с обеих сторон разделительного элемента. Значение же от­ ношения q/q зависит, кроме того, еще и от сил сопротивления движению разделительного элемента. Так, при расходе д, мень­ шем порога чувствительности, протечка через зазоры q = g. При этом 8у = 8q = 100 % . Для уменьшения протечки g толщину зазора Д делают очень малой, так, у ротационных газосчетчиков А = 0,04-5-0,08 мм. Поэтому протечка

g зависит главным образом от вяз­ кости измеряемого вещества. Чем меньше вязкость V, тем больше про­ течка д. Это наглядно видно из рис. 170 [10], на котором даны кри­ вые погрешности счетчика с оваль­ ными шестернями Ш-38 на жидко­ стях различной вязкости, зависящие от протечки д. Чем больше вязкость, тем меньше протечка, а значит, и от­ рицательная погрешность счетчика 8у. Характер же кривых зависит от того, как изменяется с изменением

359

сопротивления Nc = NM+ NT, где NMи Nr — работа сил механичес­ кого и гидравлического сопротивлений. Работа NM определяется силами трения на поверхности разделительного элемента (напри­ мер, трением в зубцах овальных шестерен), в опорах, в передаточ­ ном и в счетном механизмах. Пренебрегая некоторой зависимос­ тью части из этих сил от АрЭ9 может принять, что NM= aw9 где а — постоянная; w — скорость движения разделительного эле­ мента. Работа же Nr определяется силами трения жидкости о поверхность разделительного элемента в зазорах, пропорциональ­ ными скоростями w при ламинарном движении жидкости в за­ зорах, а также силами внутреннего трения перемещаемой жидко­ сти и инерционными силами, пропорциональными ю2. Объеди­ няя для простоты последние две силы и учитывая это соответ­ ствующим значением (лежащим в пределах 1,5-2) степени k при скорости w9получим, что NT= (bw + cuft) w, где ft и с — посто­ янные. Тогда уравнение работы примет вид

9оЛРэ = (а + bw + cwk) w.

Но W= kxTiy где k\ — коэффициент пропорциональности, a qQ= = nVQс погрешностью не более ±(0,5-2) % . Подставляя значения qQи ю в предыдущее уравнение, получим

Арэ = А + Вп + Спк9

где А = aki/V0; в = bkf / VD; С = cfef+1 / V0.

При ламинарном движении исходя из закона Пуазейля про­ течка через зазоры q = &о4Рэ, гДе ^0 — коэффициент пропорцио­ нальности. Следовательно,

q = kо (А + Вп + Спк).

Подставляя это значение в уравнение для qQ9 получим

q/qQ= k0 (А + Вп + Cnk)/[nVQ+ k0 (А + Вп + Спк)].

Дифференцируя это уравнение по л и полагая (q/q0Y= 0, полу­ чим значение п9 при котором будет экстремум кривой

п = [A/(k - 1) С]1/к.

Так как знак второй производной положительный, то найден­ ный экстремум есть минимум кривой. Следовательно, относи­ тельная протечка q/qQвначале с ростом qQубывает, а затем после достижения некоторого расхода qom начинает возрастать. Решая совместно последние два уравнения, получим выражение для определения qom

дот = kk0A/(k - 1) + (VD+ kB) [A/(k - 1)

Показанные выше уравнения позволяют охарактеризовать вид зависимости q/qQи 8^ от расхода qQ. Чем больше механические

360