Тахометрические, скоростные и объемные устройства для измерения расхода и количества
Тахометрический метод нашел широкое применение для измерении расходов холодной и горячей воды, кислот, щелочей, жидких продуктов нефтеперегонки, газов и других веществ, химически не действующих на рабочие части приборов. В методе используется тахометрический преобразователь расхода, в котором скорость движения чувствительного элемента, взаимодействующего с потоком, зависит от расхода вещества. Момент на подвижной части этих устройств создается за счет кинетической энергии самого измеряемого потока. Классификация тахометрических устройств по виду рабочей (чувствительного) элемента.
Рисунок 5.1 – Тахометрические средства измерения расхода и количества
Скоростные счетчики. Измерители расхода этого типа применяют для измерения суммарного количества жидкости (в основном воды) при температурах до 90 0С и давлениях до 1-1,6 МПа. Принцип действия основан на суммировании числа оборотов помещенного в поток вращающегося чувствительного элемента за определенный промежуток времени. В качестве рабочего элемента в скоростных счетчиках применяют вертикальные (аксиальные) или горизонтальные (тангенциальные) вертушки (турбинки). Частота вращения вертушки пропорциональна средней скорости потока, а следовательно, и объемном; расходу. Число оборотов суммируется счетным механизмом, а количество жидкости в единицах объема указывается счетным устройством. Счетчики количества характеризуются следующими параметрами: калибром - условным проходным диаметром входного патрубка; пределами допускаемой основной погрешности (% от действительного количества жидкости); потерей давления, вызываемой прибором; начальным, номинальным и верхним пределами измерений; порогом чувствительности; емкостью счетчика - наибольшим значением количества жидкости, показываемым счетным механизмом; предельно допускаемым избыточным давлением и предельной температурой измеряемой среды.
Погрешность счетчиков зависит в основном от вязкости, температуры и расхода среды и определяется экспериментально. Следует учесть, что потеря статического давления, вызываемого счетчиком, возрастает с увеличением расхода и вязкости и является критерием его пропускной способности. Нижним пределом измерения считается тот наименьший расход, при котором погрешность показаний прибора не превышает допустимую, а эксплуатационным - наиболее длительный расход, при котором погрешность также не выходит за пределы допускаемой и прибор выдерживает длительный срок эксплуатации. Номинальный расход принимается равным половине максимального, в качестве которого устанавливается величина расхода, допускающего работу прибора с ограниченным сроком (1-2 ч/сут). Скоростные счетчики бывают крыльчатые и турбинные. Они имеют одинаковые по назначению узлы и кинематическую схему, но отличаются типом чувствительного элемента (вертушка, установленная перпендикулярно потоку, и турбинка с аксиальным расположением в потоке). При работе прибора вращение оси крыльчатки (турбинки) передается через редуктор и магнитную муфту счетному механизму, имеющему индикатор показаний в виде счетчика. Счетчики с крыльчатым рабочим органом в зависимости от размещения счетного механизма подразделяются на два типа: "мокроходы" (счетный механизм расположен непосредственно в жидкости) и "сухоходы" (счетный механизм отделен соответствующим устройством). Первые имеют более простую конструкцию, но их эксплуатация возможна лишь в чистых жидкостях. Кроме того, в зависимости от способа подвода жидкости к крыльчатке эти счетчики делятся на одноструйные и многоструйные. Однострунные имеют меньшие потери давления, так как измеряемая среда протекает по счетчику по кратчайшему пути без образования "застойных" зон.
Рисунок 5.1 – Скоростные крыльчатые счетчики
Конструкция такого одноструйного "сухохода" состоит из корпуса 1; кожуха 2 с откидной крышкой, крыльчатки 3 звездообразной формы, вращающейся на вертикальной оси с агатовой точечной опорой; редуктора 4, соединяемого через магнитную муфту 5, одна половина которой находится в сухой части счетчика, а другая в мокрой; со счетным механизмом 6, имеющим циферблат с роликовым и стрелочным указателями. Счетный механизм отделен от редуктора немагнитной герметичной перегородкой 7. Счетчик снабжен регулятором для тарировки прибора. Для этого во входном патрубке имеется канал 8, соединяющий полость патрубка с камерой крыльчатки таким образом, что поступающая из него жидкость тормозит вращение крыльчатки. Винтом 9 перекрывается проходное сечение канала (уменьшается или увеличивается тормозящее действие), чем и достигается регулирование оборотов крыльчатки, необходимое при тарировке прибора. Вода из трубопровода поступает через фильтр 10 на лопатки крыльчатки и приводит ее во вращение и посредством редуктора и муфты 11 передает его счетному механизму, по показаниям которого определяется количество протекающей жидкости. В многоструйном датчике жидкость поступает в нижнюю часть корпуса через ряд отверстий и несколькими струями попадает на лопатки крыльчатки, вращая ее. Спиралеобразным движением жидкость затем поднимается вверх вдоль оси и через верхние отверстия удаляется в выходной патрубок. В турбинных счетчиках движущийся поток вращает турбинку, представляющую собой многоходовой (4-6 заходный винт) с большим шагом. Частота вращения n винта пропорциональна средней скорости потока cp и обратно пропорциональна шагу лопасти k:
n = c cp/k,
где с - постоянная счетчика. Средняя скорость cp связана с объемным расходом Q0 жидкости и площадью проходного сечения F формулой cp = Q0/F. Подставив это выражение в формулу, получим
Qv = nFk/c,
т.е. расход пропорционален частоте вращения турбинки. На точность показаний этих приборов значительное влияние оказывает направление (параллельность оси вертушки) потока, так как малейшие завихрения его в зоне вертушки сказываются на частоте вращения винта.
Рисунок 5.3 - Схема аксиального счетчика
Устройство скоростного аксиального счетчика состоит из измерителя скорости потока 1 и счетной головки 2. Измеритель скорости имеет корпус 3, турбинку с осью и червяком 4, струевыпрямитель 5, кронштейн 6 и регулятор 7. Корпус имеет фланцы для присоединения к трубопроводу и горловину для установки счетной головки. Струевыпрямитель, предназначенный для выпрямления потока, попадающего на лопасти, помещается перед турбинкой. Там же располагается передняя радиальная опора 8 оси турбинки. Торцовая регулируемая опора 9 размещена в кронштейне 6 и выполнена в виде винта с закрепленным в торце корундовым камнем. Регулятор 7 используется при тарировке счетчика. Поворот пластины регулятора отклоняет в ту или другую сторону часть потока, что замедляет или ускоряет вращение турбинки. Счетная головка 2 на весь ряд турбинных счетчиков единая, унифицированная и подобно крыльчатым счетчикам состоит из редуктора и счетного механизма т. Связь турбинки со счетным механизмом осуществляется через червячную 11 и цилиндрическую пары 12, а также магнитную муфту 13. Счетчики этого типа устанавливают на горизонтальных участках трубопроводов, имеющих прямые участки перед счетчиком длиною более пяти, а за ним – один-два диаметра трубопровода. Крыльчатые счетчики выпускают на расходы 0,05-1,5 м3/ч с диаметром условного прохода 20-50 мм, а турбинные - на расходы 1,5-175 м3/ч при диаметре условного прохода 50-180 мм. Счетчики имеют небольшую потерю давления (< 0,01 МПа). Некоторые типы счетчиков, помимо местной шкалы, имеют дистанционную передачу показаний, в виде преобразователя вращения стрелки в импульсный электрический сигнал с помощью магнитоуправляемого контакта, располагаемого под стрелкой и управляемого магнитом, закрепленным на стрелке. Показания передаются в виде число-импульсного кода с ценой деления одного импульса кода 0,05-0,5 м3.
Объемные счетчики и расходомеры. Объемные счетчики, обладающие большей точностью, чем скоростные, применяют для измерения веществ с повышенной вязкостью (до 300 сСт) и более высокой температурой (до 170 °С). Расход протекающей жидкости измеряется отдельными, равными объемами, вытесняемыми из измерительной камеры прибора под действием разности давлений на счетчике. Число пропущенных доз суммируется и индицируется указателем счетного механизма. Счетчики данного типа используются в контурах охлаждения печных агрегатов и системах подачи жидкого топлива с целью контроля и управления технологическими режимами печей. К их числу относятся: поршневые, винтовые, с овальными шестернями, лопастные, ротационные и т.п. В металлургии применяются мазутомеры поршневого типа. Существуют конструкции устройств, используемые в качестве счетчика-расходомера топлива со встроенным суммирующим устройством и дистанционной передачей показаний. Расходомер имеет четырехпоршневой гидромотор и тахометрическую головку. В гидромоторе четыре поршня, тесно связанные со штоками, перемещаются в мерных цилиндрах под действием разности давлений, действующих со стороны потока на поршни на впуске и выпуске. Штоки с помощью дисков преобразуют прямолинейное движение штока во вращательное движение вала, на котором закреплен кривошип, приводящий в движение клапан. Клапан последовательно соединяет цилиндры с входным и выходным патрубками. При заполнении двух цилиндров поршни в них поднимаются, а в двух диаметрально противоположных опускаются, вытесняя жидкость в выходной патрубок. Ход поршней регулируется установкой диска, а следовательно и объем вытесняемой жидкости определяется числом ходов поршней в цилиндрах и измерительным объемом цилиндров. Вращательное движение вала передается через редуктор на счетный механизм.
Рисунок 5.4 - Объемный поршневой расходомер
Принцип действия поршневого расходомера. Жидкость через патрубок 1 и распределительный клапан 2 направляется под поршень 3 в полость А мерного цилиндра 4. Вещество, находящееся в полости Б, вытесняется поршнем и через клапан 2 уходит в патрубок S. При подходе поршня к верхнему положению клапан 2, связанный кривошипным механизмом 6 со штоком поршня 7, перемещаются в положение, указанное пунктиром. Теперь жидкость поступает в камеру Б и из камеры А вытесняется через клапан. Устройства с дистанционной передачей показаний дополнительно снабжены нормирующим преобразователем, электрический сигнал которого имеет частоту, пропорциональную скорости вращения вала. Частотный сигнал преобразуется в аналоговый 0-5, 0 -20 или 4-20 мА постоянного тока.
Счетчики-расходомеры мазута выпускаются на расходы 0,050-4,0 м3/ч и имеют диаметр условного прохода 15-32 мм, класс точности 0,6-2,0. Контролируемая среда должна иметь температуру в пределах 10-120 °С, давление до 2 МПа, допускаемый минимальный расход 15% от максимального. Счетчики имеют большую потерю давления 3-6 % от максимального, что требует предусматривать резерв по давлению при их установке. Счетчики устанавливают на горизонтальном участке с предварительной фильтрацией измеряемой среды. Лопастные счетчики. Счетчики лопастного типа предназначаются для измерения количества агрессивных и неагрессивных жидкостей с вязкостью от 0,55 до 300 сСт, давлениях 1,0-6,4 МПа и температуре (-40)÷(+60) 0С. Пределы измерения номинальных расходов 45-420 м3/ч. Принцип действия основан на том, что поток жидкости, поступающий через входной патрубок в измерительную камеру, теряет часть напора на создание крутящего момента на роторе с выдвижными лопастями. Измерение объемного количества жидкости происходит путем периодического отсекания определенных объемов жидкости, заключенных в полости между двумя лопастями и цилиндрическими поверхностями измерительной камеры и барабана. За полный оборот отсекаются четыре объема, суммарная величина которых равна емкости измерительной камеры. Конструктивно счетчик состоит из измерителя объема и счетного указателя (барабанного цифрового счетчика). Измеритель объема имеет корпус с патрубками для отвода и подвода измеряемой среды, измерительную камеру с крышкой и днищем, редуктор и магнитную муфту 2. Измерительная камера 1 является основным узлом прибора. В ней помещены барабан 3 с лопастями 4, ось с кулачком 6, ролики 5. В крышке измерителя объема установлены редуктор и магнитная муфта. Под воздействием потока вращается барабан с четырьмя лопастями, расположенными в диаметрально противоположных направлениях под углом 90° друг к другу. В приливе каждой лопасти на осях установлены ролики 5, которые при вращении обкатываются по кулачку 6, неподвижно закрепленному на оси. Благодаря этому лопасти совершают возвратно-поступательное движение, отсекая за один оборот строго определенные объемы. Движение барабана через шестерни и магнитную муфту и редуктор передается на цифровые барабаны. Блок сменных шестерен позволяет точно установить показания в соответствии с действительным расходом. Показания лопастных счетчиков в значительной мере зависят от вязкости среды (изменение, вязкости от 6 до 300 сСт снижает номинальный расход с 70 до 28 м3/ч). Счетчики этого типа снабжаются автоматическим термокорректором и блоком-датчиком дистанционной передачи показаний. Допускаемые пределы измерения 25-150 % от номинального. Класс точности 0,25-0,5. Диаметры условного прохода 100-250 мм. Шестеренные и ротационные счетчики. Объемные счетчики жидкости с овальными шестернями в настоящее время получили широкое распространение. В измерительной камере 1 под действием разности давлений ∆Р = Р1 - Р2 потока свободно вращаются две овальные шестерни 2, приведенные в зацепление друг с другом. В положении I на левой шестерне возникает вращающий момент М, который поворачивает ее, перемещая одновременно и правую до положения II, где уже действуют моменты на обе шестерни. В третьей позиции момент действует лишь на правую шестерню. Таким образом, за один оборот счетчик пропускает четыре измерительных объема Q. Счетное устройство фиксирует обороты одной из шестерен. Вращение шестерен через передаточный механизм, состоящий из магнитной муфты и редуктора, передается роликовому и стрелочному указателям. Роликовый служит для индикации количества, а стрелочный – расхода среды. Счетчики этого типа измеряют жидкости с вязкостью 0,55-300 сСт, давлением до 6,4 МПа и температурой (-50)÷(+50) °С. Потеря давления в счетчике не превышает 0,05 МПа и зависит от вязкости среды. Погрешность измерения не превышает ±0,5 % от действительного количества. Счетчики выпускаются с диаметром условного прохода от 25 до 65 мм и номинальным расходом от 2,2 до 17,0 м3/ч. Они монтируются на горизонтальных и вертикальных трубопроводах с обязательной установкой перед ними фильтров-газоотделителей. Контроль объемного расхода очищенных неагрессивных горючих газов (природного, смешанного, светильного, пропан-бутана, доменного, генераторного, коксового и др.) осуществляют с помощью счетчиков ротационного типа. Счетчики позволяют измерять расходы в пределах от 40 до 1000 м3/ч с погрешностью менее 2,5 % и работают при давлениях до 6,4 МПа и температуре (-50)÷(+50) °С. Выпускаются счетчики калибром от 50 до 200 мм.
Рисунок 5.5 - Устройство лопастного (а), шестеренного (б) и ротационного (в) счетчиков
В корпусе 1 размещены два двухлопастных поршня-ротора 2, имеющих форму восьмерки или овала, передаточный и счетный механизмы. Шестерни роторов находятся в постоянном зацеплении. Принцип действия подобен счетчику с овальными шестернями. Газ поступает через верхний патрубок (указан стрелкой) в корпус прибора, вращает роторы и выходит через нижний патрубок. За один оборот пропускается объем Q, показанный штриховкой. Конец одного из валов связан с редуктором и счетным механизмом. Расход газа пропорционален числу оборотов ротора. Утечки газа между вращающимися роторами и корпусом невелики и зависят от вязкости газа. Ротационные счетчики небольшой пропускной способности монтируются непосредственно на трубопроводах, а остальные – на специальном фундаменте и соединяются фланцами. Перед счетчиками требуется обязательная установка фильтра. Потери давления при номинальном давлении 0,1 МПа составляют 0,3 кПа. Небольшие количества газов (до 6 м3/ч) измеряются барабанными счетчиками или газомерами и счетчиками с мерными мехами и клапанным механизмом газораспределения. Тахометрические расходомеры. В последние годы весьма перспективными стали турбинные и шариковые тахометрические расходомеры, так как их выходные преобразователи имеют унифицированные сигналы, легко встраиваются в системы автоматического контроля и регулирования и позволяют использовать их в системах с информационными и управляющими машинами. Применение таких преобразователей вместо механических счетчиков и указателей повышает надежность и точность измерений. Тахометрические приборы относятся к скоростным расходомерам и по принципу действия мало отличаются от обычных скоростных счетчиков. Они изготовляются в виде роторных устройств с аксиальной или тангенциальной крыльчаткой, вращающейся в потоке, или приборов безроторного типа с шариковым преобразователем. Скорость вращения чувствительного органа в них пропорциональна средней скорости потока. Эти приборы отличаются способом преобразования скорости числа оборотов вертушки в электрический сигнал. Измерение числа оборотов может быть осуществлено электромагнитным I, фотоэлектрическим II, радиоактивным III и другими способами. Электромагнитные расходомеры получили наиболее широкое распространение и в свою очередь делятся на магнитоиндукционные (а), магнитоэлектрические (б) и индукторные (в). Магнитоэлектрические расходомеры имеют обмотку 1, помещенную в поле постоянного магнита 2 и крыльчатку 3, выполненную из ферромагнитного материала, которая при вращении циклически изменяет сопротивление магнитной цепи. Это создает в катушке пульсирующую Э.Д.С., по частоте которой судят о скорости вращения крыльчатки.
Рисунок 5.6 - Схемы тахометрических преобразователей
Магнитоэлектрические измерители реализуют принцип магнитоэлектрического генератора. При вращении постоянного магнита 1, устанавливаемого в лопастях турбинки 2, периодически меняется магнитный поток и в обмотке 3 наводится э.д.с. с частотой f=mn/ 60 Гц где m – число пар полюсов; n – скорость вращения ротора, об/с. В индукционных расходомерах трубопровод 1 охватывается кольцевой магнитной системой, состоящей из двух постоянных магнитов 2 и сердечников 3 из магнитомягкого материала с обмотками. При вращении ротора 5 каждая пара магнитопроводящих лопастей 4 попеременно занимает положение между одной или другой парой полюсов. Вследствие этого направление магнитного потока в магнитопроводе меняется, а в катушках 4 наводится э.д.с, частота которой пропорциональна скорости ротора. Индукционные приборы дают больший сигнал, чем магнитоиндукционные, при одинаковом тормозном моменте на роторе. Наибольший тормозной момент создается в магнитоэлектрическом преобразователе, и они используются только в расходомерах большого калибра. Фотоэлектрические и изотопные измерители включают приемник 1 и излучатель 2, действующий на приемник с частотой, пропорциональной скорости вращения крыльчатки 3. Турбинные расходомеры малого калибра (до 200 мм) снабжаются дифференциально-трансформаторными преобразователями.
Рисунок 5.7 - Схема турбинного изометрического расходомера
Сам преобразователь заключен в корпус 1, имеющий струевыпрямители 2 и 4, соединенные неподвижной осью, на которой вращается турбинка с винтовыми лопастями 3. Лопасти выполнены из ферромагнитного материала. На наружной поверхности корпуса укреплен передающий дифференциально-трансформаторный преобразователь 5. Импульсный сигнал передающего преобразователя обычно преобразуется в унифицированный выходной сигнал постоянного тока 0-5 мА или постоянной напряжение 0-100 мВ с помощью электронного преобразователя 6, стоящего из генератора 7, усилителя с демодулятором 8, фильтра 9, усилителя низкой частоты 10, мультивибратора 11 и выходного узла 12. В качестве внешней нагрузки (Rн) используются вторичные регистрирующие миллиамперметры, интеграторы или регулирующие приборы. Преобразователь 5 имеет первичную обмотку, питаемую от генератора переменным током 4-6 кГц, две включенные встречно секции вторичной обмотки и два сердечника C1 и С2. Подвижный сердечник С1, позволяет производить регулировку взаимоиндуктивности первичной и вторичной обмотки для подгонки минимальной остаточной э.д.с. датчика в случае, когда лопасть не находится прямо напротив торца сердечника С2. В момент прохода ферромагнитной лопасти мимо сердечника С2 изменяется взаимоиндукция секций первичной и вторичной обмоток и на выходе появляется сигнал переменного тока Uвых частотой 3-6 кГц, амплитуда которого выше, чем остаточный сигнал. С выхода модулированный по амплитуде сигнал подается на демодулятор 4 фильтра. Фильтр отсекает несущую частоту, а сигнал с частотой модуляции поступает на усилитель, ждущий мультивибратор, и в выходную часть, где импульсные сигналы преобразуются в унифицированный сигнал постоянного тока 0-5 мА. Приведенная выше схема реализована в турбинном расходомере мазута, работающем под давлением 6,4 МПа и при температуре от 50 до 150 °С. Пределы допускаемой погрешности в диапазоне измерений от 30 до 100 % номинального расхода не превышают ±2 % при потере давления не более 0,05 МПа. Шариковые расходомеры. Приборы этого типа имеют преимущество перед роторными вследствие простоты конструкции (отсутствие опорных элементов), высокой эксплуатационной надежности (гарантируется 10000-12000 ч работы при наличии твердых механических включений в виде окалины, ржавчины, песка и др. с концентрацией до 40 г/л и размером 1-2 мм, повышенных температур до +500 °С и агрессивных сред).
Рисунок 5.8 - Схема тахометрического шарикового расходомера
Расходомер состоит из преобразователя расхода I и нормирующего преобразователя сигнала II. В качестве подвижного элемента применен шарик 1, совершающий под действием закрученного потока планетарное вращательное движение. Для этого в корпусе 2 размещается узел с осевым (иногда тангенциальным) подводом измеряемой среды. Осевой подвод требует закрутки потока с помощью направляющего аппарата 3, выполненного в виде многозаходного винта. При выходе из прибора поток сглаживается струевыпрямителем 4. На крестовине струевыпрямителя находится ограничивающее кольцо 5, удерживающее шарик 1, выполненный из ферромагнитного материала с пластмассовым или резиновым покрытием, который может свободно вращаться в полости вокруг неподвижной ступицы 6 струевыпрямителя. Жидкость приобретает угловую скорость w, пропорциональную объемному расходу Qv:
w = 4Qv/( nd2R) = cQv,
где d - диаметр входных отверстий, м; n - число отверстий; R - радиус окружности, на которой расположены оси входных отверстий, м. Скорость вращения шарика регистрируется индуктивным или дифференциально-трансформаторным преобразователем 7, частота наводимых пульсаций сигнала которого пропорциональна объемному расходу среды. Питание дифференциально-трансформаторного преобразователя осуществляется блоком 8, выходной сигнал которого подается на операционный усилитель 9 нормирующего преобразователя, для фильтрации постоянной составляющей и несущей частоты, возбуждаемой генератором. Нормирующий преобразователь осуществляет усиление и усреднение входных импульсов, возбуждаемых вращением шара и имеющих частоту, пропорциональную частоте этого вращения. В формирователе 10 и мультивибраторе 11 формируются прямоугольные импульсы постоянной длительности, которые в блоке формирования амплитуды 12 нормируются по амплитуде и с помощью фильтра 15 и генератора тока 16 трансформируются в постоянный аналоговый сигнал 0-5 мА. Питание устройства осуществляется от блока 13, а индикация сигнала - схемой 14. Шариковые расходомеры выпускают с диаметрами условного прохода от 3 до 150 мм и расходами от 0,025 до 400 м3/ч соответственно. Предельное избыточное давление до 6,4 МПа, температура от 5 до 100 0С. Класс точности не более ±1,5-2,5 %, потери давления - 0,05 МПа. Винтовые расходомеры. Устройства подобного типа используют для измерения расходов мазута, масел, вязких жидкостей, при температуре 50–125 °С, давлении до 6,4 МПа. Принцип действия расходомеров основан на учете определенных объемов измеряемой среды, заключенных в полостях между цилиндрическими расточками в корпусе измерителя и ведущим и ведомым винтами. Винты вращаются за счет напора потока, проходящего через полость измерителя. Расходомер состоит из преобразователя расхода и измерительного преобразователя. В преобразователе расхода ведущий винт через редуктор связан с магнитной муфтой, преобразующими частоту вращения винта в импульсы тока с помощью индуктивного датчика. В измерительном преобразователе происходят усиление сигналов, подсчет числа импульсов в электромеханическом импульсном счетчике количества и измерение расхода в преобразователе "частота–ток". Некоторые типы этих расходомеров снабжены роликовыми указателями суммарного и разового количества или преобразователями выходного сигнала в унифицированный токовый сигнал 0–5 мА. Устройства имеют индукционный преобразователь, в котором магнитные метки, установленные на ведущем винте, возбуждают при вращении импульсы тока, преобразуемые блоком нормирования импульсов в аналоговый сигнал. Индикатором расхода служит цифровой указатель. Винтовые расходомеры имеют диаметры условного прохода 10-32 мм, номинальные расходы 0,20-16 м3/ч, класс точности 1-2, потери давления 0,1 МПа.
Воспользуйтесь поиском по сайту: ©2015 - 2024 megalektsii.ru Все авторские права принадлежат авторам лекционных материалов. Обратная связь с нами...
|