закрученный в последнем, приводит в движение ферромагнит ный шарик 5 по окружности трубы. Частота вращения шарика по кругу преобразуется в электрический частотный сигнал ин дукционным или индуктивным преобразователем 2. Ограничи тельное кольцо 3 удерживает шарик от перемещения вдоль оси трубы. Для выпрямления потока на выходе служат неподвиж ные лопасти 4, Преобразователи с тангенциальным подводом измеряемого вещества, показанные на рис. 156, б, в, применяют при измерении малых расходов. Они проще и опасность засоре ния у них меньше. Во всех случаях шар под действием центро бежной силы прижимается к внутренней поверхности трубы (рис. 156, а) или камеры (рис. 156, б, в), а под действием осевой скорости потока (рис. 156, а) или веса (рис. 156, б, в) — к ограни чительному кольцу. При этом возникают силы механического трения, которые вместе с вязкостным трением жидкости тормо зят шар. В результате окружная скорость центра шара иш отста ет от соответствующей окружной скорости потока v. Это отстава ние оценивается скольжением £ ш, определяемым выражением
Sul = ( v - vm)/v.
Очевидно, и = kqQ9 а / = иш/(2пг), где k — коэффициент пропор циональности; qQ — объемный расход; f — частота электричес ких импульсов в тахометрическом преобразователе; г — радиус вращения центра шара.
Решая эти три уравнения совместно, получим
f = kq0 (1 - Sm)/(2nr).
Для достижения пропорциональности между / и qQнадо иметь постоянство скольжения 5Ш, которое в значительной мере будет зависеть от постоянства коэффициента лобового сопротивления шара сш, определяемого из выражения
F = сшт ^ р(и - иш)2 / 2,
где F — давление жидкости на шар диаметром с1ш; р — плот ность жидкости.
Наибольшее постоянство (в пределах от 0,41 до 0,46) коэффи циент сш сохраняет в области чисел Re от 103 до 105. Поэтому при расчете шариковых расходомеров не следует выходить за эти пределы, а еще лучше выдерживать более узкие пределы: от 7 •103 до 105 [25].
Уменьшение массы шарика снижает скольжение Sm и порог чувствительности и, кроме того, улучшает пропорциональность между f и <70. Испытание двух шариков, имевших йщ = 38 мм и массу 24 и 2 г, дали соответствующие значения Sm, равные 10 и 2 % , и значения порога чувствительности 24 % qmax и 2 % £тах. Обычно шарики выполняют в виде ферромагнитной полой сферы, покры
332
той полипропиленом, полиэтиленом или другой пластмассой. Уве личение отношения плотностей жидкости р и шара рш, как пока зали испытания преобразователя с тангенциальным подводом потока, несколько увеличивает частоту вращения шара [25].
С увеличением вязкости жидкости сокращается область из мерения, в пределах которой сохраняется постоянство градуиров ки шарикового расходомера. Особенно резко Это сказывается с уменьшением калибра расходомера с винтовым направляющим аппаратом. Это одна из причин применения расходомеров с тан генциальным подводом жидкости при малых Dy. Вязкость ока зывает влияние здесь в меньшей степени, хотя с ее увеличением частота вращения шара возрастает из-за увеличения толщины пограничного слоя и уменьшения площади проходного сечения. Уравнения для расчета шариковых расходомеров даны в работе [25]. Согласно ГОСТ 14012-76* шариковые расходомеры пред назначены для измерения расхода жидкости плотностью от 0,7 до 1,4 г/см 3, вязкостью от 0,3 •10_6 до 12 •10“4 м2/с и температу рой от -40 до +160 °С. Допустимы твердые включения при массо вом содержании не более 40 г/л и размерах не более 0,1 мм при Dy = 3 мм, 1 мм при Dy - 6-25 мм, 2 мм при Dy = 32-50 мм, 3 мм при Dy = 70-80 мм, 4 мм при Dy = 100 мм, 5 мм при Dy = 125 мм и 6 мм при Dy = 150-200 мм.
Шариковые расходомеры появились позже, чем турбинные и камерные, но, несмотря на это, они уже получили промышленное применение. Это, в частности, относится к расходомерам типа «Сатурн», разработанным в НИИтеплоприбор на условные диа метры 32, 40, 50, 70,100,125 и 150 мм и максимальные расходы от 2,5 до 400 м3/ч по воде. Их устройство соответствует рис. 156, а, но тахометрический преобразователь индуктивный. Диапазон измерения 5 : 1 . Приведенная погрешность ±1,5 % в пределах от 30 до 100 % gmax и ±2,5 % в пределах от 20 до 30 % <7тах* Потеря давления при gmax не более 50 кПа. Каждый оборот шарик моду лирует по амплитуде колебания несущей частоты в индуктив ном преобразователе дифференциально-трансформаторного типа. Возникающий частотный сигнал по вторичной обмотке преобразо вателя подается в частотно-амплитудный преобразователь ЧАП-5, где поступает сначала на операционный усилитель, отфильтро вывающий несущую частоту и усиливающий полезный сигнал. Затем последний проходит формирователь и ждущий мульти вибратор, в которых формируются прямоугольные импульсы ста бильной длительности. Формирователь амплитуды производит нормирование импульсов по амплитуде, а фильтр позволяет вы делить постоянную составляющую последовательности импуль сов. С помощью генератора тока формируется унифицированный выходной токовый сигнал 0 -5 мА. Расходомеры с успехом ис пытывали на морской воде с содержанием абразивных частиц до 40 г/л, водном растворе хлористого кальция, формалине, каусти ке и горячем конденсате. Они оказались значительно более стой
333
кими и надежными, чем турбинные расходомеры при работе на мазуте, хотя и наблюдалось засорение их волокнистыми матери алами. Вместе с тем было отмечено, что при открытом байпас ном отверстии у преобразователя «Сатурн-50» при переходе от газотурбинного топлива к мазуту, вязкость которого в 20 раз боль ше, показания возрастали на 20 % , а при закрытом байпасном отверстии влияние вязкости было меньше 2 % .
Наряду с расходомером «Сатурн» в НИИ теплоприбор разра ботан шариковый расходомер типа «Шторм-8А». Его преобразо ватель расхода типа «Шадр-8А» изображен на рис. 157. В корпу се 2 располагается неподвижный узел, содержащий ступицу и два направляющих аппарата 1 с ограничительными кольцами. Между последними в канавке находится ферромагнитный ша рик 3. С наружной стороны корпуса имеется место для закрепле ния на винтах тахометрического индукционного преобразовате ля типа МИП-1, состоящего из катушки и магнитного сердечни ка. Расходомер «Шторм-8А» предназначен для измерения расхо да дистиллята в пределах 2 -8 м3/ч при давлении 5 МПа и темпе ратуре 2-100 °С в трубе диаметром 32 мм. Погрешность ±1,5 %
вдиапазоне от 20 до 100 % qmax. Потеря давления 50 кПа при <7шах* Кроме того, имеется расходомер «Шторм-32М», преобразо ватель которого «Шадр-32М» предназначен для размещения
вконкретных энергетических установках и не имеет прочного корпуса. Измеряемые расходы жидкости от 8 до 50 м3/ч при дав лении 10 МПа и температуре 2-285 °С в трубе диаметром 60 мм. Погрешность ±1,5 % в диапазоне от 20 до 100 % <7тах* Потеря
давления 25 кПа при <7тах. Результаты эксплуатации расходоме ров типа «Шторм» приведены в работе [019].
В дополнение к расходомерам «Сатурн», предназначенным для труб диаметром от 32 до 150 мм, в НИИтеплоприбор разработаны расходомеры типа ШРТ для труб диаметром от 3 до 25 мм и на максимальные расходы от 0,1 до 10 м3/ч. Рабочее давление 2,5 МПа. Погрешность ±1,5 % в пределах от 25 до 100 % gmax и ±2,5 % в пределах от 10 до 25 % <?тах. Потеря давления при <7тах не более 50 кПа. Расходомеры ШРТ не имеют винтового направ ляющего аппарата. Подвод жидкости у них тангенциальный по
1
Рис. 157. Шариковый преобразователь расхода «Шадр-8А* у расходомера «Шторм»
334
схеме, показанной на рис. 156, в. Промежуточный частотно-амп литудный преобразователь типа ЧАП-5 такой же, как и у расхо домеров типа «Сатурн».
Частота вращения шарика обычно много меньше, чем частота вращения турбинки. Соответственно меньше и частота сигнала, измеряемая лишь десятками герц. Для повышения этой частоты до 200 Гц в Одесском политехническом институте разработан расходомер, у которого индукционный тахометрический преобра зователь имеет кольцевой магнит с двенадцатью полюсами.
Несомненное преимущество шариковых расходомеров перед турбинными — возможность измерения загрязненных жидкостей, обусловленная отсутствием изнашиваемых подшипников, и про стота конструкции. Однако диапазон измерения у них меньше, а погрешность несколько выше. Кроме того, их показания силь нее зависят от вязкости жидкости. Изнашивание шара и дорож ки качения приводит к появлению отрицательной погрешности. Потеря давления достигает 0,05 МПа при <7тах (У многих турбин ных расходомеров меньше).
За рубежом нашли применение [68] главным образом шари ковые расходомеры с тангенциальным подводом для измерения малых расходов в диапазонах 0,5-5 л/ч и 5-50 л/ч. В расходоме ре фирмы «Бопп—Рейтер» частота вращения шарика велика и достигает 500 об/с. Соответственно и потеря давления доходит до 0,4 МПа. Приборы служат только для измерения расхода, так как их градуировка нелинейная.
14.12.РОТОРНО-ШАРОВЫЕ РАСХОДОМЕРЫ
Уроторно-шаровых расходомеров в отличие от шариковых шар или другое тело вращения движется не по кругу, а вращается вокруг своей оси под воздействием потока измеряемого вещества. Иногда эти приборы называют расходомерами с левитирующим шаром или расходомерами с гидродинамической подвеской рото ра. Они пока не нашли широкого применения, однако имеется несколько их разновидностей, отличающихся друг от друга, в част ности, способом приведения шара во вращение.
Преобразователь расхода одного из таких расходомеров типа «Глобус» показан на рис. 158 [28]. В корпусе 1 запрессована втул ка 3, внутри которой находится шар 4. Последний имеет канав ку на горизонтальной окружности и, кроме того, для обеспечения надлежащей своей ориентации в пространстве воздушную полость,
вверхней части закрываемую пробкой 7. Втулка 3 закрыта сверху крышкой 2, а снизу крышкой, в которой расположены две индук ционные катушки 8 тахометрического преобразователя. Жидкость через отверстие в корпусе 1 входит в кольцевой коллектор 6, от куда через два тангенциальных отверстия 10 диаметром 0,4 мм поступает в камеру, где расположен шар, и вызывает его враще ние. При этом гидродинамические силы способствуют такому
335
Рис. 158. Преобразователь расхода расходомера «Глобус» (с шаровым ротором)
расположению шара по высоте, при котором его канавка оказы вается в зоне действия струй, вытекающих из отверстий 10. Вра щение шара с помощью двух находящихся в нем магнитных стержней 9 и индукционных катушек 8 преобразуется в модули рованный электрический сигнал. Жидкость удаляется через два кольцевых коллектора 5 в выходную трубу. Расходомер «Гло бус» рассчитан на расходы от 0,3 * 10“6 до 5 •10“6 м3/с и давле ние до 25 МПа. Приведенная погрешность ±1 % . Потеря давления при расходе 3 •1(Г6 м3/с не более 0,03 МПа. Допустимы механичес кие примеси в жидкости при размере частиц не более 0,04 мм (0,1 от диаметра тангенциальных отверстий). Градуировочная харак теристика расходомера достаточно линейна. Некоторую анало гию с преобразователем расходомера «Глобус» имеет безопорный преобразователь с вращающимся кольцевым диском. Жидкость тангенциально поступает в камеру и приводит во вращение коль цевой диск, наружный диаметр которого на 5 % меньше внутрен него диаметра камеры. Частота вращения диска преобразуется в импульсы тока с помощью светлых меток, нанесенных на торце вой поверхности диска, видимых посредством волоконного опти ческого устройства и воздействующих на фотодетектор. Диапа зон измерения от 0,06 до 6 мл/с.
Принципиальная схема другой разновидности преобразовате ля расходомера с шаром, вращающимся вокруг своей оси, приве дена на рис. 159. В основе его работы лежит следующее явление. Шар 3, помещенный в полости 2 определенной геометрической формы, в которую жидкость поступает через входное отверстие 1 и уходит через выходное отверстие 3, будет взвешиваться пото ком и занимать определенное положение, начиная с некоторого значения расхода. Если такой шар снабдить сквозным диамет ральным отверстием, то он будет вращаться со скоростью, про порциональной объемному расходу жидкости, вокруг оси, перпен дикулярной к оси потока. Для передачи частоты вращения шара в него запрессовывается магнитная вставка 4, а снаружи диамаг нитного корпуса преобразователя помещается индукционный узел 5 съема сигнала.
336