Файл: Ильинский В.М. Измерение массовых расходов.pdf

жемия ротора от момента запишется:

измеряется сумма момента массового расхода и момента сил вяз­ кого трения, причем мерой расхода служит выражение A'=ss /1—sÄ .

Влияние момента сил вязкого трения на показания расходо­ мера выразим как относительную погрешность прибора при одина­

ковой величине массового расхода и различных вязкостях среды

ц и ц':

1 — s'

Vi

K&1

K1Gwc + K№<û0

Очевидно, что при переменной вязкости показания такого рас­ ходомера не будут однозначно определять расход и вариации пока­ заний 'будут зависеть от соотношения коэффициентов КгІКі и изме­ нений G и и..

В компенсационном расходомере с асинхронным электроприводом чувствительных крыльчаток, принимая коэффициент k' одинаковым

для обоих электроприводов, аналогичные зависимости при скольже­ ниях первой и второй крыльчаток 5 Д І и Sm запишутся для идеального

расходомера без момента сил вязкого трения:

И для расходомера с действующими моментами вязкого трения

93

Выразим величину погрешности компенеациоиного расходомера (см. рис. 8, П-6) рассматриваемого типа от моментов сил вязкого трения при условии одинаковых величин расходов в приборе и раз­ личных влзкостях |х и |л':

Выражение для погрешности от вязкости в компенсационных рас­ ходомерах с асинхронным приводом показывает, что уменьшение по­ грешности измерения прибора зависит от величины отношения k ІКг

и повышения жесткости механической характеристики электроприво­

борасходомере погрешность зависит от отношения чувствительности массового расходомера и геометрии ротора, влияющей на момент сил вязкого трения, то в компенсационном расходомере геометрические параметры влияют на погрешность в зависимости от жесткости меха­ нической характеристики. В турборасходомере относительная погреш­ ность при увеличивающейся вязкости отрицательна и уменьшается с увеличением расхода. В компенсационном расходомере погрешность является постоянной во всем диапазоне измеряемых расходов.

Испытания компенсационного расходомера с асинхронным элек­ троприводом чувствительных крыльчаток {Л. 1] на средах с различ­ ной вязкостью подтвердили незначительность влияния вязкости на работу прибора. Конструкция разработанного в Институте проблем управления и технической кибернетики (ИПУ ТК) первичного преоб­ разователя расхода представляет собой две геометрически и электри­ чески идентичные половины, каждая из которых состоит из статора, расположенного снаружи трубопровода, я ротора, в расточке которо­ го помещалась прямолопастиая крыльчатка. Привод роторов осуще­ ствлялся через стенку трубопровода, изготовленного из нержавеющей стали марки 1X13 толщиной 1 мм. В этом приборе были использова­ ны асинхронные двигатели ДВА-УЗ, внутри роторов которых поме­ щалась крыльчатка, имеющая

- ^ ( 4 к с + г м н Н ) т 2 ' 3 1 с м 2 -

Электропривод первого ротора будет потреблять большую мощ­ ность, чем электропривод второго, так как на первом роторе осуще­ ствляется придание потоку вращательного движения, а на второй ро­ тор поток поступает уже вращающимся. Вследствие того, что мощ­ ность и ток, потребляемые двигателем, зависят от приложенного к ротору момента, мерой массового расхода в приборе является раз­ ность токов, потребляемых первым и вторым электроприводами.

94

от переменной вязкости потока показана на рис. 24. Из графика вид­

необходимость применения в этих расходомерах компенсационной схе­ мы измерения. С целью подтверждения незначительного влияния вязкости на показания прибора автором были проведены испытания расходомера на маслокеросииовой смеси при изменении вязкости от 3 до 6 ест с соответствующим изменением плотности от 1 до 0,76, а также иа воде и водоглицериновой смеси при изменении лишь вяз­ кости (от 1 до 8 ест), которые подтвердили незначительность влияния вязкости на показания прибора.

Расход жидкости изменялся от 0 до Ом а кс и от ОИ П цс до 0 ступенчато. Градуировочные характеристики испытаний расходомера на водоглицериновой смеси представленыы на рис. 24,6", из которых следует, что приведенная погрешность расходомера не превышает 1,5%. Предельные погрешности градуировок определялись обычным статистическим путем по отношению к коэффициенту /CG=A'7G. Пре­ дельная погрешность коэффициента KG С доверительной вероятно­

стью 0,95 будет не больше ±1,2%.

Электрическая схема расходомера представлена на рис. 25. На­ грузочные характеристики обоих электроприводов регулируются пу­ тем подбора дополнительных сопротивлений R{ и R%. Разность по­ требляемых токов определялась по разности показаний амперметров ЙП2 и ИП3, измеряющих потребляемые электроприводами токи, и по показаниям милливольтметра ИПі, измеряющим разность потребляе­ мых токов. Для выделения полезного сигнала производится вычита­ ние токоп с помощью двух измерительных трансформаторов тока, включенных последозательно с соответствующим электроприводом первичного преобразователя расхода. Выпрямленные токи вторичных

95

обмоток трансформаторов вычитаются на миллиамперметре ИП,. Для исключения разброса параметров элементов электрической схемы и некоторого одвига фаз вычитаемых токов при холостом ходе прибора в схеме предусмотрена установка указывающего прибора на «нуль» путем подачи на указатель ИПі дополнительного тока противопо­ ложной полярности току разбаланса, который дополнительно стаби­ лизировался стабмловольтом СГ-4С.

Рассматривая влияние вязкости на погрешность измерения мас­ совых расходомеров, можно сказать, что вязкость потока сказывается также и при входе потока на крыльчатку, при движении жидкости по каналам крыльчатки и при перетекании жидкости из одного кана­ ла в другой. Хотя эти моменты вязкого трения в большинстве слу­ чаев и незначительны по величине, рекомендуется предусматривать в конструкциях расходомеров меры по уменьшению этих нежелатель­ ных явлений. С этой точки зрения предпочтительными являются кориолисовые расходомеры, в которых путем закрутки потока до угло­ вой скорости крыльчатки возможна организация безударного входа потока на чувствительную крыльчатку расходомера при всех режи­ мах измерения. При применении закрытых по периферии каналов крыльчаток перетекание жидкости нз одного канала в другой отсут­ ствует и, следовательно, этот вид влияния вязкости в таких конструк­ циях расходомеров исключен. Осевое усилие на крыльчатках, оказы-

Рис. 25.

96

вая влияние на момент на подшипниках, изменяет линейность, ста­ бильность характеристики расходомера, а также уменьшает ресурс его работы. Для уменьшения осевого усилия необходимо различными конструктивными мерами уменьшать перепад давления на крыль­ чатках.

Силу профильного сопротивления крыльчатки можно разложить на две составляющие: результирующую касательных сил — сопротив­ ления трения и результирующую нормальных сил — сопротивление давления. Для профилей хорошо обтекаемой формы основным явля­ ется сопротивление трения. Потерю напора, обусловленную сопро­ тивлением трения, определяем как потерю давления в канале по­ стоянного сечения, образованном сторонами двух близлежащих лопа­ ток, корпусом прибора и втулкой рабочего колеса. В подобных случаях потери давления можно вычислить по формуле Дарси — Вейсбаха:

стенок канала; % — коэффициент сопротивления трения единицы дли­ ны канала; ѵ — средняя по сечению канала скорость.

Результаты экспериментов показали, что в диапазоне чисел Рей­ нольдса Re=4000-^-80 ООО с достаточной степенью точности можно определять осевое усилие, используя коэффициент сопротивления л, подсчитанный по закону Блазиуса для гладких труб À=0,3164/Re0 '2 5 . Начиная с Re=80 ООО, можно считать A.=const. В этом случае число Рейнольдса

Здесь De=ASK/n — гидравлический диаметр сечения;

Л = 2лТМакс Sin Рманс + 2л;Гміш Sin ßM iin—

—2rdu-\-2z(rмакс—f мин) ,

стей (рис. 26). Подвижная система такого расходомера состоит из измерительных крыльчаток 5, связанных уп­ ругим элементом 6 .и вращающихся в подшипниках 1. Наружные обоймы подшипников приводятся во враще­ ние дополнительными крыльчатками 3, имеющими раз­ личный угол наклона лопастей ік оси. Эти обоймы опира­ ются через подшипники 2 и опоры 4 на корпус прибора. Крыльчатки 3 вращаются в противоположные стороны, в результате чего моменты трения в опорных подшип­ никах взаимно компенсируются [Л. 41].

Учитывая, что момент вязкого трения по поверхности крыльчат­ ки оказывает сопротивление ее вращению, крыльчатка с увеличением вязкости должна была бы уменьшать свою скорость. Однако экспери­ менты показывают обратное: с увеличением вязкости измеряемого вещества скорость вращения крыльчатки возрастает. В связи с тем, что к крыльчатке турбинного объемного расходомера энергия извне не подводится, то объяснение результатов экспериментов может дать рассмотрение гидродинамики течения жидкости в зоне крыльчатки.

то рассмотрение обтекания решетки плоских пластин потоком вязкой жидкости показывает, что вследствие действия сил гидравлического трения, относительная скорость жидкости изменяется от нуля на по­ верхности лопасти до максимума в середине меж.лопастного канала. Образование пограничного слоя, скорость течения жидкости в кото­ ром меньше, чем в зоне невозмущенного потока, изменяет геометриче­ ские размеры межлопастных каналов, сужая площадь невозмущеиного потока. Это сужение характеризуется толщиной вытеснения, т. е. расстоянием, на которое отодвигаются от лопасти линии тока внеш­ него невозмущенного течения.

Таким образом, из-за образования на лопастях пограничного слоя площадь невозмущенного потока в зоне крыльчатки непостоянна и зависит от значений числа Рейнольдса, что существенно влияет на точность работы расходомера. Как показали опыты, это геометриче­ ское влияние вязкости является определяющим фактором градуировочной характеристики большинства типоразмеров турбинных расхо­ домеров.

Имеются различные способы компенсации влияния вязкости, однако применение этих способов ухудшает ряд технико-эксплуата­ ционных характеристик турбинных расходомеров. Известно устрой­ ство, представляющее собой барабан, жестко связанный с крыльчат­ кой и вращающийся в цилиндре, заполненном измеряемой жидкостью. Сопротивление вращению барабана пропорционально вязкости жидко­ сти. Очевидно, что этот способ понижает динамические свойства, чув­ ствительность и ряд других качеств расходомера. Выполнение преоб­ разователей с термокомпенсаторами или дополнительными крыльчат­ ками обеспечивает только частичную компенсацию влияния вязкости, ухудшая при этом другие важные технические характеристики при­ бора: инерционность, потери напора, ресурс работы и т. п. [Л. 51].

98