2.1.7. Ротационные расходо­меры при нулевом перепаде давления

Развитие технического прогресса в различных об­ластях промышленности требует от приборов учета жидкостей и газов соответствующего повышения точ­ности и расширения пределов измеряемых расходов.

С развитием рыночных отношений в России неоднократно принимались постановления о повышения точности измерений . Высокая точ­ность продуктов требуется для коммерческих и межрегиональных расчетов, для улучшения качества регулирования систем автоматизации. Создание измерителей расхода и количества жидких и газообразных продуктов высо­кой точности (класса 0,1—0,2) требует и соответствующих высокоточ­ных испытательных и поверочных установок.

Таким образом, потребность в повышении точно­сти измерителей расхода и счетчиков количества жидких и газообразных сред остается актуальной задачей уже на протяжении многих лет.

В Институте проблем управления РАН были начаты и продолжают вестись исследования по новым принци­пам построения измерительных преобразователей, ос­нованных на аэрогидродинамических эффектах, в част­ности, разработаны струйные, струйно-вихревые и вих­ревые расходомеры, которые обеспечивают широкий диапазон измерений расходов жидких и газообразных сред с увеличенным ресурсом работы. Однако, обладая простотой конструкции, они не могут значительно по­высить точность измерения расходов.

Существенным же способом, позволяющим на по­рядок повысить точность измерения, является метод измерения объемного расхода при нулевом перепаде дав­ления на измерительном элементе ротационных расходо­меров. В последнее время повысился интерес к таким расходомерам, которые в технической литературе назы­вают еще и компенсационными. Расход Q ротационных расходомеров, которые ра­ботают как гидромоторы, подсчитывается по формуле Q = nw + q, где п — частота вращения ротора, w — объем жидкости за один оборот (объем камеры расходомера или "литраж"), q — неучтенные протечки через щели между ротором и статором прибора. Величина q опре­деляет основную погрешность объемных счетчиков рас­ходомеров и ограничивает их динамический диапазон.

Протечки имеют место как при очень малых, так и при больших расходах внутри диапазона измерения. Часть измеряемой среды проскальзывает при непод­вижном роторе, так как перепад давления ниже необ­ходимого для его страгивания. При больших же расхо­дах, что соответствует предельным оборотам ротора, высокие гидродинамические потери тормозят его вра­щения. При указанных режимах погрешность имеет знак минус. Это количество проскользнувшей неучтен­ной жидкости зависит от вязкости жидкости, перепада давления и размеров зазоров между ротором и корпу­сом счетчика.

Если бы функция q = f(Q) была линейной, то по­грешность счетчика могла быть доведена до нуля изме­нением объема мерной камеры w или передаточного числа / от ротора до счетного механизма при тарировке. Но эта зависимость, как было отмечено, нелинейная (знакопеременная) в диапазоне измеряемых расходов. Протечки жидкости через узкую щель, что имеет место во всех объемных счетчиках, выражаются в общем слу­чае как:

где — протечки, обусловленные воздействием

на жидкость подвижной поверхности зазора; воздейст­вием перепада давления жидкости в зазоре и плотно­стью измеряемой жидкости, соответственно.

Протечка q_v может с незначительным отклонением быть принята пропорциональной расходу Q, поэтому влияние ее на погрешность можно компенсировать со­ответствующим изменением объема камеры w при та­рировке передаточным отношением /.

Протечка q_p для некоторых счетчиков равна нулю, а для других может периодически меняться с плюса на минус и обратно в процессе одного оборота измери­тельного элемента, что отчасти обеспечивает взаимное уравновешивание.

В основном нелинейный характер протечки в счет­чике определяется составляющей которая в зависи­мости от ширины Ь, высоты h и длины щели /, динами­ческой вязкости измеряемой жидкости m и перепада давления на длине щели Ар, определяется формулой

(10)

Чтобы свести величину протечки к нулю, необ­ходимо выполнить одно из двух следующих условий:

Выполнение второго условия невозможно, так как конструктивно невыполнима длина щели а динамическая вязкость (непостоянна) и зависит от параметров измеряемой жидкости. Практически невы­полнимо также требование первого условия: ширина щели b = 0. Требование высоты щели h = 0 может быть выполнено только в поршневых расходомерах с упру­гими уплотнениями. В таких расходомерах протечки сведены к минимуму. Они действительно обладают вы­сокой точностью измерения порядка до 0,1 % при ди­намическом диапазоне 100. Однако такое исполнение требует возвратно-поступательного движения поршней и перемены направления движения измеряемой среды, которое вызывает трение между подвижными частями в цилиндрах и распределителе и влияние сил инерции. Такой принцип работы приводит к значительному пе­репаду давления (1...1,5) бар, большим габаритам и мас­се и практически к невозможности измерять большие расходы и газы.

Расходомеры ротационного типа по сравнению с поршневыми работают без распределителей и допуска­ют большие обороты, измеряемая среда движется не ос­танавливаясь, уменьшены трение и потери давления. К недостаткам ротационных расходомеров относится низкая точность в диапазоне до 20 % от максимального расхода, и сам процесс измерения, который меняется в зависимости от измеряемой жидкости, например, вяз­кие жидкости проходят медленнее. Поэтому ротацион­ные расходомеры требуют тарировки для определенных жидкостей.

Таким образом, можно отметить, что, несмотря на большую потерю давления, точность поршневых расхо­домеров выше ротационных. В свою очередь, ротаци­онные расходомеры (с жидкостным уплотнением) бо­лее чувствительны к изменениям по нагрузке и имеют непостоянные в диапазоне измерения величины не учитываемых протечек. Относительная величина этих протечек возрастает с уменьшением расходов. Увеличе­ние перепада давления Ар с ростом расхода объясняется повышением доли турбулентного сопротивления на вращение измерительного элемента в общем сопротив­лении прохождению измеряемой жидкости или газа че­рез счетчик. Для некоторых счетчиков-расходомеров верхний предел измеряемых расходов ограничивается в основном механической прочностью ротора, связанной с наличием неуравновешенных вращающихся масс, но для подавляющего большинства счетчиков верхний предел ограничивается чрезмерным повышением пере­пада давления, приводящим к отклонению кривой по­грешности в сторону отрицательных значений и сниже­нию точности прибора.

Обозначим через действительный секундный расход жидкости или газа через счетчик-расходомер, а через Q_c расход, регистрируемый счетным механизмом. Тогда:

Где — частота вращения измерительного органа, со­ответствующая действительному расходу, п_с — частота вращения, регистрируемая счетным механизмом. Оче­видно, что если то погрешность счетчика-рас­ходомера будет равна нулю. В противном случае разность укажет неучтенный расход q, который опре­деляет текущую погрешность. Преобразуем указанную связь в выражение

(11)

С учетом уравнения (10) перепишем уравнение (11) в виде:

Обозначив получим выражение для перепада давлений

Здесь разность является ошибкой устройства.

Отсюда следует, что ошибка при т. е. в случае Этому будет соответствовать режим, при котором расходомер работает как "насос-мотор".

Принцип действия счетчика-расходомера с нуле­вым перепадом давления приведен на рис. 11. В объем­ном ротационном расходомере 1 вал ротора 2 соединен через редуктор 3 с двигателем 4. Обороты ротора рас­ходомера регистрируются счетным механизмом 5. Дат­чик перепада давления 6, установленный между вход­ной 8 и выходной 9 полостями расходомера, вырабаты­вает сигнал и подает его на управляющее устройство 7, которое изменяет обороты двигателя 4 таким образом, чтобы перепад давления на датчике 6 был равен нулю. При этом частота вращения двигателя 4 пропорцио­нальна объемному расходу. Динамический диапазон измерения при такой схеме практически будет опреде­ляться диапазоном изменения оборотов двигателя, ко­торый управляется устройством 7. Повышение точно­сти достигается из-за уменьшения неучтенных проте­чек, вызванных снижением перепада давления.

В ходе работ и испытаний подтверждались положи­тельные результаты измерителей расхода и счетчиков количества, реализованных по предложенной схеме. В работе приводится погрешность 0,5 при диапазоне измерения 4000 : 1 и потере давления 2000 Па при пре­дельном расходе масла 260 м³/ч.

Ранее были проведены исследования на базе электромеханических элементов с использованием шес­теренчатого счетчика-расходомера с приводом от регу­лируемого электродвигателя в динамическом диапазоне 10 : 1, которые подтвердили перспективность такого способа измерения.

Проведенный анализ различных конструкций рота­ционных счетчиков-расходомеров показал, что наилуч­шими показателями обладают винтовые счетчики-рас­ходомеры. Главными их преимуществами являются:

• малые диаметры измерительного элемента, из чего следует, что такие счетчики имеют малые габариты, а измерительные элементы допускают высокие ско­рости вследствие их полной уравновешенности (кроме случая одноходовых винтов);

• конструктивно нетрудно выполнить винтовые счет­чики для высоких давлений;

• полная равномерность прохождения потока через винтовой счетчик-расходомер, так как живое сече­ние измерительного элемента при вращении оста­ется постоянным.

Сочетание винтового счетчика со следящим уст­ройством дает большой эффект по снижению массы и габаритов на единицу расхода. Такие счетчики могут работать при скорости вращения измерительного эле­мента, равной 10 000 об./мин.

"Промприбор". В каче­стве привода был выбран винтовой пневмомотор, по­зволяющий изменять обороты измерительного ротора в диапазоне 10...12 000 об./мин. На рис. 12 приведена структурная схема такого счетчика-расходомера с нуле­вым перепадом. Нуль-органом здесь являлся мембран­ный элемент сравнения П2ЭС.1, настроенный на чув­ствительность ±50 Па. В качестве управляющего уст­ройства 4 использовался стандартный ПИД-регулятор ПР3.21. Частота вращения измерительного элемента фиксировалась элементом "струя-приемный канал", в котором струя прерывалась двумя лопастями на валу 2, которые формировали два импульса за один оборот. Ис­следования такого счетчика-расходомера проводились на масле и воздухе. Измерения на масле велись весовым способом. Расходы задавались центробежным насосом в диапазоне 0,02...6 м³/ч, а при испытаниях на воздухе с помощью газовых часов в диапазоне 0,02...5 м³/ч.

Рис. 11 Структурная схема счетчика-расходомера с нулевым перепадом давления

Рис. 12. Структурная схема счетчика-расходомера с нулевым перепадом и приводом от пневмомотора:

1-винтовой счетчик-расходомер;2-вал ротора; 3- нуль-орган; 4-управляющее устройство; 5- винтовой пнев­момотор; 6-счетное устройство;7-источник сжатого воз­духа,8- сброс воздуха

Рис.13. Выходная характеристика счетчика-расходомера:

• — относительная погрешность измерения объема

На рис. 13 показаны экспериментальные данные ис­пытаний. Значение погрешности для воздуха, равное 0,5, получено в диапазоне 1: 125, а для масла — в диа­пазоне измерения расходов 1: 150.

На рис. 14 приведена выходная характеристика, по­строенная по средним значениям многократно повто­ряемых измерений для каждой точки. Испытания про­водились при стационарных расходах. Принципиально устройство позволяет измерить и импульсные расходы при соответствующих параметрах управляющего уст­ройства.

Как видно из характеристики на рис.13, погреш­ность при малых расходах существенно больше. Это в первую очередь определяется неустойчивостью пневмомотора на малых оборотах (<100 об./мин) и относительной неточностью значений Ар вблизи нуля.

Рис.1 4. Зависимость частоты /вращения ротора счетчика-расходомера от расхода

Более перспективно реализовывать управляющее устройство на электронных элементах с вентильными регулируе­мыми двигателями.

Заслуживает внимания использование рассматри­ваемого метода для измерения местной скорости в пото­ке. Обычно для этого используется трубка Пито. О ско­рости в приемном сечении трубки Пито судят по дав­лению, которое уравновешивает скоростной напор струйки, затекающей в трубку. Таким образом скорость набегающего потока в трубке Пито равна нулю. К не­достаткам такого способа следует отнести зависимость показаний прибора от плотности потока при измене­нии температуры среды; изменение плотности из-за сжатия газа, которое вносит дополнительную погреш­ность и сужает диапазон измеряемых скоростей для газа; увеличение погрешности измерения от загрузки изме­рительного сечения средством измерения; возникнове­ние дополнительной погрешности вследствие увеличе­ния скорости по оси трубки напора, обусловленного наличием поперечного градиента скорости при тормо­жении потока.

Компенсационный метод позволяет значительно расширить диапазон и точность измерений скорости потока . Для этого из потока выделяют струйку, про­водят струйку через измерительный канал, измеряют ее скорость течения при нулевом перепаде давления меж­ду выводом струйки из потока и вводом ее обратно в по­ток и по скорости контрольной струйки судят о скоро­сти потока.

Скорость течения измеряют ротационным расходо­мером с нулевым перепадом, приводимым в движение регулируемым по оборотам электродвигателем от сто­роннего источника энергии. На рис. 15 приведена функциональная схема такого устройства. В основной изме­ряемый поток 1 введена дифференциальная напорная трубка 2, имеющая приемник напора 3 и вход 4 для нуль-органа 5 (датчика перепада давления).

Вход 4 представляет собой отверстие приемника статического давления в стенке трубопровода D изме­рительного сечения. Выход 6 может быть сформирован в виде входа дифференциальной трубки, повернутой по потоку 1. Дифференциальная трубка 2 соединена с из­мерительным каналом 8, в котором расположен нагне-таталь 9 объемного типа, например винтовой насос, с включенным параллельно ему датчиком 5 перепада дав­ления с электропреобразователя 10. С нагнетателем 9 механически соединен электродвигатель 11, который электрически через усилитель 12 связан с электропре­образователем 10 и одновременно с регистрирующим прибором 13 скорости вращения электродвигателя 11.

Устройство работает следующим образом. При на­личии потока 1 в приемнике 3 напора дифференциаль­ной трубки 2 создается давление динамического напо­ра, которое передается ко входу нагнетателя 9 через из­мерительный канал 8 и к одному из входов датчика 5 перепада давления. Статическое давление потока пере­дается через отверстие 4 в измерительный канал 8 к на­гнетателю 9 и к другому входу датчика 5 перепада дав­ления. Когда значение перепада давлений на датчике 5 становится отличным от нуля, датчик посылает элек­трический сигнал от электропреобразователя 10 через усилитель 12 на электродвигатель 11, который развива­ет и поддерживает скорость вращения нагнетателя 9, удовлетворяющую условию Ар = 0. При этом скорость в измерительном канале 8 сравняется со скоростью ос­новного потока 1, а сопротивление измерительного ка­нала 8 станет равным нулю. Скорость вращения двига­теля 11, зафиксированная регистрирующим прибором 13,

1 .

Рис. 15. Функциональная схема измерителя скорости потока

Текучая среда поступает в приемник 3, канал 8, на­гнетатель 9 и выход 6 дифференциальной напорной трубки 2. Находящиеся на одной продольной оси при­емник напора 3 и выход 6 формируют контрольную струйку, которая, имея скорость одинаковую со скоро­стью измеряемого потока 1, образует с ним единый по­ток благодаря наличию проточной дифференциальной трубки. Предлагаемый компенсационный проточный метод можно использовать вместо традиционных спо­собов измерения скорости потока силовой компенса­ции .

Описанная схема позволяет устранить противодав­ление в измерительном канале, обеспечивая тем самым скорость течения в измерительном канале одинаковую с измеряемой, уменьшить загрузку измерительного се­чения средством измерения, уменьшить влияние попе­речного градиента скорости при торможении потока. Появляются такие новые свойства как возможность ра­боты с любым объемным типом нагнетателя без огра­ничения; возможность измерения скоростей потока с повышенной точностью в геометрическом сечении лю­бого профиля и расширение диапазона измеряемых скоростей.

Описанные способы измерения расходов и скоро­стей жидких и газообразных сред могут существенно снизить погрешность (до 0,1 %) и расширить диапазо­ны измерения (более 100). Возможно измерение как весьма малых расходов и скоростей потока, так и очень больших. Влияние плотности и вязкости сводятся к ми­нимуму и отражаются только в мощности подводимой энергии.

Указанные методы могут быть применены в преци­зионных измерителях количества расхода и скорости потока, которые могут выступать в качестве эталонных приборов на поверочных и калибровочных установках, в том числе на мобильных.

. Литература

1. Цейтлин В.Г. Расходоизмерительная техника.— М.: Изд_во стандартов, 1977.

2. Кияйсбейли А.Ш., Лифшиц Л.М. Первичные преобразователи систем измерения расхода и количества жидкостей.— М.: Энергия, 1980.

3. Хамидулин В.К. Ультразвуковые контрольно-измерительные устройства и системы.— Л.: Издательство Ленинградского Университета, 1989.

4. Ультразвук. Маленькая энциклопедия/Под ред. И.П. Голяминой.— М.: Советская

энциклопедия, 1979.