Кориолисовые силовые расходомеры

Кор иолисовыми называются расходомеры, в преоб­разователях которых под влиянием силового воздействия возни­кает кориолисово ускорение, зависящее от расхода. Для образо-348

вания этого ускорения непрерыв­но вращающемуся преобразова­телю расхода придают конфигура­цию, заставляющую поток пере­мещаться в радиальном направле­нии по отношению к оси враще­ния, совпадающей с осью турбопровода.

Принципиальная схема корио-лисового расходомера, предло­женного в 1953 г., изображена на рис. 194 [13]. Два трубных штуцера / и 6 с помощью гиб­ких трубных соединений связаны с трубопроводом, по которому течет измеряемое вещество. Шту-

Рис. 194. Схема действия сил в ко-риолисовом расходомере

церы соединены друг с другом металлической втулкой (не пока­занной на схеме) и лежат в шарикоподшипниках. Они вместе с остальной частью преобразователя расхода вращаются с частотой 1800 об/мин от электродвигателя через зубчатую передачу, свя­занную со штуцером 6. Жидкость поступает через штуцер 6. Во вращающихся трубках 5 возникает кориолисово ускорение, созда­ющее момент сил, приложенных к стенкам трубки, который на­правлен противоположно вращающему моменту. В трубках 3, связанных эластичными соединениями 4 с трубками 5, кориоли­сово ускорение имеет направление, обратное кориолисовому ускорению в трубках 3. Поэтому к стенкам трубок 3 приложен момент сил М_к, направленный в сторону вращающего момента. Момент М_к закручивает тонкую торсионную трубку 2, соединен­ную с выходным штуцером 1. Угол закрутки измеряется с помо­щью тензорезисторных преобразователей.

Гг

Момент М_к определяется уравнением М_к = 2 J apFrdr, где

г — текущий радиус трубки; г_г — радиус (средний), на котором прекращается движение жидкости в радиальном направлении; г₂ — радиус наружного конца трубки; а — кориолисово ускорение в трубках; р — плотность измеряемого вещества; F — площадь поперечного сечения трубки.

Кориолисово ускорение а = 2ию, где v — скорость жидкости в трубке сЗ; со —■ угловая скорость вращения трубки.

После подстановки значения а в предыдущее уравнение и его. интегрирования найдем, что

M_K^co(4 — r²_l)Q_M, (209)

а угол ф закручивания торсионной трубки 2, имеющей жест­кость с, будет

Рис. 195. Кориолисовый расходомер К-3

Здесь мы пренебрегли сопротивлением эластичных соединений 4.

Особенность расходомера, приведенного на рис. 194, — неза­висимость мощности, расходуемой электродвигателем, от расхода Q_M, потому что энергия, затрачиваемая при вращении трубок 5, возвращается при проходе жидкости через трубки 3. Мощность электродвигателя расходуется только на преодоление трения в опорах и в уплотнениях или в гибких соединениях преобразо­вателя с трубопроводом.

Более распространен расходомер К-3, разработанный в ИАТ [5]. Его преобразователь показан на рис. 195. Здесь ротор 2 электродвигателя отделен от обмотки / статора диамагнитной перегородкой 3 из стали 1X13 толщиной 0,6 мм. Вместе с ротором 2 непрерывно вращается находящийся в нем патрубок 4 с радиаль­ными каналами на выходе. При проходе жидкости через эти каналы возникают кориолисовые силы, создающие момент сопро­тивления М_к, определяемый уравнением (209). Электродвигателю надо помимо этого момента преодолевать еще момент М_в сопро­тивления сил вязкого трения жидкости и момент М_м сил трения в опорах. Ротор снабжен шарикоподшипниками, вынесенными за пределы активной зоны потока. Поэтому момент М_м незначителен и постоянен, а следовательно, и не влияет на точность измерения. Предел измерения от 0,1 до 0,7 кг/с. Для увеличения предела при данной мощности электродвигателя надо, согласно уравнению (209), уменьшать наружный радиус г₂. Расходомер К-3 конструк­тивно прост, но пригоден лишь для измерения веществ с мало изменяющейся вязкостью. Измеряемая величина в нем — мощ­ность, потребляемая электродвигателем.

В другом однороторном кориолисовом расходомере [7] момент, закручивающий роторную крыльчатку, измеряется с помощью связанного с ней электро- или пневмосилового преобразователя. Для веществ, вязкость которых сильно изменяется, в ИАТ разработан двухроторный кориолисовый расходомер К-4. Его преобразователь состоит из двух роторов, близких по конструкции (см. рис. 195), направленных навстречу друг другу. Зазор между их радиальными каналами очень небольшой. Каждый ротор при­водится во вращение своим электродвигателем в одну сторону с одинаковой угловой скоростью со. Поток в радиальных каналах первого ротора направлен от центра к краям и создает кориоли-совы силы, противодействующие вращающему моменту первого электродвигателя. В каналах второго ротора поток движется от краев к центру и образует кориолисовы силы, создающие момент,

^: разгружающий второй электродвигатель. Включая обмотки ста­торов электродвигателей в мостовую схему, измеряют разность токов, потребляемых электродвигателями, которая будет пропор­циональна расходу Q_M при условии, что моменты сопротивления М_с и М_м у обоих роторов одинаковые.

Предложены также несколько конструкций кориолисовых расходомеров, у которых расход Q_M определяется по времени Д/ = Аф/со прохода углового сдвига Аф двух роторов. Преобра­зователь расхода, обеспечивающий исключение влияния вязкости, соответствует схеме, приведенной на рис. 193, в, с той разницей, что обе крыльчатки благодаря своей форме помимо осевого создают еще и радиальное перемещение потока. Как и в расходомере К-4, поток в одной крыльчатке движется от центра к краю, а после пе­рехода во вторую крыльчатку — от края к центру. Моменты М, создаваемые кориолисовыми силами в каждой крыльчатке, про­тивоположные по направлению, образуют угловой сдвиг Аф между крыльчатками, пропорциональный 2М, при условии ра­венства моментов сопротивления М_в + М_ш в обеих крыльчатках. Кориолисовые расходомеры могут быть выполнены и по схе­мам, показанным на рис. 191, д, е, с профилированными крыль­чатками, обеспечивающими прохождение потока не только в осе­вом, но и в радиальном направлении — от центра к краю в первой и от края к центру во второй крыльчатке. Причем в этих схемах электропривод может быть заменен неподвижным шнеком, за-

, кручивающим поток. Расходомеры, построенные по этим и неко­торым другим схемам, рассмотрены в работах [4, 5].

18.4. Гироскопические расходомеры

Гироскопическими называются силовые расходомеры, в которых возникает и измеряется гироскопический момент. Пре­образователь гироскопического расходомера состоит из участка трубы в виде петли кольцевой или другой формы, которая враща­ется с постоянной угловой скоростью (о вокруг оси х (рис. 196, а).

I Рис. 196. Гироскопический кольцевой расходомер

Для пояснения действия гироскопического расходомера рассмот­рим его механическую аналогию (рис. 196, б). Если диск гиро­скопа, имеющий две степени свободы, вращается с угловой ско­ростью Q вокруг оси z, а его рамы — с угловой скоростью ю вокруг оси х, то возникают силы, создающие гироскопический момент М_у, стремящийся повернуть всю систему вокруг оси у. Момент

М_у = /_zQco, (210)

где J_г — момент инерции диска гироскопа относительно оси z. В расходомере движение жидкости по петле вокруг оси с угло­вой скоростью соответствует вращению диска гироскопа вокруг той же оси. Поэтому при вращении этой петли вокруг оси х с угло­вой скоростью о образуются силы, создающие момент М_у, стре­мящийся повернуть петлю вокруг оси у. Этот момент восприни­мается опорами, в которых возникает реакция R. Момент инерции жидкости, находящейся в кольцевой петле, относительно оси z определяется зависимостью J_z — '2nrFpr², где г — средний радиус кольцевой петли; F — площадь поперечного сечения жидкости в петле. Угловая скорость Q = v/r, где v — средняя скорость жидкости в петле. Подставляя значения J_z и Q в урав­нение (210), получим

М_у — 2nr(x)pFv = kQ_M,

где k = 2лл²со —• const.

Это же выражение для М_у можно получить, не прибегая к аналогии с гироскопом, а исходя из сил, связанных с ускорением жидкости в кольцевой петле. На рис. 197 показана одна четвертая часть петли. Элементарная масса жидкости dm — pFrda, При ее движении по петле возникает кориолисово ускорение а = ~ 2v cos а (о. Плечо действия L силы adm относительно оси у равно г cos а. Момент М_ч относительно оси у, создаваемый си-

лами, сообщающими кориолисово ускорение всей массе жидкости, находящейся в кольце, будет иметь вид

Я/2

My = 4 J 2pvFr² cos² a da — &Q_M. о

Отсюда следует, что гироскопический момент М_у возникает в результате сообщения жидкости кориолисова ускорения. Следо­вательно, гироскопические расходомеры — частный случай ко-риолисовых расходомеров. Измеряют момент М_у или по нагрузке на подшипники, или по углу поворота петли вокруг оси у, напри­мер по напряжению в торсионном или другом упругом эле­менте.

На рис. 198 приведена схема гироскопического расходомера некольцевой формой, изготовлявшегося за рубежом. Подвижная система трубок непрерывно вращается вокруг оси х с угловой скоростью а>. При движении жидкости в трубках 3 и 7 возникают кориолисово ускорение и соответствующие силы, создающие мо­мент М_у вокруг оси у. В трубках 4 и 6 также возникают подобные силы, но они проходят через ось у и поэтому не создают момента относительно этой оси. Благодаря гибким соединениям 2 я 5 система трубок 3, 4, 6, 7 может под влиянием момента М_у пово­рачиваться вокруг оси в подшипниках 1 и 8. Масса жидкости в трубках т — 2Flp, Ее кориолисово ускорение а — 2mv = — 2&QJF. Момент, развиваемыи силами кориолиса, М_у = maL = h.Q_M,

где k — 4p(oL,

Расходомеры по этой схеме изготовлялись на небольшие расходы жидкости: 0,3 — б т/ч и0,72—15т/ч. Падение давления

Рис. 197. Схема действия гиро­скопического расходомера

Рис. 198. Схема действия сил в гиро­скопическом расходомере некольцевой формы

при Q_max равно 3,4 кПа. Погрешность в пределах ±0,25—2 %. Частота вращения подвижной системы 100 об/мин. Характерен большой диапазон измерения у этих приборов. Гироскопические расходомеры с непрерывным вращением подвижного элемента не нашли заметного применения. Большее распространение полу­чили вибрационные гироскопические расходомеры, у которых подвижная система непрерывно колеблется вокруг оси у с по­стоянными частотой и амплитудой.

Дата добавления: 2015-08-02