// //
Главная Статьи Силовые расходомеры

Силовые расходомеры - это приборы, в которых вследствие изменяющегося массового расхода происходит силовое воздействие, потоку проходящего вещества придается ускорение различного вида, при этом снимаются параметры, определяющие степень воздействия или эффекта воздействия.

Вследствие изменения первоначального прохождения через трубопровод вещества возникает ускорение потока и в зависимости от способов этих изменений расходомеры подразделяются на группы:

  • кориолисовые расходомеры
  • гироскопические расходомеры
  • турбосиловые расходомеры

Силовое воздействие в зависимости от конструкции расходомера бывает внутренним и внешним:

  • внутреннее воздействие происходит вследствие уменьшения потенциальной энергии потока вещества (одним из способов уменьшения потенциальной энергии потока происходит в следствие его закручивании неподвижными винтовыми лопатками);
  • внешнее воздействие, как правило, передается от электродвигателя, который колеблет (вращает) прямолопастную крыльчатку преобразователя расхода, закручивающую проходящий поток измеряемого вещества

Величины массового расхода и дополнительное ускорение потока в силовых расходомерах пропорциональны относительно друг друга. Вследствие этого массовый расход и измеряемый параметр пропорционален. Поэтому силовые расходомеры называют массовыми расходомерами. Массовые расходомеры также используют для измерения среднего значения пульсирующих расходов.
Одним из преимуществ является то, что при установке массовых расходомеров нет необходимости в больших прямых участках до и после расходомера. Исключение составляет двойное колено, придающее винтовое движение потоку. Большое количество вращающихся частей внутри трубопровода и сложность конструкции их преобразователей расхода силовых расходомеров является их относительным недостатком.
У турбосиловых расходомеров ротор или крыльчатка постоянно вращаются. У гироскопических расходомеров и кориолисовых расходомеров подвижный элемент колеблется вокруг оси. Такие расходомеры называются вибрационными расходомерами.
Погрешность измерения массового расхода в силовых расходомерах составляет ±0,5-3,0 %, они иногда используются при измерении расхода топлива или расхода газа. В отдельную группу силовых расходомеров входят перепадно-силовые расходомеры, принцип работы которых заключается преобразовании внешнего силового воздействия в разность давлений определенных мест потока, пропорциональных массовому расходу.

1. ТУРБОСИЛОВЫЕ РАСХОДОМЕРЫ

Турбосиловые расходомеры это разновидность силовых расходомеров, в преобразователе которых поток закручивается. пропорционально массовому расходу вследствие силового воздействия.
В турбосиловом расходомере монтируется ротор, в котором есть каналы для прохода жидкости. Ротор вращается с помощью электродвигателя и закручивает жидкость, в результате чего жидкость начинает винтовое движение и поступает на другой ротор, соединенный с пружиной, которая закручивается на определенный угол, пропорциональный массовому расходу.
Турбосиловые расходомеры чаще используются для измерения больших расходов.

  • измеряемые расходы: от 6 до 300 т/ч
  • диаметр труб от 50 до 200 мм
  • погрешность ± (0,5- 3) % от предела шкалы
  • постоянная времени ок. 1 с

Турбосиловые расходомеры в сравнении с гироскопическими и кориолисовыми расходомерами имеют меньшие размеры. Кориолисовые и гироскопические расходомеры применяют для измерения относительно меньших расходов.

Разновидности турбосиловых расходомеров:

  • турбосиловые расходомеры с электроприводом. В турбосиловых расходомерах с электроприводом целесообразно электродвигатель располагать внутри преобразователя расхода
  • турбосиловые расходомеры с приводом от потока без электропривода. Закрутка потока в таких расходомерах достигается с помощью неподвижного шнека. Бывают конструкции расходомеров с двумя (иногда тремя) крыльчатками связанными пружиной. Если лопасти ведущей крыльчатки сделать наклонными (винтовыми), то она будет вращаться за счет внутренней энергии потока, как и ведомая крыльчатка. Такие расходомеры характеризуются надежностью работы и простотой устройства преобразователя расхода. К недостаткам можно отнести сложность схем измерения. Точность измерения массового расхода напрямую зависит от качества упругих свойств пружин, постоянства их характеристик в условиях эксплуатации. Кроме того, на точность и надежность работы влияет качество и надежность опор преобразователей.

2. КОРИОЛИСОВЫЕ СИЛОВЫЕ РАСХОДОМЕРЫ

Кориолисовые расходомеры это расходомеры, в которых вследствие силового воздействия от меняющегося расхода возникает кориолисово ускорение. Для создания ускорения постоянно вращающийся преобразователь расхода имеет конфигурацию, передвигающий поток в радиальном направлении относительно оси вращения.
Конструктивной особенностью некоторых кориолисовых расходомеров является независимость расходуемой электродвигателем мощности от массового расхода измеряемого вещества. Мощность электродвигателя затрачивается на преодоление трения в уплотнениях, гибких соединениях преобразователя с трубопроводом и опорах. В других конструкциях однороторных кориолисовых расходомеров момент, закручивающий роторную крыльчатку, измеряется связанным с крыльчаткой электропреобразователем или пневмосиловым преобразователем.
Для веществ с сильно изменяющейся вязкостью сконструированы кориолисовые расходомеры с преобразователем из двух роторов, одинаковых по конструкции и направленных друг другу навстречу.
Роторы в таких расходомерах вращаются отдельными электродвигателями в одном направлении с равной угловой скоростью. Поток вещества в радиальных каналах первого ротора направлен от центра к краям и образует кориолисовые силы, противодействующие вращающему моменту первого электродвигателя. В каналах второго ротора поток движется от краев к центру и образует кориолисовые силы, создающие момент, разгружающий второй электродвигатель.
Кориолисовые расходомеры могут быть выполнены и по схемам 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, закручивающим поток.
В конструкцию кориолисового расходомера входит преобразователь и датчик расхода (сенсор). Датчик расхода вычисляет величину расхода, плотности и температуру. Преобразователь переводит полученные данные в определяемые стандартные выходные сигналы.
Движение вещества через сенсор создает эффект Кориолиса, при этом возникникает кориолисово ускорение, приводящее к образованию силы кориолиса, направленной в противоположную сторону от движения трубки, приданного трубке задающей катушкой. Во время половины цикла движения трубки вверх для поступающей внутрь жидкости Кориолисова сила направлена вниз. Проходя изгиб трубки жидкость меняет направление силы Кориолиса и на входе трубки сила со стороны жидкости, препятствует смещению трубки, а на выходе способствует, создает изгиб трубки. Далее трубка движется вниз во втором периоде вибрационного цикла и изгиб трубки меняется на противоположный.
Величина изгиба сенсорной трубки в зависимости от силы Кориолиса прямо пропорциональна массовому расходу вещества. Фазовый сдвиг считывается детекторами при движении разных сторон сенсорной трубки.
Сигналы изгиба сенсорных трубок не совпадают по фазе. Разница между сигналами прямо пропорциональна массовому расходу.

3. ГИРОСКОПИЧЕСКИЕ РАСХОДОМЕРЫ

Гироскопические расходомеры это силовые расходомеры, в которых образуется и считывается гироскопический момент. В гироскопическом расходомере преобразователь выполняется из участка трубы петлевидной или кольцевой формы, вращающейся вокруг своей оси с постоянной угловой скоростью.
В расходомере движение жидкости по петле вокруг оси с угловой скоростью соответствует вращению диска гироскопа вокруг той же оси. При вращении петли с угловой скоростью вокруг оси создаются силы, образующие момент, стремящийся повернуть петлю вокруг оси. Момент инерции жидкости в кольцевой петле зависит от радиуса кольцевой петли и площади поперечного сечения жидкости в петле.
Имеются гироскопические расходомеры некольцевой формы. Несколько трубок постоянно вращаются вокруг оси с угловой скоростью. Во время прохождения жидкости в трубках образуется кориолисово ускорение. Погрешность измерения в таких приборах составляет ±0,25-2 %, они имеют широкий диапазон измерения.

ВИБРАЦИОННЫЕ РАСХОДОМЕРЫ

Вибрационными называются кориолисовые или гироскопические расходомеры, в которых подвижной элемент преобразователя расхода не вращается, а лишь совершает непрерывные колебания с постоянной или периодически затухающей амплитудой под влиянием внешнего силового воздействия.
Во всех вибрационных преобразователях расхода в подвижном элементе возникает кориолисово ускорение и соответствующие силы, создающие момент, пропорциональный массовому расходу, который действует навстречу вращающему моменту.
Существуют гироскопические вибрационные расходомеры, у которых подвижная система колеблется вокруг своей оси. У них так же, возникают кориолисовы силы, вызывающие колебания прецессии вокруг оси. Угол и амплитуда этих колебаний пропорциональны расходу. Измеряя эти величины или напряжения в упругих элементах измеряют массовый расход.

СРАВНЕНИЕ СИЛОВЫХ РАСХОДОМЕРОВ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ

Для измерения расхода однофазных жидкостей и газов чаще всего используют турбосиловые расходомеры (особенно при измерении больших расходов). Для измерения малых расходов в трубах диаметром меньше50 мм используют гироскопические расходомеры. В промежуточном положении находятся кориолисовые расходомеры.
У турбосиловых и кориолисовых расходомеров преобразователи без электропривода в работе надежнее, проще и, компактнее, но измерительная схема более сложная и в конструкции применяют измерительные пружины. Точность измерения расхода определяется качеством упругих свойств пружин, зависимостью свойств пружины от изменения температуры.
Преобразователи с внешним электроприводом более сложны. Электропривод предпочтительно иметь внутри преобразователя, когда их роторы совмещены друг с другом, а статор отделен диамагнитной втулкой. Более просты расходомеры с электроприводом, у которых расход определяется измерением мощности, питающей электродвигатель. Но у них шкала с подавленным нулем (мощность при нулевом расходе), а пропорциональность между мощностью или силой питающего тока и расходом сохраняется лишь в определенных пределах.
Если вязкость измеряемого вещества может существенно изменяться, надо использовать кориолисовы или двухроторные турбосиловые расходомеры с компенсацией вязкости. При этом роторы и зазоры у них должны быть совершенно одинаковы, равно как и характеристики электродвигателей, вращающих роторы.
Для измерения расхода двухфазных сред (например, нефтегазовых потоков) предпочтительно использовать силовые расходомеры. Но при этом существует возможность расслоения фаз при вращении подвижного элемента преобразователя расхода, особенно в турбосиловых расходомерах. В кориолисовых расходомерах расслоение менее возможно и расходомеры такого типа широко применяются для измерения расхода нефтегазовых потоков, но не с вращающимся ротором, а с колеблющейся (вибрирующей) трубой при небольшой частоте ее вибрации.

ПЕРЕПАДНО-СИЛОВЫЕ РАСХОДОМЕРЫ

Перепадно-силовые расходомеры существенно отличаются от силовых расходомеров, создающих в преобразователе расхода ускорение, пропорциональное массовому расходу. В перепадно-силовых расходомерах под действием особых насосов или вращения подвижного элемента преобразователя абсолютная или относительная (по отношению к подвижному элементу) скорость в одном месте потока увеличивается, а в другом — уменьшается измеряется возникающая при этом разность давлений (полных или статических).
Известны расходомеры, в преобразователе которых в цилиндрической камере установлен с небольшим зазором цилиндрический ротор. При непрерывном вращении последнего благодаря вязкости приводится во вращательное движение слой жидкости, прилегающий к ротору. Это вызывает увеличение скорости жидкости в зазоре с одной стороны ротора и уменьшение с другой на одну и ту же величину. Возникнет перепад давления, который дифманометром. Испытания расходомеров, у которых диаметр и длина ротора были в несколько (2-5) раз больше диаметра трубопровода, подтвердили хорошую пропорциональность между перепадом давления и массовым расходом при относительно малых расходах. Однако, в настоящее время перепадно-силовые расходомеры не получили сколько-нибудь заметного применения.