Счетчики количества расхода вещества

<<�ГБОУ СПО Крымский технический колледж КК>>

Реферат

по дисциплине:

«Автоматизация промышленного производства»

На тему: «Счетчики количества расхода вещества»

Выполнил:

Студент группы (20-м) Быков Андрей

ИСХОДНАЯ ТЕРМИНОЛОГИЯ И ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ

Расход — это количество вещества, протекающее через данное сечение в единицу времени.

Прибор, измеряющий расход вещества, называется расходомером, а массу или объем вещества — счетчиком количества или просто счетчиком (ГОСТ 15 528—86).

Прибор, который одновременно измеряет расход и количество вещества, называется расходомером со счетчиком. Устройство, непосредственно воспринимающее измеряемый расход и преобразующее его в другую величину, которая удобна для измерения, называется преобразователем расхода.

Количество вещества измеряется или в единицах массы (килограммах, тоннах, граммах), или в единицах объема (кубических метрах и кубических сантиметрах). Соответственно расход измеряют в единицах массы, деленных на единицу времени (килограммах в секунду, килограммах в час и т. д.) или в единицах объема, также деленных на единицу времени (кубических метрах в секунду, кубических метрах в час и т. д.).

СОВРЕМЕННЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К ПРИБОРАМ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА И КОЛИЧЕСТВА

В настоящее время к расходомерам и счетчикам предъявляется много требований, удовлетворить которые совместно достаточно сложно и не всегда возможно.

Имеются две группы требований. К первой группе относятся индивидуальные требования, предъявляемые к приборам для измерения расхода и количества: высокая точность, надежность, независимость результатов измерения от изменения плотности вещества, быстродействие и значительный диапазон измерения. Ко второй группе относятся требования, которые характеризуют всю группу расходомеров и счетчиков: необходимость измерения расхода и количества очень разнообразной номенклатуры вещества о отличающимися свойствами, различных значений расхода от очень малых до чрезвычайно больших и при различных давлениях и температурах.

Классификация счетчиков и расходомеров. Существующие расходомеры и счетчики количества можно условно разделить на приведенные ниже группы.

Приборы с непрерывно движущимся телом:

· тахометрические,

· силовые (и в том числе вибрационные),

· с автоколеблющимся телом.

Приборы, основанные на гидродинамических методах:

· переменного перепада давления,

· переменного уровня,

· обтекания,

· вихревые,

· парциальные.

Приборы, основанные на различных физических явлениях:

· тепловые расходомеры,

· электромагнитные расходомеры,

· ультразвуковые (акустические) расходомеры,

· оптические расходомеры,

· амплитудные расходомеры,

· частотные расходомеры.

Приборы, основанные на особых методах:

· меточные,

· корреляционные,

· концентрационные.

ТАХОМЕТРИЧЕСКИЕ ВОДОСЧЕТЧИКИ

Все тахометрические водосчетчики включают в свое устройство механизм (тахометр), в котором поток воды напрямую, путем механического давления воздействует на лопасти крыльчатого колеса или турбины, вызывая вращение. Это вращение посредством зубчатой передачи сообщается счетному устройству, регистрирующему количество расходуемой воды. По дополнительным конструктивным особенностям все тахометрические водосчетчики разделяют на одноструйные, многоструйные и турбинные.

В одноструйных и многоструйных тахометрических водосчетчиках плоскость лопасти колеса крыльчатки в своем нижнем положении располагается перпендикулярно направлению водяного потока. В турбинныхводосчетчиках (счетчики Вольтмана) лопасти размещены по отношению к направлению потока воды под углом менее 90°, так же как в классической турбине.

Многоструйные водосчетчики отличаются от одноструйных тем, что поток воды перед попаданием на лопасть крыльчатки делится на несколько струй. Благодаря этому значительно снижается погрешность турбулентности потока. И, как следствие, многоструйные счетчики оказываются более точными при учете расхода воды, однако стоят они дороже одноструйных.

И многоструйные и одноструйные водосчетчики бывают к тому же «сухими» и «мокрыми». Счетчики мокрого типа — это самые простые, но достаточно эффективные приборы учета воды, счетное устройство которых от протекающего потока никак не изолировано. Простота исполнения и сопутствующая дешевизна при достаточно высокой надежности — вот главные достоинства счетчиков мокрого типа. Однако, такие водосчетчики нельзя применять для учета расхода воды, обильно загрязненной взвешенными механическими частицами.

Счетчики сухого типа лишены этого недостатка. В них счетный механизм герметично отделен от воды немагнитной перегородкой, благодаря чему на нем не образуется отложений взвешенных частиц. Передача же показаний с вращающейся крыльчатки или турбины на счетный механизм осуществляется с помощью закрепленного на них магнита. Подобное устройство делает счетчик пригодным для учета воды любой степени загрязнения, но в то же время значительно повышает его стоимость.

Еще одной конструктивной разновидностью счетчиков-тахометров являются комбинированныеводосчетчики, в устройстве которых, как правило, сочетаются обычный крыльчатый счетчик и турбинный, размещенный на параллельной отводке. Когда напор воды в системе водоснабжения невысок, вода движется через крыльчатый счетчик, когда же напор возрастает, трубопровод с этим счетчиком перекрывается клапаном и вода поступает по отводке через турбинный.

МЕСТА ПРИМЕНЕНИЯ РАЗНЫХ ТИПОВ ТАХОМЕТРИЧЕСКИХ ВОДОСЧЕТЧИКОВ

расход жидкость счетчик преобразователь

Обычный диаметр трубопровода, на котором устанавливаются одноструйные водосчетчики, — 15−20 мм (квартиры), многоструйные -15−50 мм, турбинные -40−500 мм. Соответственно этому очевидны и возможные места их применения. В Европе одноструйные водосчетчики повсеместно используются для поквартирного учета воды. В России из-за плохого качества воды, возможно, для тех же целей будут часто применяться более надежные и долговечные многоструйные счетчики, однако фактор цены может неблагоприятно сказаться на широте их распространения. На данный момент многоструйные модели диаметром 25−50 мм устанавливаются в системах водоснабжения административных зданий, отдельных коттеджей, школ, яслей, бензозаправок и других объектов подобного типа.

Турбинные водосчетчики большого диаметра (свыше 50 мм), как правило, устанавливаются на водозаборах, на входах систем водоснабжения промышленных предприятий, вводах многоэтажных домов и в системе водоканалов.

Комбинированные водосчетчики находят применение, прежде всего, в системах водоснабжения гостиниц, отелей и на промышленных объектах, где в зависимости от сезона (увеличение или снижение числа потребителей) или условий технологического процесса расход воды может значительно меняться.

В свете реформы ЖКХ большое внимание уделяется тахометрическим водосчетчикам с импульсным выходом. В таких приборах показания счетного механизма преобразуются в электрический сигнал и в импульсном (цифровом) виде могут передаваться и выводиться на конечное регистрирующее устройство, удаленное от места непосредственного учета расхода воды потребителем. Это создает предпосылки для создания единых компьютеризированных пунктов автоматического контроля, и, вероятно, именно такие водосчетчики станут в будущем самыми распространенными счетчиками для поквартирного учета воды.

СЧЕТЧИКИ УЧЕТА ГОРЯЧЕЙ ВОДЫ

Для учета горячей воды используются такие же типы расходомеров, что и для холодной. Коммунально-бытовые водосчетчики горячей воды — это все те же тахометрические крыльчатые счетчики, счетчики Вольтмана и комбинированные. Отличия их от тахометрических счетчиков холодной воды заключаются в применяемых материалах и более высокой степени допустимой погрешности.

По требованиям Росстандарта (Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии) минимальный срок эксплуатации счетчиков горячей и холодной воды составляет 12 лет с двумя обязательными поверками (межповерочный срок 5−6 лет) для холодной воды и тремя (межповерочный срок 4 года) для горячей.

В промышленности для учета горячей воды, где это необходимо, применяются электромагнитные и ультразвуковые расходомеры.

ВИХРЕВЫЕ РАСХОДОМЕРЫ

Как известно из курса гидрогазодинамики, при обтекании препятствия потоком жидкости или газа возникают завихрения (вихревая дорожка Кармана), которые вызывают на поверхности обтекаемого тела перепады давления. Частота перепадов пропорциональна скорости потока и объемному расходу жидкости или газа.

В вихревых расходомерах для создания вихревого движения на пути движущего потока жидкости, газа или пара устанавливается тело обтекания, обычно в виде трапеции в сечении. Образовавшаяся за ним система вихрей называется вихревой дорожкой Кармана. Частота вихрей f в первом приближении пропорциональна скорости потока v и зависит от безразмерного критерия Sh (число Струхаля) и ширины тела обтекания d:

f = Sh • v / d

Достоинством вихревых расходомеров является:

· отсутствие каких-либо подвижных элементов внутри трубопровода,

· достаточно низкая нелинейность в широком диапазоне измерений,

· частотный выходной сигнал,

· инвариантность метода относительно электрических свойств и агрегатного состояния движущейся среды.

Используются такие приборы чаще всего для регулирования технологических процессов и управления при учете расхода не только воды и других маловязких жидкостей, но также пара и газов.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ РАСХОДОМЕРЫ

Принцип действия электромагнитных (магнитно-индукционных) водосчетчиков основан на измерении ЭДС индукции, наводящейся, согласно закону Фарадея, в электропроводящей жидкости (в т. ч. в воде), которая движется в магнитном поле, создаваемом электромагнитом прибора. Эта ЭДС пропорциональна скорости потока и преобразуется электронным блоком расходомера в электрический аналоговый или цифровой сигнал, отображаемый на дисплее самого прибора или транслируемый в контроллер или компьютер. Очевидно, что расходомеры данного типа значительно дороже тахометрических и поэтому практически не применяются для поквартирного учета бытовой питьевой воды, а в коммунальном хозяйстве могут использоваться как домовые водосчетчики. Чаще такие приборы предназначаются для измерения потоков воды в пищевой, пивоваренной, фармацевтической промышленности, порой довольно медленных, а также для потоков сточных вод.

УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ РАСХОДОМЕРЫ

Измерение разности времени, затраченного на прохождение ультразвукового сигнала в направлении движения потока жидкости и противоположном ему, положено в основу принципа работы данного типа расходомеров. Два датчика монтируются на трубопроводе и испускают генерируемый пьезоэлектрическим кристаллом сигнал в противоположных направлениях. Ультразвуковой сигнал, посланный по направлению потока, первым достигает расположенного в противоположном конце участка трубопровода преобразователя, а по разности времени прохождения обоих сигналов вычисляется скорость потока. Естественно, что в случае отсутствия потока оба сигнала регистрируются датчиком одновременно. Регистрирующее устройство прибора может монтироваться на удаленном расстоянии и оснащается дисплеем.

Существует два типа ультразвуковых расходомеров: один монтируется на наружной поверхности трубы, другой находится в контакте с рабочей средой (врезной тип). Первый тип применятся при работе с агрессивными жидкостями, для него не существует ограничений по давлению и температуре. Монтаж на наружной поверхности трубы не требует остановки технологического процесса. Второй тип расходомеров чаще применяется для измерения потоков жидкости внутри трубопроводов, изготовленных из материалов с низкой проводимостью звукового сигнала.

Достоинством ультразвуковых расходомеров является:

· малое или полное отсутствие гидравлического сопротивления,

· надежность (так как нет подвижных механических элементов),

· быстродействие,

· помехозащищенность Вода для промышленных предприятий и сточные воды — основные сферы применения ультразвуковых расходомеров.

КОРИОЛИСОВЫ РАСХОДОМЕРЫ

Кориолисовы расходомеры — приборы, использующие эффект Кориолиса для измерения массового расхода жидкостей и газов. Принцип действия основан на изменениях фаз механических колебаний U-образных трубок, по которым движется среда. Сдвиг фаз пропорционален величине массового расхода. Поток с определенной массой, движущийся через входные ветви расходомерных трубок, создает кориолисову силу, которая сопротивляется вибрации расходомерных трубок. Наглядно это сопротивление чувствуется, когда гибкий шланг извивается под напором прокачиваемой через него воды.

Достоинством кориолисовых расходомеров является:

· высокая точность измерений параметров;

· работают вне зависимости от направления потока;

· не требуются прямолинейные участки трубопровода до и после расходомера;

· нет затрат на установку вычислителей расхода;

· надёжная работа при наличии вибрации трубопровода, при изменении температуры и давления рабочей среды (только если расходомер установлен на резиновые подставки-прокладки);

· длительный срок службы и простота обслуживания благодаря отсутствию движущихся и изнашивающихся частей;

· нет необходимости в периодической перекалибровке и регулярном техническом обслуживании;

· могут работать от разных источников питания с помощью самопереключающегося встроенного блока питания;

· измеряют расход сред с высокой вязкостью;

· разрешено использование в пищевой, химической и фармацевтической промышленностях.

Многообразие производителей водосчетчиков на российском рынке На сегодняшний день на российском рынке присутствуют водосчетчики всех типов от множества зарубежных и российских компаний, Госреестром РФ зарегистрировано и сертифицировано более 500 видов счетчиков воды. Есть фирмы, собирающие свою продукцию на территории России из импортных комплектующих и по лицензиям западных компаний, фирмы, использующие отечественные наработки и собственные комплектующие, а также и такие, которые используют продукцию, полностью изготовленную другим производителем, но по договоренности с ним ставящие на приборе свое клеймо. Разнообразие водосчетчиков отражает насущную потребность российского рынка в этих устройствах.

В результате проведенного обзора основных средств и методов измерения расхода и количества воды можно сделать следующие выводы:

1. Наличие подвижных движущихся частей в тахометрических расходомерах — основной недостаток, обуславливающий их ограниченный ресурс.

2. Вихревые расходомеры создают препятствие на пути потока и значительное падение давления, имеют повышенную чувствительность к искажениям эпюры скоростей потока.

3. Недостатки ультразвуковых расходомеров (необходимость индивидуальной градуировки, зависимость от профиля скоростей, который меняется с изменением расхода, влияние на показания изменений физико-химических свойств вещества и его температуры, от которых зависит скорость ультразвука), обуславливают погрешность этих расходомеров на уровне 3−4%.

4. Традиционные электромагнитные преобразователи больших калибров весьма громоздки — вес измерительного преобразователя расхода диаметром 2,4 м достигает 2000 кг; они обладают высокой стоимостью и большой энергоемкостью. Точность описанных приборов больших калибров порядка 2−3%.

5. Кориолисовырасходомеры несмотря на свою привлекательность во всех отношениях, имеют основной недостаток — высокую стоимость.

Камерные счетчики и расходомеры

Камерными называются тахометрические расходомеры и счетчики, подвижные элементы которых приходят в движение (непрерывное или периодическое) под давлением измеряемой жидкости или газа и при этом отмеривают определенные объемы или массы измеряемого вещества.

Камерные расходомеры измеряют объемный расход напрямую путем повторяющегося захвата порции жидкости. Общий объем жидкости, проходящей через расходомер в заданный промежуток времени, — это произведение объема порции на количество порций.

Камерные расходомеры часто суммируют расход напрямую на встроенный счетчик, но они также могут генерировать импульсный выход, который может быть передан в комнату управления. Так как каждый импульс представляет дискретный объем жидкости, они хорошо подходят для автоматического дозирования и учета.

Данный тип расходомеров имеет ряд преимуществ:

1. Высокий класс точности;

2. Невысокая стоимость;

3. Возможность измерения малых расходов;

4. Широкий диапазон измерения;

5. Возможность измерения расходов жидкостей с относительно высокой вязкостью;

Недостатки камерных измерителей расхода:

1. Наличие движущихся частей. Износ движущихся механизмов приводит к снижению точности измерений или к возможному выходу из строя расходомера.

2. Относительно сложное конструктивное исполнение.

3. Высокая чувствительность к механическим примесям.

4. Не применяют для измерения расхода в трубах с большим диаметром.

5. Сложность ремонта. Обычно ремонт камерных расходомеров возможен только в заводских условиях.

Камерные счетчики имеют большое число различных разновидностей. Их можно разделить на три основных группы:

1. с эластичными стенками камер;

2. без движущихся разделительных элементов;

3. с движущимися разделительными элементами.

Снижение точности камерных расходомеров связано с просачиванием через внутреннюю изолированную поверхность. Для того чтобы повысить точность измерения расхода и количества в существующие конструкции приборов добавляют тахометрический преобразователь.

Наиболее известный прибор первой группы — газосчетчик с эластичными стенками двух или более мерных камер, которые последовательно заполняются и опустошаются при их постоянном возвратно-поступательном движении. Газораспределительный ме-ханизм золотниковый или клапанный. Приборы этой группы находят широкое применение при измерении газа, расходуемого мелкими потребителями.

Приборы второй группы состоят из одной или нескольких мерных камер, которые последовательно опорожняются и заполняются.

К ним относятся:

· вращающиеся барабанные (измеряют объем жидкости или газа);

· опрокидывающиеся (измеряют массу или объем жидкости);

· приборы с колеблющимся колоколом.

Рисунок 1. Камерные преобразователи расхода без движущихся разделительных элементов: (а — опрокидывающийся гравиметрический, б — опрокидывающийся объемный, в — барабанный для газа, г — барабанный для жидкости) Кроме того, к этой же группе камерных счетчиков могут быть условно отнесены мерные емкости с сильфонным или клапанным опорожнением. Счетчики без движущегося разделительного элемента считаются самыми точными. Но они служат только для измерения небольших расходов и лишь при ограниченном давлении измеряемого вещества.

Чаще всего применяют приборы третьей группы. Стоит отметить, что они имеют наибольшее число разновидностей. Камерные расходомеры с движущимися разделительными элементами состоят из жесткой камеры, в которой непрерывно перемещается один или нескольких разделительных элементов (поршня, диска, роторов и т. п.) осуществляется отмеривание объемов жидкости или газа.

Перечислим основные их разновидности.

Роторные счетчики отличаются друг от друга формой и числом роторов. Они могут быть одинаковыми, например, восьмеркообразными, трапецеидальными или же различными. Часто применяются в качестве счетчиков газа.

Рисунок 2. Роторный счетчик Поршневые счетчики могут быть однопоршневыми и многопоршневыми с коленчатым валом или распределительным диском. Они отличаются высокой точностью и применяются для измерения расхода нефтепродуктов.

Зубчатые счетчики имеют две резко отличные друг от друга разновидности: счетчики с овальными шестернями и счетчики винтовые, состоящие из двух-трех роторов винтовой формы. Те и другие предназначены для измерения жидкостей, причем винтовые лишь при весьма малых расходах. Основное применение имеют счетчики с овальными шестернями для измерения жидкости самой различной вязкости, в том числе и очень высокой. Погрешность не более 1% от измеряемого значения.

Рисунок 3- Схема зубчатого счетчика с овальными шестернями Лопастные счетчики могут быть со скользящими или же со складывающимися лопастями. Наибольшее применение имеют первые. При вращении цилиндрического ротора внутри измерительной камеры лопасти скользят в прорезях ротора. Лопасти имеют либо кулачковое управление, либо движутся, упираясь пружинами в стенку камеры. Предназначены для измерения жидкости в трубах диаметром 100−200 мм. Погрешность 0,4%.

Ковшевые счетчики состоят из ротора крестообразной формы, на котором укреплены оси четырех полуцилиндрических ковшей. Под влиянием разности давлений на ковши, находящиеся у входа и выхода жидкости, ротор вращается. При этом ковши поворачиваются вокруг своих осей, но так, что их наклон к горизонтальной оси счетчика остается неизменным. Предназначены для измерения жидкости в трубах большого диа-метра от 200 до 400 мм.

У кольцевых счетчиков кольцо совершает сложное движение. Оно катится внутри цилиндрической камеры и одновременно скользит вдоль перегородки, разделяющей отверстия для входа и выхода. Погрешность до 1%. Благодаря удобству разборки и чистки применяется преимущественно для измерения жидкостей в пищевых производствах.

У дисковых счетчиков диск с шаровой пятой совершает сложное колебательное движение между конусообразными поверхностями камеры. Ранее дисковые счетчики жидкости широко применялись.

Камерные подвижные счетчики.

Все камерные подвижные счетчики можно разделить на опрокидывающиеся и барабанные.

Опрокидывающиеся счетчики. Применяются только для жидкости. Они состоят из двух камер или ковшей, опрокидывание которых происходит после заполнения одной из камер определенным объемом или определенной массой жидкости в случае грузового уравновешивания. Первые опрокидываются после начала перетекания жидкости в дополнительный желобок, прикрепленный к наружному краю камеры. Чтобы избежать разбрызгивания жидкости или преждевременного попадания в желобки она поступает через воронки, концы которых опущены почти до дна камер. Объем камер от 0,5 до 50 л, интервалы между опрокидываниями 10−30 с. Опрокидывающиеся счетчики удобны для измерения различных жидкостей при малых расходах в очень широком диапазоне. Погрешность не более 2% от измеряемой величины и зависит главным образом от неучитываемого количества mx жидкости, поступающей в камеру в момент ее опрокидывания, и в меньшей степени — от изменения момента трения в опорах.

Для уменьшения погрешности следует в момент, когда наполнение очередной камеры заканчивается, автоматически снижать расход поступающей жидкости по аналогии с тем, как это делается у ковшевых весов. Это делает значение mx малым и не зависящим от расхода. Тогда погрешность можно снизить до 0,1%, как, например, в водосчетчиках, опорожнявшихся с помощью сифонов. Но при этом устройство счетчика существенно усложнится.

Опрокидывающиеся счетчики пригодны для измерения расходов при повышенном давлении, но при условии, что они помещены в прочный и герметичный корпус, внутрь которого подан воздух под определенным давлением.

Ниже на рисунке приведен пример устройства счетчика мазута (на расходы до 700 кг/ч) конструкции Кирмалова, рассчитанного на давление до 0,6 МПа и температуру мазута 50−60 °С.

Внутри цилиндрического корпуса, покрытого теплоизоляцией, снабженного люком для осмотра и закрывающегося крышкой, размещены два призматических ковша, имеющих сечение в виде равнобедренных треугольников. Центр тяжести ковша при заполнении будет перемещаться строго по вертикали, и изменение плотности жидкости (например, из-за изменения ее температуры) не внесет дополнительной погрешности. Мазут поступает по трубе 2 в распределительный желоб и оттуда в один из ковшей. Когда масса жидкости заполнит этот ковш, момент, создаваемый его весом, преодолеет момент контргруза, и подвижная стрелка повернется вокруг оси. Мазут из опрокинувшегося ковша выливается и по трубе 3 поступает к потребителю. После заполнения левого ковша подвижная система повернется против часовой стрелки и вернется в исходное положение. Каждый поворот вызывает срабатывание счетного механизма. Чтобы счетчик не переполнялся, предусмотрен специальный регулятор уровня жидкости, который состоит из поплавка, связанного с клапаном на впускной трубе 2.

Барабанные счетчики. Состоят из барабана, разделенного перегородками той или иной формы на несколько равновеликих измерительных камер. Смещение центра тяжести барабана от вертикали, проходящей через ось его вращения, при поступлении в него жидкости вызывает периодический или непрерывный поворот барабана. В счетчиках газа барабан непрерывно поворачивается под действием разницы давлений газа на входе и выходе. Барабанные счетчики применяют только при измерении объемно-го количества жидкости или газа. Однако он может применяться и для измерения массы прошедшей жидкости (барабанный счетчик с противодействующим контргрузом).

Рисунок 4 -Опрокидывающийся гравиметрический счетчик мазута (1 — цилиндрический корпус, 2 — труба1 (для подачи воздуха), 3 — теплоизоляция, 4 — люк, 5 — крышка, 6 — призматический ковш, 7 — труба 2 (для подачи мазута), 8 — распределительный желоб, 9 — контргруз, 10 — труба3, 11 — поплавок) На рисунке, приведен наиболее распространенный пример устройства трехкамерного барабанного счетчика жидкости. Вокруг оси счетчика имеется кольцевая трубка, по которой поступает жидкость, выливающаяся затем во внутренний цилиндр. Последний имеет три щелевых отверстия, сообщающиеся с измерительными камерами. Из цилиндра жидкость через нижнюю щель перетекает в измерительную камеру 1. При этом равновесие счетчика не нарушается, так как камера занимает симметричное по-ложение относительно центральной вертикальной оси. После заполнения камеры 1 станет повышаться уровень в цилиндре и жидкость через щель начнет заполнять камеру 2. Тогда центр тяжести сместится влево, и счетчик повернется на 120° против часовой стрелки. Жидкость через отверстие 7 выльется из камеры 1 в корпус прибора, соединенный с выходной трубкой, а камера 2, продолжая заполняться, займет нижнее положение. Трубочки, заканчивающиеся открытыми концами в торцевой стенке счетчика, служат для удаления воздуха из камер. Стаканчики, которые впаивают в торцевые стенки камер, позволяют точно подогнать объем последних к заданному расчетному значению. Для того чтобы камеры не опорожнялись слишком быстро, а так же чтобы избежать возможное проскакивания барабана с преждевременным попаданием жидкости в соседнюю камеру делают перегородки (на рисунке 5 отмечены штриховой линией), которые тормозят выливание жидкости.

Рисунок 5. Барабанный трехкамерный счетчик:

(1 — кольцевая трубка; 2 — внутренний цилиндр; 3 — нижняя щель; 4 — измерительная камера 1; 5 — щель во внутреннем цилиндре; 6 — измерительная камера 2; 7 — отверстие истечения камеры 1; 8 — трубочка; 9 — стаканчик; 10 — измерительная камера 3; 11 — корпус) Промышленностью выпускаются барабанные счетчики с номинальным объемом каждой камеры 0,33, 1, 2, 5, 10 и 20 л.

Погрешность измерения в диапазоне (1 — 100) qmax не более 1%, а в диапазоне (0−1)qmax не более 2%.

Такие счетчики применяют для измерения количества различных жидкостей, причем для агрессивных их изготовляют из керамических материалов.

Существуют конструкции счетчиков с большим числом измерительных камер (см. рис. 1, г), но без внутреннего цилиндра. Поэтому жидкость из отверстия в кольцевой трубке, которая идет вдоль оси, поступает в одну или сразу две измерительные камеры, находящиеся под этим отверстием. Форма камер несимметрична относительно вертикали, проходящей через ось, и по мере заполнения камер центр тяжести счетчика сдвигается вправо. В этом и заключается основная причина постоянного вращения такого барабана по часовой стрелке.

Погрешность барабанного счетчика зависит:

· от поверхностного натяжения жидкости,

· от ее температуры,

· от вязкости и плотности,

· от трения в опорах.

Причем чем больше расход, тем больше будет влияние вышеперечисленных факторов на погрешность.

Рисунок 6. Зависимости погрешности дq барабанного счетчика жидкости от расхода (1 — вода; 2 — спирт; 3 — масло малой вязкости; 4 — машинное масло повышенной вязкости; 5 — вода при повышенном трении в приборе)

Приизмерения воды (кривая 1, рис. 6) чем меньше ее расход, тем сильнее влияние капиллярных сил, вызывающих утечку части жидкости из измерительной камеры обратно во внутренний цилиндр. Поэтому при малых расходах кривая 1 поднимается и имеется небольшая положительная погрешность. При больших расходах снова есть небольшой подъем, кривой 1 из-за того, что воздух не успевает выделиться из жидкости и занимает часть объема измерительной камеры. При очень большом расходе кривая 1 резко падает, потому что уровень жидкости во внутреннем цилиндре повышается и неучитываемая ее часть переливается через воздушную трубку в камеру 10 и далее в корпус прибора. У спирта, который имеет малое поверхностное натяжение, кривая погрешности 2 близка к горизонтальной. Поэтому, если у воды в диапазоне 100:1 погрешность равна 1%, у спирта она снижается до 0,4%. При вязкой жидкости стенки камер покрываются слоем жидкости и полезный объем их уменьшается. Это ведет к большой положительной погрешности в начале кривых 3 и 4. Кроме того, уровень во внутреннем цилиндре повышается и при расходах, значительно меньших, чем у воды или спирта, начинается перетекание неучитываемой жидкости через воздушную трубку в камеру 5, что приводит к резкому падению кривой.

Очевидно, что все, вышеуказанные, явления проявляется тем сильнее, чем больше вязкость жидкости. Измерять вязкие жидкости в уменьшенном диапазоне расходов с учетом уменьшения полезного объема камер.

Возрастание трения в опорах или уменьшение плотности жидкости, ведет к увеличению уровня во внутреннем цилиндре в момент поворота барабана, а значит, и уменьшению расхода, при котором начинается падение кривой погрешности (кривая 5).

Благодаря хорошим метрологическим характеристикам барабанные счетчики применяют всегда, когда нужна высокая точность измерения, а измеряемая жидкость находится под атмосферным или небольшим избыточным давлением.

Принципиальная схема барабанного счетчика газа показана на рис. 1, в. Он имеет четыре камеры, измерительный объем которых ограничивается уровнем затворной жидкости (обычно воды), расположенным немного выше оси барабана. Под действием разности давлений газа на входе и выходе барабан постоянно вращается. Для увеличения площади проходных отверстий перегородки, разделяющие камеры, дополняют торцевыми поверхностями, близкими по площади к четверти круга. Одна из этих поверхностей направлена в сторону вращения, а другая отогнута в обратном направлении. Эти поверхности слегка перекрываются такими же поверхностями соседней перегородки, из-за чего образуются большие щели для входа и выхода газа. Ра-нее газосчетчики с подобными барабанами широко применялись в качестве бытовых, и назывались «мокрыми газовыми часами». Потом их заменили на «сухие газовые часы», принципиальная схема которых показана на рис. 7. Круглый жестяной диск, прикрепленный эластичными стенками (мехами) из кожи или ее заменителя к основанию, совершает возвратно-поступательное движение, вытесняя определенные объемы газа.

Рисунок 7- Камерный преобразователь расхода с эластичными стенками Барабанные счетчики газа на производстве не применяются, они сохранили свое значение только для лабораторных работ. У газосчетчиков 1-ГСБ-160 и 1-ГСБ-400 полные измерительные объемы 2 и 5 л, погрешность 1−2%.

Поршневые расходомеры и счетчики жидкости

Поршневые счетчики жидкости, благодаря высокой точности измерения (погрешность около 2%), главным образом используются для измерения нефтепродуктов, ранее их применяли для измерения расхода воды.

Эти счетчики изготавливаются с различным числом поршней. Чаще всего встречаются счетчики с одним, двумя, четырьмя и шестью поршнями. Распределительное устройство обычно золотниковое, иногда в виде четырехходового поворотного крана.

Немного истории. Одним из первых поршневых счетчиков отечественного производства был одноноршневой водосчетчик с вертикальным ходом поршня на калибры 40 и 50 мм и максимальным расходом равным 12 и 20 м3/ч. Позже стали применять расходомер мазут типа МП со счетчиком [012], имеющей четыре вертикально расположенных цилиндра с поршнями, штоки которых упираются в распределительный диск и вызывают как его движение, так и вращение связанного с ним центрального вала. Кривошип последнего управляет движением золотника, обеспечивающего последовательное соединение цилиндров с входным и выходным отверстиями. Счетчик числа оборотов центрального вала измеряет количество прошедшего мазута, а фрикционный тахометр, измеряющий частоту вращения этого вала, — расход мазута. С помощью ферродинамического преобразователя показания расходомера могут быть переданы на вторичный прибор. Расходомеры МП имеют три калибра: 15, 25 и 32 мм — и соответствующие максимальные пределы измерения: 0,25, 1,25 и 4,0 м3/ч. Погрешность измерения расхода 5% у калибра 15 мм, у двух остальных ±1,5%. Погрешность измерения количества 2%. Предельное давление 1 МПа, потеря давления 35 кПа, допустимая вязкость жидкости от 20,4 * 106 до 89 * 106 м2/с.

Одним из преимуществ поршневого счетчика, в отличие от других камерных приборов, имеющих зазор между корпусом и подвижным элементом, поршень имеет уплотнение в виде манжет из кожи, пластмассы, мягкого материала или в виде колец из резины иногда меди. Поршневые счетчики и расходомеры сейчас применяются лишь при малых расходах в трубах, диаметр которых обычно не превышает 50 мм. Из-за возвратно-поступательного движения поршней скорость их маленькая и при больших размерах поршневые приборы становятся слишком громоздкими.

Все мы хоть раз бывали на заправке и видели бензоколонки. Так вот, чаще всего на них стоят четырехпоршневые счетчики бензина (рис. 8). В четырехцилиндровом блоке 1 перемещаются четыре поршня, штоки которых 14 через кулисы 17 и ролики 12 приводят во вращение коленчатый вал 11, а вместе с ним золотник 9 и валик 5, связанный со счет-ным механизмом. Золотник 9, имеющий форму усеченного конуса, расположен в распределительной головке 2 и притерт к опорной поверхности блока 1. Плотность прилегания золотника обеспечивается двумя пружинами: гофрированной цилиндрической 7 с опорным кольцом 6 и расположенной внутри нее винтовой пружиной 4. В положении, показанном на рисунке, жидкость через отверстие 3 начинает поступать к поршню 3, находящемуся в крайнем положении, и продолжает поступать к поршню 15, уже прошедшему половину пути. Одновременно поршни 10 и 16, соединенные штоками с поршнями 13 и 15, перемещают уже отмеренную жидкость через отверстие 8 к выходному штуцеру. Когда поршень 15 дойдет до своего крайнего положения, золотник 9 сообщит пространство у поршня 16 с входным 3, а у поршня 15 с выходным 8 отверстиями, и эти поршни начнут обратное движение. Поршни же 13 и 10 будут продолжать свое первоначальное движение, пока не придут в крайнее положение.

Счетчики жидкости с овальными шестернями

Рассматриваемые счетчики состоят из двух овальных шестерен, который находятся в зацеплении (см. рис. 3) и вращаются в противоположные стороны. Под влиянием разности давлений жидкости в подводящей и отводящей трубах и перемещающих при этом определенные ее объемы.

Рисунок 8 — Четырехпоршневой счетчик бензина Их применяют для измерения количества жидкостей, с вязкостью (0,55 -300)* 10 6 м2/с, давление до 6,4 МПа, температурой — от 40 до +120 °С и давление до 6,4 МПа в трубах диаметром от 15 до 80 мм. Их габаритные размеры и масса значительно меньше, чем у поршневых счетчиков, благодаря вращательному движению разделительных элементов.

Счетчики с овальными шестернями широко применяют для измерения различных нефтепродуктов. Они должны изготовляться согласно ГОСТ 12 671–81*Е классов 0,25 и 0,5.

Счетчики изготовляют на давления 0,6, 1,6, 2,5, 4,0, 6,4 МПа и на три диапазона температур измеряемой жидкости: от -40 до +50 °С; от -10 до +60 °С и от +60 до +120 °С.

Характер работы счетчиков с овальными колесами зависит от вязкости жидкости. С се возрастанием уменьшаются протечки через зазоры, но увеличивается сопротивление вращению овальных шестерен. Поэтому, чтобы не превзойти предельно, допустимой потери давления (приходится снижать значения максимального расхода. Но одновременно благодаря резкому сокращению протечек через зазоры можно еще в большей степени уменьшить qmin, сохранив при этом требуемую точность. Протечка через зазоры уменьшается с уменьшением периметра и толщины зазоров.

Для маловязких жидкостей рекомендуется иметь зазоры в пределах от 0,04 до 0,06 мм, а для вязких — в пределах от 0,05 до 0,1 мм.

Нарезают овальные шестерни методом обкатки.

Максимальная линейная скорость шестерен почти не зависит от калибра счетчика и лежит в пределах 2,2−2,7 м/с, но максимальное число оборотов овальных шестерен существенно уменьшается с возрастанием калибра.

Особенности геометрии овальных шестерен и измерительной камеры счетчика обусловливают некоторую неравномерность перемещения жидкости в счетчике в пределах одного оборота шестерен, сопровождающуюся пульсацией их угловых скоростей. Это обусловливает некоторую погрешность в пределах одного оборота. Устранить ее можно, сделав привод счетного механизма не от одной, а от двух шестерен с помощью дифференциальной планетарной передачи.

Если вязкость у измеряемой жидкости меньше вязкости градуировочной, то надо увеличить показания, чтобы кривая погрешности сместилась в плюсовую область. При большой вязкости поступают наоборот.

Если счетчик с овальными шестернями снабдить тахометрическим преобразователем или же тахометром, измеряющим частоту вращения выходного вала редуктора, то тогда наряду с измерением количества прошедшей жидкости будет измеряться и ее расход. При этом необходимо иметь устройство (например, демпфирующее) для сглаживания пульсаций шестерен в пределах каждого их оборота.

Если автоматически поддерживать перепад давления с обеих сторон счетчика равным нулю принудительным вращением одной из овальных шестерен от электродвигателя и тем исключить протечки через зазоры, можно получить высокую точность измерения в очень большом диапазоне расходов.

Лопастные счетчики жидкости. Лопастные счетчики жидкости — это счётчики, предназначенные для измерения маловязких и средневязких жидкостей. Данные приборы выпускают по ГОСТ 22 548–77*.

Лопастной счетчик жидкости состоит из цилиндра, вращающегося внутри цилиндрической камеры, и четырех лопастей, перемещающихся в радиальных прорезях последнего. Одна или две из этих лопастей всегда принудительно выдвинуты из цилин-дра практически до упора во внутреннюю поверхность камеры, перекрывая при этом кольцевой проход (см. рисунок 9). Лопасти, находясь под разностью давлений жидкости, входящей и уходящей из счетчика, перемещаются вместе с ней, вызывая одновременно вращение цилиндра. Лопастные счетчики предназначены для измерения в трубах диаметром 100—200 мм.

Рисунок 9 — Схема лопастного счётчика жидкости

Принудительное перемещение лопастей в радиальных прорезях наиболее часто осуществляется с помощью профилированного кулачка, реже — под воздействием направляющей кромки внутри измерительной камеры. В первом случае (см. рисунок 9) вокруг расположенного в центре неподвижного профилированного кулачка 2 обкатываются четыре ролика 4, каждый из которых закреплен на своей лопасти. В данном случае лопасти не упираются во внутреннюю поверхность камеры 3, из-за чего между ними остается небольшой зазор. Для предотвращения непосредственного перетекания жидкости из подводящей трубы в отводящую служит кольцевая вставка 5.

При втором способе вращающийся цилиндр размещен эксцентрично относительно измерительной камеры. Лопасти в данном случае под воздействием пружин или же благодаря механической связи противоположных лопастей принудительно прижимаются к внутренней поверхности камеры, образуя две лопастные пары. Здесь протечки через зазоры сведены до минимума. Но данный способ имеет существенный недостаток: трение лопастей о цилиндрическую поверхность камеры, что приводит к изнашиванию трущихся поверхностей и увеличивает потерю давления. При кулачковом приводе лопастей этих недостатков нет, но необходимо обеспечить малые (около 0,05 мм) зазоры, для чего кулачковый механизм, лопасти и внутреннюю поверхности камеры выполняют с повышенной точностью, что обеспечивает минимальные неконтролируемые утечки жидкости в счетчике, поэтому данным счётчиком преимущественно измеряют количество маловязких жидкостей (легких нефтепродуктов, спирта и т. п.).

Профиль кулачка состоит из четырех частей. Каждая лопасть соответствует повороту цилиндра на 90°. В пределах первой части радиус кулачка возрастает от rmin до rшах, благодаря чему обеспечивается полное перемещение лопасти внутрь измерительной камеры. Во второй части кулачок сохраняет постоянный радиус rшах, и лопасть движется вдоль внутренней поверхности камеры, перемещая отмеренный объем жидкости из подводящей трубы в отводящую. В третьей части радиус кулачка уменьшается от rшах до rmln, что сопровождается перемещением лопасти внутрь цилиндра. В четвертой части кулачок имеет постоянный радиус rmin. Утопленная в цилиндре лопасть перемещается вдоль неподвижной вставки, которая разделяет входную и выходную полости счетчика.

При профилировании кулачка в пределах первой и третьей частей надо стремиться к тому, чтобы не было резкого изменения ускорения у лопастей. Выполнение данного условия необходимо для сохранения длительной работоспособности счетчика. Для уменьшения трения износа как нижних опорных торцов лопастей о нижнюю поверхность измерительной камеры, так и их боковых плоскостей о стенки прорезей в цилиндре, целесообразно устанавливать внизу камеры опорные ролики или шарикоподшипники, а внутри цилиндра укреплять ролики, направляющие движение лопастей[1].

Таблица 1. Значения Qmax, Qном и Qmin для лопастных счетчиков жидкости класса 0,5, м3

Объем V жидкости, проходящей через лопастной счетчик за один оборот цилиндра с лопастями, выражается уравнением:

где rk и rц — радиусы камеры и цилиндра соответственно; Н — высота камеры и лопасти; l = rmах — rmin — радиальный ход лопасти; s — толщина лопасти.

Диапазоны измерения лопастных счетчиков зависят от вязкости жидкости и для класса точности. Из таблицы 1 видно, что с возрастанием вязкости уменьшаются значения Qmax, Qном и Qmln, но диапазоны измерения сохраняются неизменными, а именно: Qmax/Qmin = 6 и Qном /Qmin = 4.

Потеря давления в счётчике при наибольшем расходе до 0,05 МПа. Лопастные счетчики изготовляются на рабочие давления: 1,0; 1,6; 2,5; 6,4 МПа и на три диапазона температур измеряемой жидкости: от —40 до +50 °С, от +10 до +60 °С и от +60 до +120 °С.

Для измерения светлых нефтепродуктов и других нейтральных жидкостей разработаны лопастные счетчики на диаметры 100, 150 и 200 мм типа ЛЖ. Корпус с крышкой и вращающийся цилиндр изготовляют из чугуна, лопасти из алюминиевого сплава, подшипники шариковые. Для передвижных установок на D = 100 мм спроектиро-ван облегченный счетчик с алюминиевым корпусом. Для измерения агрессивных сред разработаны лопастные счетчики типа ЛЖА. Они изготовлены из коррозионно-стойких материалов, а вместо шарикоподшипников применены подшипники скольжения. Для измерения сырого и дистиллированного парафина созданы лопастные счетчики типа ЛЖО с рубашкой, обогреваемой паром.

Все рассмотренные лопастные счетчики имеют один вращающийся цилиндр с одним каналом обтекания. Возможно построение симметричного лопастного счетчика с двумя вращающимися цилиндрами и двумя измерительными камерами. Такая модификация рекомендуется при измерении больших расходов (для гашения вибрации).

Область применения лопастных расходомеров очень широка: измерение расходов на испытательных стендах, в гидроприводах станков и технологического оборудования, на стационарных и передвижных бензои маслозаправочных станциях, в топливных системах карбюраторных и дизельных двигателей автомобилей, тракторов, строительно-дорожных, сельскохозяйственных, лесозаготовительных машин, тепловозов и судов, как дозаторы при заливке танкеров, железнодорожных цистерн, резервуаров.

Рабочей средой могут быть: нефть и нефтепродукты (минеральные масла, мазут, бензин, керосин, дизельное топливо и др.), вода, жидкие химические вещества, сжиженный газ, кислород, азот, природный газ, фреон и многие другие однофазные жидкости и газы.

Преимущества: обладают высокой точностью, однако потери давления при измерении сред, выше, чем у турбинных расходомеров. Точность замеров зависит от скорости потока и вязкости среды. Для лопастных расходомеров характерны бесшумность в работе, чувствительность даже к капельным расходам рабочей жидкости, малая инерционность вращающихся частей, долговечность и надежность. Также эти счетчики легко ремонтировать. При необходимости замены комплекта ротора снимают заднюю крышку, вынимают его из корпуса и заменяют новым, не разбирая весь прибор. При заказе счётчика указывают его тип и диапазон вязкостей измеряемой жидкости.

Ковшовые счетчики жидкости

Вращающаяся система счетчика состоит из цилиндрического ротора с крестообразным поперечным сечением (см. рисунок 10) и четырех полукруглых корытообразных ковшей, которые размещены в полукруглых пазах, выточенных в роторе.

На концах ротора имеются две дисковые пластины с укрепленными на них четырьмя подшипниками. Внутри этих подшипников вращаются оси ковшей. Для прохода жидкости имеется кольцевой канал, расположенный между измерительной камерой и ротором. Внизу данного канала помещена вставка, препятствующая непосредственному перетоку жидкости из входного отверстия в выходное.

Рисунок 10 — Схема ковшового счетчика жидкости Площадь поперечного сечения канала равна:

где ru — внутренний радиус измерительной камеры; rp — наружный радиус ротора; Н — высота канала.

Для герметизации кольцевого канала, который всегда перекрыт двумя или тремя ковшами, должно обеспечиваться соотношение между радиусом ковшей ru и радиусом окружности r0, на которой расположены их оси:

Принцип действия: движение ковшей и вращение ротора вызывается разностью давлений жидкости на входе и выходе. При этом ковши движутся плоскопараллельно, не меняя наклона относительно оси ротора. Такое движение обеспечивается с помощью четырех шестерен, укрепленных на осях ковшей и связанных четырьмя промежуточными шестернями с центральной неподвижной шестерней.

Но применяется и другой способ, заключающийся в применении особого четырехзвенного механизма, который состоит из диска, несущего четыре пальца, связанного кривошипами с ковшами. Диск расположен эксцентрично на передней промежуточной крышке и может вращаться вокруг своей оси. Геометрические оси ротора, диска, ковша и кривошипа — вершины четырехзвенного механизма. В результате при полном повороте ротора по часовой стрелке ковши также совершают полный по-ворот вокруг своих осей, но уже против часовой стрелки[1].

Достоинства ковшовых счётчиков:

1. Большой измерительный объем, благодаря чему они удобны для измерения сравнительно больших расходов жидкости в трубах диаметром 200— 400 мм. За полный оборот ротора через счетчик перемещается жидкость, не только находящаяся в кольцевом канале, но также и заполняющая полукруглые пазы в роторе. Поэтому измерительный объем счетчика равен всей площади измерительной камеры за вычетом крестообразной площади поперечного сечения ротора, а также площади поперечного сечения стенок ковшей.

2. Большой диапазон измерения: Qmax/Qmin = 10.

3. Малая погрешность в пределах диапазона измерения: ±0,5% от измеряемой величины.

Основной недостаток данных счетчиков — конструктивная сложность. У ковшовых сопротивление движению разделительных элементов возрастает с увеличением вязкости жидкости, как и у других счетчиков камерного типа, что приводит к соответствующему снижению предельно допустимых расходов. Потеря давления в большинстве случаев не превосходит 30 кПа (при очень большой вязкости не свыше 50 кПа).

Кольцевые счетчики жидкости

Рисунок 11 — Схема кольцевого счетчика жидкости Подвижным элементом кольцевого счетчика является кольцо 8 (см. рисунок 11), находящееся внутри измерительной камеры 2. Кольцо катится по внутренней поверхности камеры 2 под давлением жидкости, которая поступает через отверстие 6. Кольцо одновременно скользит вдоль перегородки 5, вытесняя жидкость из измеритель-ной камеры через выходное отверстие 4. При этом ось 7 кольца движется по часовой стрелке вокруг оси 3 внутри цилиндра.

Ось 7 поворачивается на 180°, после чего внутри кольца окажется замкнутым определенный объем жидкости. Снаружи кольца поступает жидкость, под давлением которой оно продолжает свое движение и вытесняет замкнутую в нем жидкость через отверстие 4. Измерительный объем счетчика можно определить по выражению:

где ru — внутренний радиус камеры; rц — наружный радиус цилиндра 1; rk — средний радиус кольца; д — толщина кольца; Н — высота камеры и кольца; sn — площадь поперечного сечения перегородки.

Главным достоинством кольцевого счетчика является простота его устройства, прежде всего движущегося элемента — кольца. Это упрощает и облегчает разборку и очистку счетчика. Вследствие чего кольцевые счетчики широко применяют при измерении расхода различных жидких пищевых продуктов, т. е. там, где требуется частая разборка и чистка. Кольцо может изготовляться из графита, бронзы, легких металлов и других материалов, в зависимости от рода измеряемого вещества. Но кольцевые счетчики создают небольшую неравномерность движения жидкости в пределах каждого цикла, что является их недостатком.

Погрешность счетчика уменьшается с увеличением вязкости жидкости и сокращением диапазона измерения. Для жидкостей, имеющих очень малую вязкость (менее 0,7*10−6 м2/с), погрешность ±1% в диапазоне от 30 до 150% Qном. При вязкости от 0,7 до 300*10−6 м2/с погрешность равна ±0,5% в диапазоне от 15 до 150% Qном. Погрешность снижается до ±0,2% при уменьшенном диапазоне измерения от 60 до 150% QH0M и вязкости от 0,7 до 6*10−6 м2/с. Для узкого диапазона измерения погрешность может быть снижена до ±0,1%[1].