Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ приборов для измерения расхода и количества жидкости 8
1.1 Требования к приборам для измерения расхода и количества жидкости, применяемых в системах учета тепловой энергии 8
1.2 Разновидности вихревых расходомеров с условными проходами от 20 до 50 мм 15
1.3 Сравнительные характеристики вихревых расходомеров 24
1.3.1 Относительная погрешность измерений 24
1.3.2 Диапазон измерений 26
1.3.3 Межповерочный интервал 28
1.3.4 Стоимость приборов .'. 30
1.3.5 Масса приборов 32
1.4 Экспертная оценка вихревых приборов 33
1.5 Контактно-кондуктометрические приемники-преобразователи вихревых колебаний для малоразмерных вихревых расходомеров 37
1.6 Цели и задачи работы 40
2 Теоретическое исследование контактно-кондуктометрических приемников-преобразователей вихревых колебаний для малоразмерных расходомеров 42
2.1 Исследование работы внутреннего контактно-кондуктометрического приемника-преобразователя вихревых колебаний 42
2.1.1 Влияние неполного взаимодействия вихря с поверхностью гибкого электрода контактно-кондуктометрического приемника-преобразователя вихревых колебаний на его чувствительность ... 44
2.1.2 Влияние изменения размеров гибкого электрода на его чувствител ьн о сть
2.1.3 Оценка возможности применения различных материалов для изготовления чувствительного элемента 49
2.1.4 Изменение рабочей формы чувствительного элемента для увеличения его взаимодействия с потоком набегающей жидкости 50
2.1.5 Исследование влияния профилирования канала обратной связи на чувствительность гибкого электрода 59
2.2 Исследование работы наружного контактно-кондуктометрического приемника-преобразователя вихревых колебаний с гибким электродом вдоль потока
2.2.1 Взаимодействие вихревой формации с гибким электродом 69
2.2.2 Моделирование работы наружного чувствительного элемента контактно-кондуктометрического приемника-преобразователя вихревых колебаний 78
2.3 Особенности работы наружного контактно-кондуктометрического приемника-преобразователя вихревых колебаний с гибким электродом, установленным перпендикулярно потоку 81
2.4 Выводы.. 91
3 Анализ погрешностей малоразмерных вихревых расходомеров 93
3.1 Виды погрешностей малоразмерных вихревых расходомеров 93
3.2 Геометрические погрешности 94
3.3 Погрешность, вызванная влиянием шероховатости стенок трубопровода на эпюру скоростей 97
3.4 Температурная погрешность ". 107
3.5 Общая погрешность измерений вихревого расходомера 110
3.6 Исследование выходных сигналов и помех малоразмерных вихревых расходомеров 111
3.7 Выводы. 121
4 Экспериментальные исследования разработанных малоразмерных вихревых расходомеров . 123
4.1 Описание разработанного вихревого расходомера типа «Енисей» 123
4.2 Экспериментальная установка для исследования малоразмерных вихревых расходомеров
4.2.1 Описание проливной установки ОПРУ-3 127
4.2.2 Методика поверки приборов с помощью мер вместимости 130
4.2.3 Методика поверки приборов с помощью образцовых расходомеров 131
4.3 Результаты экспериментальных исследований образцовых расходомеров 140
4.4 Выводы 143
Заключение 144
Список использованных источников 146
Приложение А. 157
Приложение Б 160
Приложение В
- Разновидности вихревых расходомеров с условными проходами от 20 до 50 мм
- Контактно-кондуктометрические приемники-преобразователи вихревых колебаний для малоразмерных вихревых расходомеров
- Влияние неполного взаимодействия вихря с поверхностью гибкого электрода контактно-кондуктометрического приемника-преобразователя вихревых колебаний на его чувствительность
- Погрешность, вызванная влиянием шероховатости стенок трубопровода на эпюру скоростей
Введение к работе
По мере формирования в России новых принципов построения экономических отношений растет заинтересованность в применении систем и приборов для измерения расхода потоков жидкости, в т.ч. и воды.
Основным критерием оценки систем измерений является достоверность получаемой информации, которая определяется надежностью работы систем и метрологическими характеристиками средств измерений, в частности расходомеров.
На рынке имеется широкий выбор приборов для измерения объема и расхода воды: электромагнитные, тахометрические, ультразвуковые, вихревые [1]. Вихревые расходомеры и счетчики - относительно новый класс расходометрической аппаратуры. Они имеют высокую точность, как ультразвуковые, широкий диапазон измерений, как тахометрические, конструктивно просты и значительно дешевле и могут быть проще в монтаже и эксплуатации, чем все указанные типы приборов [2]. Разраіботку вихревых расходомеров ведут различные организации. Разработчики используют разные подходы к проектированию приборов, поэтому характеристики их продукции имеют значительный разброс параметров, и не всегда оптимальны, поскольку одним из основных факторов, влияющих на конструкцию прибора, является его область применения. Актуальной сферой использования таких приборов являются системы учета объема, расхода воды и учета тепловой энергии.Помимо использования для осуществления финансовых расчетных операций системы учета находят широкое применение для контроля технологических процессов в промышленности и коммунальном хозяйстве.
Новым и весьма перспективным типом вихревых приборов являются расходомеры с контактно-кондуктометрическими приемниками-преобра-
зователями вихревых колебаний (КК ППВК). Несмотря на активное развитие данного вида приборов, теоретических работ, посвященных им, мало.
Целью работы является разработка и исследование вихревых приборов для измерения расхода потока жидкости в системах учета тепловой энергии на промышленных объектах и в жилищно-коммунальном хозяйстве.
В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие задачи:
проведение сравнительного анализа и экспертная оценка существую--щих типов расходомеров на основе требований, предъявляемых к измерительным расходометрическим приборам, применяемым в системах учета тепловой энергии и теплоносителя;
разработка двух вариантов конструкции контактно-кондуктометри-ческих приемников-преобразователей вихревых колебаний - внутреннего и наружного исполнения для малоразмерных расходомеров;
теоретическое й экспериментальное исследование внутреннего и наружного КК ППВК;
исследование погрешностей вихревых малоразмерных расходомеров и разработка рекомендаций по их снижению;
- «разработка схемы измерительного канала малоразмерного вихревого расходомера с КК ППВК на основе анализа входных сигналов и помех вихревых расходомеров;
экспериментальные исследования погрешностей измерения расходо
меров, разработанных на основе проведенных в работе научных исследо
ваний.
Научная новизна работы:
Предложены два варианта конструкции контактно-кондуктометри-ческих приемников-преобразователей вихревых колебаний - внутреннего
и наружного исполнения, которые просты конструктивно, надежны в эксплуатации и эффективно преобразуют вихревые колебания в электрический сигнал. Проведено их теоретическое исследование и разработаны математические модели КК ППВК внутреннего и наружного исполнения. Полученные модели можно использовать для исследования разработанных КК ППВК, а также для проектирования новых приборов. Определены погрешности вихревых малоразмерных расходомеров и проанализированы причины их вызывающие. Предложено простое техническое решение для снижения погрешности, вызванной шероховатостью внутренней поверхности трубопровода, заключающееся во введении в поток специальных тур-булизаторов в виде кольцевых выступов или канавок. Предложена схема обработки сигналов, поступающих с КК ППВК, на основе микромощного микропроцессора, которая позволяет снизить как периодические, так и случайные помехи выходного сигнала расходомера. Разработан малоразмерный вихревой расходомер «Енисей», предназначенный для динамического измерения объема воды, протекающей по напорным трубопроводам холодного и горячего тепло-: и водоснабжения. Разработаны методики испытания и поверки приборов на проливной установке ОПРУ-3: с помощью применения мер вместимости и с помощью образцовых расходомеров.
Разновидности вихревых расходомеров с условными проходами от 20 до 50 мм
Существует три типа вихревых расходомеров: - приборы на основе поступательно-вращательного потока (прецессия вихря), т.е. в первичном преобразователе расходомера поток закручивается и, попадая затем в расширенную часть трубы, прецессиру-ет, создавая при этом пульсации давления; - приборы с телом обтекания, т.е. в первичном преобразователе расходомера имеется неподвижное тело, при обтекании которого с обеих сторон попеременно возникают срывающиеся вихри, создавая при этом пульсации давления; - приборы с осциллирующими струями (эффект Коанда), .т.е. .в первичном преобразователе расходомеров струя, вытекающая из отверстия, совершает автоколебания, создавая при этом пульсации давления. В последние годы все новые вихревые расходомеры строятся на основе обтекания потоком неподвижного тела [1, 35, 36]. В основе их работы лежит физическое явление, заключающееся в том, что за любым телом, обтекаемым потоком жидкости или газа, образуется вихревая дорожка, так называемая дорожка Кармана. Тела обтекания могут быть различной формы, их конструкция подробно описана в литературе [1, 37]. Для более эффективного и устойчивого вихреобразования, уменьшения лобового сопротивления и увеличения области чисел Рейнольдса, в которой возникают регулярные вихри, тела обтекания снабжают поперечными (по отношению к потоку) отверстиями круглой или продолговатой формы, которые назы ваются каналами обратной связи [38, 39]. Многообразие выпускаемых ти пов этих приборов определяется многообразием методов преобразования частоты следования вихрей в выходной сигнал. Устройство для преобразования частоты следования вихрей в электрический сигнал называют приемником-преобразователем вихревых колебаний (ППВК) [40]. По виду 1111ВК вихревые расходомеры можно разделить на следующие группы: вихревые ультразвуковые (акустические), вихревые электромагнитные, вихревые индукционные, вихревые контактно-кондуктометрические, вихревые пьезоэлектрические, вихревые с термоанемометрами и др. В нашей стране выпускаются приборы, относящиеся к первым четырем группам.
Работа расходомеров с ультразвуковым съемом вихревых колебаний основана на том, что условия прохождения ультразвуковых колебаний через вихревую формацию и по равномерно текущей жидкости различны. В таких преобразователях за телом обтекания установлены излучатель и приемник ультразвуковых колебаний. При каждом прохождении вихря между ними изменяются параметры сигнала в приемнике. Может регистрироваться изменение фазы принимаемого сигнала, время прохождения сигнала через измеряемую трубу или изменения амплитуды сигнала [41].
Данные приборы имеют те же достоинства и недостатки, что и ультразвуковые расходомеры. Кроме того, они плохо работают в условиях низкого давления в трубопроводе. Это объясняется возникновением пузырьков пара при вихреобразовании из-за явления кавитации потока на гранях тела обтекания. Представителями таких приборов являются приборы типов СВА [42, 43], СВУ [44], Метран ЗООПР, выпускаемые в нашей стране промышленной группой «Метран» (г.Челябинск) [45], ДРВ-1, выпускаемые АО «Староруссприбор», а также приборы типа VFM-3100 производства фирмы KANEX KROHNE (Германия) и типа 8800А семейства Rosemount SMART FAMILI (США) [45]. Технические характеристики этих вихревых приборов сведены в таблицу 1.2. К сожалению, у приборов, серийно выпускаемых промышленной группой «Метран», в 2 раза завышена граница минимального измеряемого расхода воды по сравнению с величиной, указанной в паспортных данных этих приборов.
Для снятия вихревых колебаний широко используется электромагнитный принцип. В вихревой формации, пересекающей силовые линии магнитного поля, индуктируется ЭДС, которая может быть воспринята электродами. Прохождение вихря сопровождается изменениями в величине наводимой ЭДС, которая преобразуется в выходной сигнал. При использовании постоянных магнитов для создания магнитного поля такая схема достаточно эффективна и может работать с малым потреблением энергии [46]. К сожалению, величина ЭДС, возникающей в таком приемнике-преобразователе, очень мала, в особенности на малых расходах, поэтому динамический диапазон данных приборов невелик (таблица 1.3). Представителями этого класса приборов являются вихревые расходомеры ВЭПС-СР производства ЗАО «Промсервис» г.Димитровград [47], ВЭПС-Т(И) производства НПО «Промприбор» г.Калуга [48], ВРТК-2000 (ЗАО «ИВК-Саяны», г.Москва) [49], РЭВ «Фотон» производства Научно-технической фирмы «Фотон» г.Санкт-Петербург [50].
Индукционный ППВК содержит колеблющийся элемент: пластинку, мембрану, шарик и т.д., которые совершают колебания в такт с частотой следования вихревой формации. Это достигается специальной конструкцией ППВК. Например, тонкая пластина круглой формы, помещается в камеру, где может свободно перемещаться в небольших пределах. Камера соединяется каналами с боковыми гранями тела обтекания. Перепады давления на гранях при вихреобразовании заставляют колебаться пластинку в камере. Вокруг камеры помещают катушку, соединенную с электронной схемой. Перемещение пластинки ведет к изменению электрических характеристик катушки, что приводит к формированию импульса на выходе электронной схемы [1]. Все такие ППВК имеют общий недостаток, заключающийся в возможности засорения каналов, в которых колеблются подвижные элементы, механическими частицами, поскольку зазоры в них в силу принципа работы не могут быть большими. Это требует применения фильтров, а, следовательно, увеличивает длину измерительных участков трубопроводов и усложняет эксплуатацию.
Контактно-кондуктометрические приемники-преобразователи вихревых колебаний для малоразмерных вихревых расходомеров
Гибкий электрод в виде пластинки может рассматриваться как плоская пружина. Анализ взаимодействия потока воды с пружинным электродом такой формы проведен в работе [69]. В данной работе рассматрива лось воздействие набегающего потока жидкости на всю длину электрода. В малоразмерных преобразователях с внутренним КК ППВК электрод, как показано на рисунке 2.1, лишь частично подвергается воздействию скоростного напора. Поэтому, его прогиб, т.е. чувствительность, при прочих равных условиях будет меньше. Для анализа чувствительности электрода, работающего при данных условиях, будем учитывать, что прогиб любой пружины прямо пропорционален изгибающему моменту, приложенному к ней [84, 85]. В связи с этим достаточно проанализировать величину момен-та, который воздействует на гибкий электрод в процессе работы.
Рассмотрим гибкий электрод, в общем случае, трапециидальной Рисунок 2.2 - К выводу уравнения прогиба гибкого электрода формы, показанный на рисунке 2.2. Площадь элементарной площадки, заштрихованной на рисунке 2.2, длиной dx и шириной Вх, равна dS=Bxdx, (2.1) т.к. dx мало, то можно считать площадку прямоугольной. Элементарная сила dF, действующая на нее равна: dF=pdS или dF=pBxdx (2.2) где р - перепад давлений на поверхности пластинки (в первом приближении при перпендикулярном воздействии струи жидкости равный скоростному напору). Текущая ширина пластинки Вх изменяется по закону: B,±B,(I-fix),mp-2, (2.3) где В] и Д? - ширина пластинки в закрепленном и свободном концах соответственно; L - длина пластинки; /?- характеризует расширение пластинки к ее свободному концу. Определим момент сил, он будет равен: dM = pBx(L-x)dx, (2.4) Часть гибкого электрода, подверженная действию потока воды в канале обратной связи тела обтекания, имеет длину / (рисунок 2.1). Остальная часть электрода перекрывается телом обтекания и не участвует в создании изгибающего момента. Тогда момент сил будет равен [86] М= \рВ0(1- Р x)(L-x)dx = рВ0{Ц- + -(-1- pL)l2 +Ll\ і2-5) О г\ 3 2 ) Для пластинки прямоугольной формы считаем, что Z?/=i?2, соответственно Р=0. Тогда выражение момента получим в следующем виде М = \pB2(L-x) dx = рВІ LI--12) і2-6) Введем понятие коэффициента открытия электрода потоку жидкости к от = /L,- Подставляя в полученное нами выражение (2.5) значения О/ /,, получим величины изгибающих моментов для различных коэффициентов открытия. При кот=\, M-ML. На рисунке 2.3 приведены относительные величины изгибающих моментов Л/ = Л , для различных значений кот чувствительных элементов, имеющих разный коэффициент расширения пластинки р. Чувствительные элементы, относительная величина изгибающих моментов которых приведена на рисунке 2.3, имеют следующие размеры: - первый электрод - прямоугольный (L=31 мм, Bi=B2=7 мм); - второй электрод - расширенный (L=31 мм, Bj=3 мм, В2=б мм); - третий электрод - расширенный (L=31 мм, Bi=3 мм, В2=7 мм); - четвертый электрод - расширенный (L=31 мм, Bj=2 мм, В2=6 мм). 0,2 0,4 -+— первый электрод — третий электрод 0,6 - — второй электрод - четвертый электрод 1/L Рисунок 2.3 — Зависимость относительного изгибающего момента от коэффициента открытия Из рисунка 2.3 видно, что относительный изгибающий момент, действующий на гибкий электрод, мало зависит от формы электрода, а полностью определяется коэффициентом открытия. При коэффициентах откры 47 тия электрода равных 0,3-5-0,5, изгибающий момент, действующий на гибкий электрод, снижается до 0,5-4-0,8 от максимально возможного значения. Из графика следует также то, что на трапецеидальном электроде возникает несколько больший изгибающий момент, чем на электроде прямоугольной формы. Учитывая, что жесткость трапецеидального электрода ниже, чем прямоугольного, наглядно видно его преимущество.
Таким образом, при прочих равных условиях, чувствительность внутреннего КК ППВК в малоразмерных расходомерах будет ниже, чем в расходомерах на большие диаметры условного прохода. Поскольку гидродинамическая сила, действующая на гибкий электрод, пропорциональна квадрату скорости потока, минимальный измеряемый расход в таких расходомерах будет выше в 1,12-5-1,41 раза. Другими словами диапазон измерения малоразмерного расходомера с внутренним КК ППВК при прочих равных условиях будет составлять 0,71-5-0,89 от диапазона измерений прибора на условный проход большого диаметра. Отсюда следует, что повышение чувствительности внутреннего КК ППВК является важной задачей. Однако решение данной проблемы облегчается тем, что достаточно повысить чувствительность гибкого электрода всего на 12-5-41%.
Рассмотрим возможности изменения параметров чувствительного элемента для повышения его чувствительности. Есть несколько путей решения этого вопроса: 1) изменение размеров чувствительного элемента гибкого электрода; 2) применение различных материалов для изготовления чувствительного элемента; 3) изменение рабочей формы чувствительного элемента для увеличения его взаимодействия с потоком набегающей жидкости; 4) профилирование канала обратной связи, придание ему специальной формы, для увеличения скорости потока взаимодействующего с гибким электродом. Рассмотрим каждый вариант более подробно.
Влияние неполного взаимодействия вихря с поверхностью гибкого электрода контактно-кондуктометрического приемника-преобразователя вихревых колебаний на его чувствительность
К материалу, из которого изготавливается чувствительный элемент контактно-кондуктометрического приемника-преобразователя, предъявляют различные требования. Прежде всего, материал должен обеспечивать основные рабочие свойства элемента - упругость, прочность, устойчивость к коррозии [2].
В КК ППВК чувствительный элемент производится из мелкокристаллической модификации нержавеющей стали методом проката. Такой КК ППВК отличается высокой чувствительностью, поскольку даже при небольших амплитудах колебаний гибкого электрода на выходе устройства формируется полезный сигнал. Это позволяет использовать такой преобразователь в приборах, рассчитанных на измерение малых расходов при низких скоростях потока. Можно использовать сплавы меди и титановые сплавы [87, 88, 89, 90].
Вид материала определяет величину модуля упругости Е в выражении (2.7). Для сталей различных марок величина модуля упругости лежит в пределах =190-200 МПа, а для сплавов меди =80-100 МПа [91, 92]. Изготовление гибкого электрода из сплавов меди даст возможность примерно в два раза повысить чувствительность преобразователя, но одновременно снизит и его помехоустойчивость и надежность. Поэтому варьировать данной величиной для управления чувствительностью КК ППВК, на наш взгляд, также не стоит.
Одним из перспективных, на наш взгляд вариантов повышения чувствительности внутреннего КК ППВК расходомера, является изменение рабочей формы чувствительного элемента. Здесь без снижения жесткости самого гибкого электрода представляется возможным увеличить действующие на него силы со стороны потока жидкости в канале обратной связи.
Теоретические исследования влияния формы гибкого электрода на его работу практически невозможны из-за необходимости учета многих факторов, кроме формы.электрода, таких, как, расположение его в канале, влияние стенок, длины и формы канала на его работу и т.д. Поэтому нами был разработан экспериментальный стенд, позволяющий произвольно задавать скорость потока жидкости, набегающего на гибкий электрод ППВК и наблюдать за его колебаниями [93, 94].
Основой стенда является рычаг с гибким подвесом вверху, внизу которого установлен КК ППВК, опущенный в емкость с водой. Рычаг с помощью гибкой связи приводится в колебательное движение специальным приводом (рисунок 2.4). Гибкие связи в подвеске и приводе рычага обеспечивают отсутствие люфтов, т.е. ударов в момент изменения направления движения.
При движении преобразователя относительно жидкости на гибкий электрод действуют две основные силы: 1. Сила гидравлического сопротивления - Fr. Эта сила имитирует воздействие жидкости на гибкий электрод преобразователя. Она совпадает по фазе с кривой скорости движения жидкости и, согласно положениям гидродинамики, будет определяться: Fr=CxpS— = СxpS-А2со2 sin2 (0)(0 -), (2.11) где Сх- коэффициент сопротивления при поперечном обтекании пластинки; р - плотность жидкости; S - площадь пластины. 2. Сила инерции —Fu , которая также как и гидравлическая сила вы зывает изгиб пластинки. В реальных условиях эксплуатации преобразова тель неподвижен, поэтому сила инерции возникает только при изгибе элек тродов. В силу того, что скорости и ускорения, которые возникают при изгибе электрода, весьма малы, в реальных условиях эксплуатации силы инерции также малы. Они приводят к весьма незначительному снижению амплитуды колебания электрода, поскольку действуют всегда против направления его движения, но всегда ускорение находится в противофазе с направлением движения. На стенде преобразователь совершает значительные колебания относительно жидкости, соответственно велико и ускорение, с которым он движется, поэтому силу инерции, возникающую здесь, необходимо учесть. Она всегда сдвинута относительно силы гидродинамического сопротивления на угол — и равна: Frr = та = -тА соsin cot, (2.11) где т - масса пластинки.
Схема экспериментального стенда приведена на рисунке 2.7. Стенд состоит из генератора синусоидальных низкочастотных колебаний ГНЧ, усилителя мощности УМ, электромагнитного привода ЭП, в качестве которого используется рабочая часть мощной низкочастотной электродинамической головки с системой обратной связи по перемещению, датчиком которой служит аналогичное устройство. В обмотке ДОС индуктируется ЭДС, пропорциональная перемещению штока электромагнитного привода. Сигнал обратной связи подается на УМ. Использование обратной связи по перемещению штока ЭП позволяет обеспечить перемещение рычага стенда с исследуемым КК ППВК по синусоидальному закону с минимальными искажениями в заданном диапазоне частот. Система электродов КК ППВК помещена в обтекатель, формой и размерами соответствующий каналу обратной связи реального прибора. Колеблясь в сосуде с жидкостью, гибкий электрод обтекается набегающим на него потоком и отклоняется под действием знакопеременного потока на определенный угол. Частота колебаний задается с помощью ГНЧ-1 (от 1 до 100 Гц). Амплитуда качаний измеряется оптическим способом с помощью лазерного источника света и изменяется в диапазоне О-КЗО мм. Кроме того, амплитуду качаний можно контролировать по измерителю перемещений ИМ, на который подается выпрямленный и сглаженный фильтром сигнал с датчика обратной связи ДОС.
На один из неподвижных электродов ППВК через резистор R подается высокочастотное напряжение от генератора ГНЧ. При колебаниях гибкого электрода оно модулируется по амплитуде и детектируется линейным амплитудным синхронным детектором СД. Выход детектора через низкочастотный измерительный усилитель УИ подключен к осциллофафу, с помощью которого контролируется форма напряжения на чувствительном элементе, а, следовательно, и закон колебания гибкого электрода.
Погрешность, вызванная влиянием шероховатости стенок трубопровода на эпюру скоростей
При монтаже тела обтекания в рабочий или калиброванный трубопровод возникает погрешность, вызванная шероховатостью внутренней поверхности трубопровода, которая влияет на эпюру скоростей потока. Влияние шероховатости стенок трубопровода на эпюру скоростей и, соответственно, вызванную этим обстоятельством погрешность измерений, согласно ГОСТа 8.361-79 [153], можно устранить двумя способами: - перемещением чувствительного элемента расходомера на расстояние (0,242±0,013)г, где г - внутренний радиус трубы в измерительном сечении. Причем считаем, что прибор измеряет среднюю скорость при развитом турбулентном течении измеряемой среды; — введением скоростного коэффициента Ку, который равен отношению средней скорости потока в данном сечении к скорости потока в точке измерения.
Первый способ оценки влияния шероховатости возможен только для расходомеров с Dy 300 мм. Так как в работе рассматриваются малоразмерные расходомеры с Dy 50 мм, изменение положения чувствительного элемента ввиду малости размеров трубопровода не представляется возможным. Поэтому этот вариант неприемлем для рассмотрения. Рассмотрим подробнее второй вариант, т.е. введем скоростной коэф фициент. Скоростной коэффициент Ку, в соответствии с ГОСТом 8.361-79 будет определяться в зависимости от коэффициента гидравлического тре ния X, который в свою очередь зависит от шероховатости поверхности и числа Рейнольдса. Число Рейнольдса при одинаковых скоростях жидкости в трубопроводе меняется в зависимости от диаметра трубы и вязкости жидкости, т.е. зависит и от температуры, поскольку вязкость меняется с изменением температуры [98, 154, 155]. Шероховатость стенок трубопро ж вода обычно известна [156]. Принимаем за показатель шероховатости ве личину Ra - среднее арифметическое отклонение профиля, относительная шероховатость стенок трубопровода Аг в таком случае равна Ar=Ra/D, (3.4) где D - внутренний диаметр трубопровода. По ГОСТ 8.563.1 [156] для рабочей температуры среды находим кинематическую вязкость воды V. Определяем среднюю скорость потока в трубопроводе для номинального расхода Опот Ucp« = где S 5 - рабочее сечение трубопровода, равное разности между полным сечением трубы So и поперечной площадью тела обтекания 5д, находящегося внутри. Spa6 = So-Sd = ——Sd. (3.6) Для данного типоразмера трубопровода определяем число Рейнольд са относительно средней скорости потока в трубопроводе R D1Ucp!L V Далее находим коэффициент гидравлического трения Л по графику Кольбрука или формуле А.Д.Альтшуля для труб промышленного изготовления [143,99]. / \0.2S Х = 0,11 (3.8) Аг \ ReDj В соответствии с. известным значением коэффициента гидравлического трения по графику приведенном в ГОСТ 8.361-79 находим скоростной коэффициент Kv [153].
При изготовлении корпуса прибора, для точной калибровки внутреннего диаметра измерительного участка применяют токарную обработку. Для чистового точения абсолютная шероховатость может быть принята равной Ra=0,00125 мм [150]. Выбираем значение Ку для номинального расхода и температуры 20С. В реальных условиях эксплуатации скоростной коэффициент Kvi отличается от первоначального, рассчитанного для текущего расхода. Если бы при изменении расхода величина скоростного коэффициента оставалась неизменной, то погрешность равнялась нулю. Но вследствие изменения условий течения потока коэффициент Kvi изменяется и вызывает погрешность измерения средней скорости потока. Относительное отклонение Kvi от Ку для труб с диаметром условного прохода 20,25,32,40,50 мм, выраженное в процентах, показано на рисунках 3.4, 3.5, 3.6, 3.7 и 3.8.
Изменяя значение температуры среды при заданном расходе и диаметре условного прохода, можно по рассмотренной выше методике определить зависимость погрешности измерений от температуры при переходном расходе для разных условных проходов. Данные расчетов приведены на рисунке 3.10.
Большая величина погрешности для гладких труб (Ra=0,00125 мм) объясняется тем, что режим движения жидкости в них,- особенно на малых расходах, близок к ламинарному. Это приводит к значительной неравномерности эпюры скоростей потока по сечению. Средняя скорость потока существенно отличается от максимальной скорости по оси, которую измеряет вихревой расходомер. Для выравнивания значений средней и максимальной скоростей потока необходимо добиться близкого к турбулентному режиму движения жидкости на измерительном участке прибора.
Увеличение шероховатости всей внутренней поверхности трубы искусственно применением накатки или другими способами весьма дорого и усложняет технологию производства приборов.
Сделать поток турбулентным можно с помощью введения в него специальных турбулизаторов, выполненных в виде ступеньки, выступающего кольца или кольцевой канавки, расположенных на определенном расстоянии от тела обтекания. Последнее техническое решение (кольцевая канавка) наиболее технологично [157, 158]. Расстояние между канавкой и телом обтекания L можно определить исходя из выражения (2.29)
