РАСХОДОМЕРЫ ПЕРЕМЕННОГО УРОВНЯ

Принцип действия расходомеров переменного уровня заключается в изменении уровня в сосуде со свободным стоком в зависимости от объема или массы жидкости, поступающей в этот сосуд в единицу времени. В комплект измерительной установки входят: сосуд с калиброванным круглым или щелевым отверстием истечения и устройство для измерения уровня в емкости. В качестве измерителей уровня может быть применен один из типов существующих приборов.

Отверстия истечения круглого сечения (диафрагмы) могут быть расположены как в дне, так и в боковой стенке приемного сосуда. В последнем случае уровень в сосуде во всем диапазоне измерения должен быть выше отверстия истечения. Щелевые отверстия истечения располагаются только в боковой стенке приемного сосуда; в этом случае уровень жидкости в сосуде должен быть не выше верхнего края щелевого отверстия.

Схема устройства расходомера с круглым отверстием истечения приведена на рис. 9.8. В качестве отверстия истечения использована нормальная диафрагма 5, установленная в донной части сосуда. Жидкость поступает в цилиндрический сосуд 4 через патрубок 2. Внутри сосуда установлены сетчатые перегородки 3, предназначенные для предотвращения загрязнения диафрагмы и успокоения потока жидкости. По уровнемерному стеклу 1 можно определять уровень жидкости в сосуде, пропорциональный измеряемому расходу.

Расход вещества при свободном истечении определяется уравнением (9.15)

В нашем случае

следовательно, уравнение расхода примет вид

(9.35)

где — коэффициент расхода диафрагмы; — площадь отверстия истечения; Н — высота столба жидкости над отверстием диафрагмы.

Из уравнения (9.35) видно, что объемный расход жидкости определяется только уровнем Н. Изменение плотности жидкости на показания прибора не влияет.

Диапазон измерения расхода можно изменять в широких пределах путем смены диафрагмы. Если диафрагма установлена в боковой поверхности, то уровень жидкости Н следует считать до центра отверстия истечения.

Расходомер со щелевым отверстием истечения показан па рис.9.9, а.

Измеряемая жидкость по трубе 2 поступает в сосуд 1, в котором установлена профилированная сливная щель 4, и вытекает по трубе 5. Уровень жидкости в сосуде измеряется пьезометрическим способом дифманометром 6. Для успокоения жидкости в сосуде предусмотрена перегородка 3.

Выведем уравнение, выражающее зависимость между и Н, для отверстия произвольной формы. Для этого возьмем элементарную площадку (рис. 9.9, б) с шириной л: и высотой ей. Применим уравнение расхода (9.16), взятое в дифференциальной форме. Тогда получим

(9.36)

где Н — высота уровня под нижней кромкой щели; у — расстояние от нижней кромки до элементарной площадки.

Интегрируя уравнение (9.36) в пределах от 0 до Н, получим полную величину расхода

(9.37)

Для решения уравнения (9.37) необходимо знать зависимость между х и у. Для получения равномерной шкалы прибора между О и Н должна быть линейная зависимость, т. е.

(9.38)

где —коэффициент пропорциональности, определяемый из условия

(9.39)

Подставляя значение из уравнения (9.38) в уравнение (9.37), получаем

Это уравнение и определяет искомую зависимость профиля отверстия . Величина х должна убывать с ростом у (см. рис. 9.9), поэтому уравнение (9.40) удовлетворяется гиперболической зависимостью между х и у вида

(9.41)

где с — некоторая постоянная величина.

Форма отверстия истечения, построенного по уравнению (9.41), показана на рис. 9.10. Как видно из (9.35), у щелевых преобразователей измерение расхода сводится к измерению уровня жидкости при необходимости получения результата в объемных единицах или гидростатического давления столба жидкости в измерительных камерах, если хотим получить результат измерения в единицах массы.

ТАХОМЕТРИЧЕСКИЕ РАСХОДОМЕРЫ

В основу этого метода измерения положена зависимость скорости вращения тела, установленного в трубопроводе, от расхода вещества. Тахометрические расходомеры относятся к скоростным расходомерам, в которых для создания момента на крыльчатке или другой подвижной части используется кинетическая энергия измеряемого потока. К тахометрическим расходомерам согласно ГОСТ 15528-70 относятся: 1) турбинный с вращающейся крыльчаткой; 2) шариковый с движущимся шариком; 3) камерный с одним или более подвижными элементами, отмеривающими при своем движении определенные объемы жидкости или газа. Число оборотов турбинки или крыльчатки пропорционально скорости потока, а следовательно, и расходу. Между расходом , скоростью движения жидкости и площадью поперечного сечения потока существует зависимость:

(9.42)

Зависимость между числом оборотов и скоростью жидкости может быть выражена соотношением

(9.43)

где п — число оборотов турбинки или крыльчатки; с — коэффициент пропорциональности.

На основании (9.42) можно написать

(9.44)

Подставив в формулу (9.43) значение скорости из (9.44), получаем

(9.45)

Следовательно, при постоянных с и 7 число оборотов вертушки или крыльчатки будет пропорционально расходу.

На рис. 9.11 изображен расходомер жидкости с турбинкой. Измерительный прибор собран в корпусе 1. Турбинка 12, вращаясь на горизонтальной оси 14, передает это вращение через червячную пару 11 и вертикальную ось 9 с шестерней 7 передаточному механизму (редуктору) 8 и счетному механизму 4 (на рисунке не показаны редуктор и счетный механизм, указаны лишь места их расположения в корпусе 1 и головке 3, прикрытой откидной крышкой 6).

Передаточный механизм отгорожен от счетного герметичной перегородкой 2, движение передается через ось 5 с сальниковым уплотнением. Ось турбинки укреплена в подшипниках, установленных со стороны входа жидкости в струевыпрямителе 15, а со стороны выхода жидкости в специальной крестовине — кронштейне 10. Червячная пара 11 состоит из двухзаходного винта, укрепленного на оси турбинки, и червячного колеса, сидящего на вертикальной оси 9.

Поток жидкости, протекающий по трубопроводу, выравнивается в струевыпрямителе и направляется на лопасти турбинки,

которую приводит во вращение. Турбинка через вертикальную ось и шестерню 7 передает вращение счетному механизму.

К этому же типу относятся применяемые на нефтяных промыслах расходомеры и счетчики ТОР и НОРД.

Турбинные счетчики ТОР предназначены для измерения производительности (дебита) нефтяных скважин в автоматизированных групповых установках «Спутник» (см. гл. 21). Схема счетчика показана на рис. 9.12. Жидкость проходит через входной патрубок 1, обтекатель 2 и вращает крыльчатку 3. Вращение крыльчатки через собранный на основании 7 понижающий редуктор 5 и магнитную муфту 6 передается на механизм 8 местного отсчета. Жидкость, пройдя крыльчатку, отражается экраном 4 и выходит из корпуса через патрубок 11.

Корректировка показаний прибора при поверке осуществляется корректором 10, управление которым вынесено наружу счетчика. Счетчик монтируется с помощью быстросъемных хомутов.

Дистанционная передача показаний осуществляется электромагнитным или магнитоиндукционным преобразователем. Электромагнитный датчик построен на принципе магнитоуправляемых нормально разомкнутых контактов, которые, замыкаясь, выдают электрический сигнал, когда постоянные магниты, закрепленные па диске 12, проходят мимо контактов электромагнитного датчика 9.

Магнитоиндукционный преобразователь представляет собой генератор, имеющий постоянный магнит, сердечник и обмотку. Частотные сигналы в этом преобразователе возникают в результате прохождения ферромагнитных лопастей крыльчатки мимо сердечника.

Турбинные счетчики ТОР выпускаются трех типоразмеров на диапазон измерения от 3 до 75 м³/ч. Относительная погрешность измерения ± 2,5% от предела измерения. Рабочее давление 6,4 МПа. Питание электромагнитного преобразователя постоянным током 3,8 мА, напряжением 35 В.

Блок питания подключается к переменному току напряжением 220 В, частотой 50 Гц.

Счетчик НОРД представляет собой комплекс устройств для измерения расхода и объема сырой и товарной нефтей, включающий: турбинный преобразователь расхода, магнитоиндукционные преобразователи и электронные блоки. Магнитоиндукционный преобразователь и электронные блоки позволяют вносить коррекцию в показания расходомеров на изменение температуры и влагосодержания.

Магнитоиндукционный преобразователь состоит из корпуса, внутри которого размещены катушка индуктивности с сердечником и постоянный магнит.

Турбинные преобразователи расхода НОРД выпускаются 22 типоразмеров на условные диаметры от 40 до 200 мм. Максимальный расход от 35 до 900 м³/ч. Отношение максимальных измеряемых расходов к минимальным 10 : 1. Относительная погрешность при измерении расхода сырой нефти ± 1 — ±2,5% от предела измерения. Давление от 2,5 до 16 МПа.

Каждый типоразмер турбинного преобразователя расхода совместно с магнитоиндукционным преобразователем характеризуется разрешающей способностью

где — расход жидкости, л/с (м³/с); / — частота электрического сигнала, соответствующая этому расходу, Гц.

На рис. 9.14 изображен шариковый расходомер, в котором в качестве подвижного элемента применен шарик 2, совершающий под действием потока планетарное вращательное движение. Жидкость поступает во внутреннюю полость корпуса 1 через тангенциальные отверстия. В полости корпуса расположен шарик. Жидкость приобретает угловую скорость со, пропорциональную объемному расходу Q, и увлекает шарик во вращательное движение. При этом

где — диаметр входных отверстий; п — число отверстий; — радиус, на котором расположены входные отверстия.

Скорость вращения шарика регистрируется магнитоиндукционным преобразователем 3. Шарик желательно выполнять из стального сердечника и пластмассовой оболочки.