Расходомеры с автоколеблющимся телом основаны на измерении частоты колебаний тела, самопроизвольно возникающего при обтекании его потоком жидкости или газа

[1].

Рисунок 1 – Схема преобразователя расходомера с автоколеблющимся телом

Схема первичного преобразователя такого расходомера изображена на рисунке 1, а. Преобразователь состоит из прямоугольного корпуса 1, обтекателя 2, шарика 3 и опоры 4. Жидкость, поступающая сверху в корпус 1, делится обтекателем 2 на два прямоугольных потока. Если зазоры между шариком 3 и корпусом 1 достаточно малы, то шарик 3 под действием обтекающего его потока начинает колебаться в плоскости, перпендикулярной к направлению потока. В этом случае частота колебаний возрастает с ростом расхода. В исходном положении шарик не занимает строго среднего положения, так как если бы и занимал, то под действием случайных причин при обтекании его жидкостью из этого положения сместится, например, влево. Что приведет к сужению левого зазора, а следовательно и возрастанию давления в нем. Под действием повысившегося давления шарик сместится вправо и сузит теперь правый канал. Давление в последнем повысится и переместит шарик влево, после чего шарик придет в колебательное движение.

В первом расходомере, разработанном на данном принципе, колеблющимся телом была трехгранная призма 3 (см. рисунок 1, б), подвешенная к оси в своей верхней части. Преобразование частоты колебаний шарика или призмы в электрический сигнал осуществляется с помощью индуктивного преобразователя перемещения.

Между объемным расходом Q0 и частотой колебаний f тела следующая зависимость:

где k — коэффициент, зависящий от геометрии проточной части массы колеблющегося тела и плотности и вязкости жидкости. Нарушение линейной зависимости Q₀ от f под влиянием вязкости в начальной части диапазона измерения тем меньшей, чем меньше вязкость. В остальной части коэффициент k сохраняет постоянное значение.

Рассмотрим принцип действия расходомера, разработанного в Ленинградском механическом институте (ЛМИ). Устройство преобразователя данного прибора показано на рисунке 2.

В корпусе 7 помещена втулка 5, в отверстии которой находится стальной шарик 3. Во втулке 5 запрессованы входной 6 и выходной 2 обтекатели. Выходной обтекатель одновременно служит опорой для шарика 3. В обтекателе 6 симметрично расположены два канала, по которым жидкость направляется к шарику. Ширина этих каналов измеряется углом φ0 и выходит по двум каналам в обтекателе 2. Втулка 5 фиксируется в корпусе гайкой 9 с помощью нажимной втулки 10 и уплотняется резиновым кольцом 4. Жидкость поступает в преобразователь через штуцер 8 и уходит через штуцер 1. Магнитоиндукционный преобразователь 11 служит для преобразования частоты колебаний шарика 3 в частотный электрический сигнал.

В таких приборах применяли шарики диаметром от 1,6 до 6 мм (в зависимости от значения расхода).

При исследовании разработанных приборов было выявлено следующее. Устойчивые незатухающие колебания будут лишь при малых зазорах, когда отношение диаметра отверстия втулки 5 к диаметру шарика равно 1,15—1,25 и когда зазор между шариком и торцом входного обтекателя не более 0,05—0,3 мм [1]. Была получена следующая градуировочная зависимость:

где ρ_ш и ρ — соответственно плотности шарика и жидкости; π_α=d(ω/2v)^0.5 — безразмерный параметр; d – диаметр шарика; ω – круговая частота колебаний; υ – кинетическая вязкость; k_э - коэффициент, определяемый по результатам градуировки расходомера на жидкости.

Если вязкость жидкости невелика и соблюдается условие f≥36v/d² , то можно производить градуировку только на воде.

Приближенная градуировочная характеристика, пригодная для инженерных расчетов расходомеров ЛМИ с шариками диаметром d от 1,6 до 6 мм имеет следующий вид:

где S_K — площадь поперечного сечения одного канала входного обтекателя, φ₀ — центральный угол S_K.

Рисунок 2 – Преобразователь расходомера с автоколеблющимся шариком

Достоинства приборов:

• высокая точность;
• малая инерционность;
• погрешность не превышает 0,5 % от верхнего предела измерения;
• постоянная времени не более 0,5 - 3 мс.

Минимальные расходы, измеряемые прибором с шариком диаметром 1,6 мм, составляют (0,3 - 0,5) 10-6 м3/с, нормальное расположение преобразователей расхода вертикальное. При углах наклона оси относительно вертикали не более 10° градуировка не меняется, но при больших наклонах наблюдается параллельное смещение градуировки. Наибольшее смещение будет при горизонтальном положении преобразователя.

Область применения расходомеров с автоколеблющимся телом: данные расходомеры прежде всего предназначены для измерения расхода жидкости, но возможно создание аналогичных приборов и для измерения расхода газа. При этом шарик целесообразно выполнять полым или же из пластмассы, для того, чтобы снизить его плотность. А преобразование частоты колебаний шарика в электрический и пневматический сигналы надо делать устройствами, не оказывающими реактивного воздействия на шарик.

Роторные расходомеры по доступной цене. Определится с выбором поможет наш сайт.