2.2.1. Турбосиловые расходомеры с внешним приводом

Схемы основных турбосиловых расходомеров с внешним приводом (с электроприводом) представлены на рис.12,а–и.

Первые две схемы (рис.12,а,б) относятся к расходомерам, у которых вращается лишь ротор 1, связанный с электроприводом.

Ротор же 2 закручивается на угол φ, зависящий от сил, создающих противодействующий момент. Как видно из рис.12,а; момент создается при закрутке пружины 3. По такой схеме работали первые конструкции турбосиловых расходомеров. Герметизированный электродвигатель с ротором в виде постоянного магнита помещен внутри входного патрубка в обтекаемом кожухе. Его вал через зубчатую передачу вращает ротор 1, снабженный каналами для прохода жидкости. Угол φ, на который поворачивается ротор 2, воспринимается преобразователем угла поворота, связанным с ротором 2 магнитной муфтой. Если считать, что момент, действующий на ротор 2, определяется уравнением (9), то, обозначая жесткость пружины 3 через с, получим зависимость угла поворота φ от расхода Q_м.

(12)

Следующие пять схем (рис.12,в–ж), относятся к расходомерам, у которых непрерывно вращаются оба ротора.

На схемах, (рис.12,в,г) к ведомому ротору 2 приложены противодействующие моменты M_п, создаваемые тормозным диском 3, взаимодействующим с неподвижными магнитами (рис.12,в) или же гистерезисной муфтой 3 (рис.12,г).

Рис. 12. Схемы основных турбосиловых расходомеров с

электроприводом

В первом случае постоянный тормозной момент равен

(13)

где к – коэффициент пропорциональности; ω_р – угловая скорость ведомого ротора, об/мин. Во втором случае гистерезисная муфта образует постоянный тормозной момент M_п, не зависящий от ω_р. В обоих случаях скорость вращения; ω_р ротора 2 будет меньше скорости вращения ω ротора 1 и к ротору 2 со стороны жидкости будет приложен момент, определяемый по формуле:

(14)

Приравнивая этот момент моменту , найдем зависимость между ω_р и расходом Q_м в случае применения тормозного диска

(15)

Таким образом, путем измерения ω_р с помощью тахометрического преобразователя 4 можно судить о расходе Q_м. Но здесь нет пропорциональности между ω_р и Q_м, хотя по мере уменьшения отношения зависимость между ω_р и Q_м делается не более линейной.

В случае применения гистерезисной муфты (рис.12,г), у которой противодействующий момент M_п = const, возможно несколько измерительных схем. Если ограничиться лишь измерением скорости вращения ω_р ротора 2, то получим зависимость

(16)

Шкала такого прибора нелинейна и будет иметь подавленный нуль. Измерение возможно лишь при расходах Более целесообразна схема, при которой измеряется разность скоростей (ω–ω_р) ведущего 1 и ведомого 2 роторов с помощью тахометрических преобразователей 4 и 5. Частота импульсов f и f_p, вырабатываемых ими, пропорциональна ω и ω_р, а именно: и,где – коэффициент пропорциональности. Подставляя значения f и f_p вместо ω и ω_p в уравнение (14), получим

(17)

где – период биения частот f и f_p. Здесь Q_м пропорционально T.

Возможна еще и третья измерительная схема, при которой скорость ротора 1 автоматически регулируется так, чтобы крутящий момент М на этом роторе был равен тормозному моменту M_п, т. е. чтобы удовлетворялось уравнение . При этом скорость вращения ω первого ротора будет мерой расхода Q_м, но шкала будет гиперболической со всеми присущими ей недостатками. При этой схеме ведомый ротор 2 практически неподвижен.

В схеме расходомера, (рис.12,д) ведущий 1 и ведомый 2 роторы связаны между собою пружиной 3 и вращаются с одинаковой скоростью. Крутящий моментзакручивает пружину 3, имеющую жесткость с на угол φ, определяемый из уравнения.

(18)

Угол φ равен угловому сдвигу роторов относительно друг друга. Для измерения этого сдвига снаружи трубы устанавливаются тахометрические преобразователи 4 и 5, а роторы снабжаются отметчиками из магнитомягкого материала. Измеряется промежуток времени Δt между двумя смежными импульсами преобразователей 4 и 5. Если T – время одного оборота роторов, то а так как то, следовательно,

(19)

Подставляя отсюда значение φ в уравнение (18), получим

(20)

Поэтому расход Q_м оказывается пропорциональным Δt как при синхронном так и при асинхронном двигателе, при котором скорость ω переменная и зависит от расхода. Электрические схемы измерения Δt довольно сложные. Схемы, аналогичные показанной (рис.12,д), нашли применение у расходомеров, роторы которых приводятся во вращение за счет потенциальной энергии потока (рис.13). Сложность измерительной схемы компенсируется у них простотой преобразователя расхода.

Схемы (рис.12,е,ж) предназначены для измерения расхода веществ (например, жидких топлив) с сильно изменяющейся вязкостью. В схеме (рис.12,е) один электродвигатель приводит во вращение ротор 1 через пружину 3 и независимо от него ротор 2 через пружину 4. Первый по ходу потока ротор 1 нагружен крутящим моментом M и моментом сопротивления M_с1 (от вязкости жидкости и от трения в подшипниках). Ротор 2 нагружен только моментом сопротивления M_с2. Поэтому угол закрутки  пружины 3 будет больше угла закрутки φ₂ пружины 4. При равенстве жесткостей обеих пружин и равенстве моментов сопротивления M_с1 = M_с2 угловой сдвиг роторов измеряемый с помощью тахометрических преобразователей 4 и 5, как было разъяснено выше, оказывается пропорциональным расходу Q_м. В схеме (рис.12,ж) каждый из роторов вращается от своего электродвигателя, Первый по ходу потока нагружается суммой моментов M_в + M_с2 , а второй только моментом M_с2. При равенстве моментов M_с1 и M_с2 и одинаковых электродвигателях разность мощностей ΔN =N₁ – N₂ потребляемых электродвигателями, определяется уравнением т. е. будет пропорциональна расходу Q_м.

Конструкция, выполненного по этой схеме преобразователя расходомера К–2, разработанного в ИАТ, представлена на рис.13.

Рис. 13. Турбосиловой расходомер К–2 с компенсацией вязкости вещества

Преобразователь имеет два одинаковых ротора 3, состоящих каждый из прямолопастной крыльчатки, совмещенной с ротором своего электродвигателя. Роторы снабжены шариковыми подшипниками, установленными на консольных осях. Статоры 2 находятся в герметических полостях, образованных корпусом 5 и диамагнитными втулками 4, отделяющими их от роторов. Струевыпрямитель 1 создают одинаковые условия входа и выхода жидкости, а значит, и одинаковые условия для сил вязкого трения, действующих на ту и другую крыльчатку. Для достижения полной компенсации моментов вязкого и механического трения оба электропривода должны иметь одинаковые характеристики. Кроме того, необходима полная идентичность обоих роторов, в том числе зазоров. При зазорах между струевыпрямителями и роторами, равных 1,35 мм, градуировки на воде и смеси масла с керосином совпали с погрешностью не более 1 % в диапазоне расходов от 0,5 до 4,5 кг/с. Но при уменьшении у второго ротора этого зазора до 0,6 мм наблюдалось изменение градуировочной зависимости. С уменьшением зазоров между роторами и разделительной втулкой 4 чувствительность расходомера возрастает. При увеличении зазоров от 0,2 до 0,6 мм крутизна градуировочной зависимости заметно уменьшалась. Схемы однороторных турбосиловых расходомеров представлены на рис.12,з,и.

В первой из них расход определяется путем измерения электрической мощности N, затрачиваемой на вращение электродвигателя. Она прямо пропорциональна крутящему моменту M_к согласно зависимости Проще всего определять по силе тока i, питающего статор электродвигателя. Во второй схеме (рис.12,и) электродвигатель связан с ротором 1 пружиной 2, угол закрутки которой пропорционален расходу.

Для получения высокой точности измерения расхода во всех рассмотренных схемах моменты вязкостного M_в и механического M_м трения должны быть постоянными или сведены до небольшого значения. В схеме (рис.12,д), роторы связаны пружиной, ведомый ротор вращается внутри втулки, укрепленной на ведущем роторе. При этом пружина оказывается разгруженной от вязкого трения на периферии ведомого ротора и остается лишь влияние вязкого трения на его торцевых плоскостях. Весьма полное устранение влияния моментов M_в и M_п достигается в схемах (рис.12,е,ж), у которых один ротор нагружен полным крутящим моментом M_к, а другой – только суммой моментов сопротивления M_в + M_п .

В турбосиловых расходомерах с электроприводом целесообразно электродвигатель располагать внутри преобразователя расхода. При этом ротор последнего совмещают с ротором электродвигателя. Статор же отделяют от измеряемой среды с помощью немагнитной металлической втулки (рис.13). При внутреннем электроприводе устраняется необходимость в зубчатой передаче, связывающей электродвигатель с приводным ротором, исключается трение передающей оси в сальнике, что уменьшает и стабилизирует момент M_м. Толщина разделительной втулки и зазор между втулкой и ротором должны быть минимально допустимыми из условий прочности. Наилучший материал для втулки – сталь 1X13, при которой сила тока холостого хода наименьшая и равна 0.39А. При втулках из стали 1Х18Н9Т сила тока 0.785А, а при втулке из латуни – 0,878А. В расходомерах ИАТ применялись как синхронные (типа ДВС–У1), так и асинхронные (типа ДВА–УЗ) электродвигатели с проточенными статорами и частотой вращения 1500 об/мин.