СЕ-инфо_42 / Измерительные приборры / 7_i_8docx

№7 Тахометрические расходомеры.

Тахометрические расходомеры

В зависимости от конструкции выделяют несколько видов тахометрических расходомеров. Рассмотрим наиболее распространенные из них.

Объемный расходомер (рис. 2.3) имеет две лопасти по форме напоминающие восьмерку (лопасти также могут иметь форму трапеций).

Рис. 2. 1. Объемный расходомер

Вещество проходит через расходомер подобной конструкции небольшими «порциями», объем которых равен объему полости образованной стенкой корпуса и впадиной в середине лопасти, поэтому общий расход однозначно определяется числом оборотов лопастей. Счетчик числа оборотов обычно связан с одной из лопастей при помощи магнитной муфты.

Расходомеры подобной конструкции работают даже при очень малых перепадах давления (до 2,5 кг/см²) и могут быть использованы для измерения больших расходов газа.

Принцип действия турбинных расходомеров заключается в том, что протекающая жидкость (газ) приводит во вращение турбинку. Как правило, ось турбинки расположена параллельно потоку (аксиальная турбинка), а скорость ее вращения зависит от скорости потока. По сути, турбинные расходомеры, как и большинство других расходомеров, являются измерителями скорости, но при известном сечении трубопровода определение объемного расхода не составляет труда. Турбинные расходомеры не пригодны для измерения расхода жидкостей, меняющих свою вязкость. Основное отличие различных видов турбинных расходомеров заключается в способе преобразования частоты вращения турбинки в измерительный сигнал.

Рис. 2. 2. Расходомер с индуктивным преобразователем

В счетчиках Вольтмана [6], которые обычно используются для измерения расхода воды, аксиальная турбинка связана со счетным механизмом через шестеренчатый редуктор. Конструкция этих счетчиков многократно совершенствовалась, однако, относительную погрешность измерения расхода не удается снизить до значений меньше, чем 5-10 процентов.

Для повышения точности до ±(0,3 – 0,5) % в конструкции турбинных расходомеров используют преобразователи, не имеющие механического контакта с турбинкой – индукционные, индуктивные, фотоэлектрические и оптические.

Принцип действия индукционных тахометрических преобразователей основан на возникновении ЭДС в обмотке катушки, расположенной с внешней стороны трубы из диамагнитного материала, при прохождении возле нее магнита, закрепленного на лопатке турбинки. Для увеличения числа импульсов в катушке при измерении относительно малых расходов магниты можно располагать на каждой лопатки. В одной из существующих моделей турбинка снабжена кольцевым ободом, на котором размещено несколько десятков магнитов.

Индуктивные преобразователи основаны на изменении индуктивности наружной обмотки в зависимости от изменения сопротивления ее магнитной цепи, происходящего при вращении турбинки, лопатки которой выполнены (или имеют вставки) из ферромагнитного материала. Сопротивление катушки R при ее питании переменным током с частотой f линейно зависит от ее индуктивности L:

. 2.7

Во время вращения турбинки при прохождении лопаток мимо катушки возникают периодические изменения силы тока в обмотке. При этом выходной сигнал оказывается промодулированным по амплитуде с частотой, пропорциональной частоте вращения турбинки.

На рисунке 2.4 показана в НИИ Теплоприбор электрическая схема турбинного расходомера с индуктивным преобразователем. Индуктивная катушка имеет первичную обмотку, питаемую от генератора Г переменным током частотой 6-8 кГц. Вторичные обмотки включены навстречу друг другу для повышения устойчивости к помехам и внешним магнитным полям. При вращении турбинки Т на выходе катушки получается напряжение U_вых, промодулированное по амплитуде с частотой f , которая равна числу оборотов турбинки в секунду, умноженному на число лопастей. Эта частота значительно ниже частоты генератора. При прохождении сигнала через усилитель-демодулятор УД и фильтр Ф выделяется сигнал с частотой f, который проходит через усилитель низкой частоты УНЧ на модулятор М. Последний вырабатывает импульсы переключения конденсатора С с заряда на разряд. В результате с нагрузочного резистора R_Н снимается постоянное напряжение U_Н , которое является функцией частоты f и пропорционально скорости потока..

Одними из наиболее известных турбинных расходомеров с аксиальной турбинкой и индукционным преобразователем являются расходомеры ТПР. Данные расходомеры выпускаются для труб с диаметром от 10 до 100 мм и имеют потери давления не более 50 кПа. Другие технические характеристики расходомеров ТПР приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1

Тип преобразователя	DУ, Мм	Максимальный измеряемый расход QMAX, л/с	Минимальный измеряемый расход QMIN, л/с	Обороты турбинки при QMAX, об/мин	Приведенная погрешность ,%
ТПР-7	10	0,16	0,03	10 000	1
ТПР-8	10	0,25	0,05	10 000	1
ТПР-9	12	0,40	0,08	10 000	1
ТПР-10	15	0,60	0,12	5 000	0,5
ТПР-11	15	1,0	0,20	5 000	0,5
ТПР-12	20	1,6	0,25	5 000	0,5
ТПР-13	20	2,5	0,3	5 000	0,5
ТПР-14	25	4,0	0,4	5 000	0,5
ТПР-15	32	6,0	0,5	5 000	0,5
ТПР-16	40	10,0	0,8	5 000	0,5
ТПР-17	50	16,0	1,2	5 000	0,5
ТПР-18	60	25,0	2,0	5 000	0,5
ТПР-19	80	40,0	3,0	3 750	0,5
ТПР-20	100	60,0	5,0	3 750	0,5

Рис. 2. 5. Оптический тахометрический преобразователь

Фотоэлектрические преобразователи [6] применяются главным образом в приборах для измерения расхода газов, но иногда и для прозрачных жидкостей при малых размерах турбинки. Принцип их действия основан на появлении пульсирующего напряжения в цепи фотоэлемента при вращении лопастей турбинки между источником света и фотоэлементом.

Оптические тахометрические преобразователи, как и фотоэлектрические, основаны на периодическом прерывании светового луча лопастями турбинки, однако, в них свет распространяется по волоконно-оптическим линиям связи (см. рис. 2.5). Световой поток от источника инфракрасного излучения (светодиод АЛ107Б или АЛ119), расположенного в приемно-передающем блоке 4, распространяется по волоконно-оптической линии 3 и через гермоввод 2 попадает на лопасть турбинки 1. Отразившийся свет также по волоконной линии подводится к светочувствительному элементу блока 4.

Применение фотоэлектрических и оптических преобразователей для измерения расхода непрозрачных жидкостей весьма затруднительно, но возможно.

№8 Электромагнитные и ультразвуковые расходомеры.

Электромагнитные расходомеры

В электромагнитных расходомерах осуществляется преобразование скорости потока жидкости, протекающей в магнитном поле в ЭДС. Исходя из физических принципов, лежащих в основе работы подобных расходомеров, они не пригодны для измерения расхода жидкостей с плохой электропроводностью (спирт, легкие нефтепродукты).

Рис. 2. 6. Электромагнитный расходомер

Устройство электромагнитного расходомера показано на рисунке 2.6. На наружной поверхности трубы, проходящей через зазор электромагнита, крепятся электроды, с помощью которых наводимая ЭДС подается на усилитель У. Величина ЭДС E определяется выражением:

, 2.8

где К – коэффициент вида магнитного поля;

В – магнитная индукция в зазоре;

D – внутренний диаметр трубы;

V – скорость потока.

Усиленный сигнал поступает на измерительный прибор ИП (вольтметр) или регистрирующее устройство. Вид магнитного поля (постоянное или переменное) определяется источником питания электромагнита. При использовании постоянных магнитов наблюдается эффект накопления зарядов на электродах, что приводит к замедлению реакции устройства на изме6нение скорости потока. Недостатком применения переменного магнитного поля является возможность наведения на трубе и проводах трансформаторной ЭДС.

В связи с отсутствием проникновения внутрь трубы подобные расходомеры нашли применение в биохимической и пищевой промышленности. Электромагнитные расходомеры имеют очень широкий диапазон измеряемых расходов – от измерения расхода крови, протекающей по малым кровеносным сосудам, до 3 м³/с [11].

Ультразвуковые расходомеры

Ультразвуковые расходомеры, как и электромагнитные, не имеют устройств, непосредственно контактирующих с протекающим веществом, и поэтому часто применяются в пищевой промышленности [11].

В своем составе (см. рис.2.7) ультразвуковые расходомеры имеют пьезоэлектрический динамик 1, пьезоэлектрический микрофон 2, коммутатор 3, звукогенератор 4 и фазовый детектор 5. Благодаря использованию как прямого, так и обратного пьезоэффекта¹, динамик и микрофон могут взаимно менять свое функциональное назначение при соответствующем подключении с помощью коммутатора.

Рис. 2. 7. Схема ультразвукового расходомера

В результате того, что скорость среды векторно складывается со скоростью распространения звука, время прохождения звуком в движущейся по трубопроводу среде расстояния L от динамика до микрофона в различных направлениях будет отличаться. Время распространения звука оценивается по разности фаз Δφ электрических сигналов, поступающих на детектор со звукогенератора и с микрофона:

, 2.9

где f – частота сигнала звукогенератора;

L – расстояние от динамика до микрофона;

с – скорость звука.

В случае, когда направление распространения звука совпадает с направлением течения среды, скорость звука равна:

, 2.10

где с₀ – скорость звука в неподвижной среде;

V – скорость потока.

В противном случае:

. 2.11

Чтобы избежать необходимости определения скорости звука в неподвижной среде, проводят последовательные измерения времени прохождения звука (набега фазы) при распространении акустических волн по течению потока и против течения. В этом случае скорость потока будет определяться следующим образом:

, 2.12

где t₁ и Δφ₁ – время распространения акустического сигнала по направлению потока и соответствующий фазовый сдвиг;

t₂ , Δφ₂ – аналогичные величины при распространении звука (ультразвука) против течения.

1 Прямой пьезоэффект состоит в появлении электрических зарядов на поверхности некоторых кристаллов (кварца, титаната бария и др.) при их деформации в определенном направлении, а обратный эффект заключается в изменении размеров кристалла под действием приложенного к нему электрического напряжения.