1. Назначение, классификация и принцип работы современных расходомерных систем

1. Назначение и классификация

Приборы, предназначенные для измерения мгновенного или среднего расхода жидкостей и газов в единицу времени, называются расходомерами. На самолетах расходомеры применяются для измерения расхода топлива, потребляемого авиационными двигателями, а также для измерения расхода воздуха в двигателях и герметических кабинах.

Для измерения суммарного количества топлива за определенное время (например, за время полета) применяются суммирующие расходомеры. Эти приборы состоят из собственно расходомера, измеряющего расход в единицу времени, и интегрирующего устройства, обеспечивающего суммирование сигналов, пропорциональных расходам.

Суммирующие расходомеры в большинстве случаев показывают не израсходованное, а остающееся количество топлива, поэтому их показания дублируют показания топливомеров. По сравнению с топливомерами расходомеры более надежны и их показания не зависят от положения самолета в пространстве.

Из выражения для мгновенного объемного расхода и мгновенного весового расхода W жидкостей или газов весовой плотностью γ, протекающих через сечение S трубопровода со скоростью V, следует, что измерение расхода можно свести к измерению величин γ, S и V (или S и V). Во многих случаях одна из величин S или V остается постоянной, тогда измерение расхода можно свести к измерению величины V при постоянной S или наоборот.

Скорость потока жидкости может быть измерена непосредственно, например, при помощи крыльчатки. Расходомеры с непосредственным измерением скорости называются скоростными расходомерами. Они получили наибольшее распространение в качестве измерителей расхода топлива.

Скорость потока можно измерить и косвенными методами, например, измеряя динамическое давление жидкости (газа), связанное со скоростью уравнением Бернулли. На этом принципе основаны, в частности, дроссельные расходомеры, применяемые для измерения расхода воздуха в герметических кабинах самолетов.

Расход топлива необходимо измерять с большой точностью. Мощность поршневых и турбовинтовых двигателей и тяга турбореактивных двигателей пропорциональна расходу топлива в единицу времени. Поскольку для поддержания заданной скорости полета отклонение тяги двигателя не должно превышать ±2%, то погрешность измерения мгновенного расхода топлива должна быть не более ±2%. Примерно такие же требования предъявляются к точности измерения суммарного расхода.

Так как расходомеры топлива включаются в топливную магистраль, то к ним предъявляются жесткие требования в отношении гидравлического сопротивления при нормальной работе и при отказе прибора. В первом случае перепад давлений на датчике расходомера не должен превышать 0,15 кг/см², а во втором — 0,20 кг/см².

1.2 Методы измерения расхода топлива

Существует ряд методов измерения расхода топлива. К наиболее распространенным, получившим наибольшее распространение в авиации можно отнести:

-       объемный;

-       гидродинамический (переменного перепада давлений);

-       метод постоянного перепада давлений;

-       центробежный;

-       турбинный;

-       тепловой;

-       ультразвуковой;

-       электромагнитный (индукционный).

Объемный метод основан на пропускании через трубопровод контролируемого потока жидкости порциями определенного объема. В качестве датчика объёмного расходомера используются обратимые жидкостные насосы — дисковые, чашечные, лопастные, винтовые и др.

Достоинство объёмного метода заключается в том, что вязкость жидкости не влияет на работу датчика, а недостатком — возможность закупоривания магистрали при заклинивании датчика.

Гидравлический метод основан на зависимости перепада давлений, возникающего на дросселирующем элементе, установленном в трубопроводе, от расхода топлива. В качестве дросселирующего элемента используется трубка Вентури или диафрагма.

Метод постоянного перепада давлений основан на уравновешивании веса подвижной части расходомера гидравлическим давлением, оказываемым на эту систему потоком жидкости. В зависимости от конструкции подвижной части, построенные по этому методу расходомеры делятся на ротаметрические, поршневые, дисковые. Недостатком метода препятствующим его применению на летательных аппаратах, является влияние ускорений на подвижную часть расходомера.

Центробежный метод основан на зависимости от расхода жидкости центробежной силы, возникающей при течении жидкости по криволинейной траектории. Построенный по этому методу расходомер состоит из согнутой по кольцу трубы, к которой подключен дифференциальный манометр.

Турбинный (скоростной) метод основан на зависимости скорости вращения расположенной в трубопроводе ненагруженной аксиальной или тангенциальной крыльчатки (турбины) от расхода жидкости.

Достоинством метода является пропорциональная зависимость скорости вращения крыльчатки от расхода жидкости. Мерой мгновенного расхода служит скорость вращения, а мерой суммарного расхода за некоторый интервал времени — общее число оборотов, которое совершит крыльчатка за это время.

Тепловой метод основан на зависимости теплоты, теряемой нагретым телом, от скорости потока жидкости, обтекающей это тело. Чувствительным элементом расходомера служит нагреваемый электрическим током проводник, температура которого зависит от скорости потока.

Ультразвуковой метод основан на том, что скорость ультразвуковых колебаний, распространяющихся в потоке жидкости, относительно трубопровода равна векторной сумме скорости ультразвука относительно среды и скорости среды относительно трубопровода.

Измерение скорости потока может быть осуществлено путем измерения разности времен распространения ультразвуковых колебаний по потоку и против него с помощью двух пьезоэлементов, расположенных один за другим в потоке жидкости и являющихся одновременно излучателями и приемниками ультразвука.

Электромагнитный (индукционный метод) основан на наведении в электропроводящей жидкости электродвижущей силы при течении жидкости по трубе, пересекаемой внешним магнитным полем.

Наибольшее распространение на ВС получили турбинные или иначе скоростные расходомеры.