2.2.2. Турбосиловые расходомеры с приводом от потока

Многие из схем, представленных на рис.12, можно осуществить без электродвигателя с приводом от потока. При этом закрутка потока достигается с помощью неподвижного шнека или другим путем. Таким образом, реализована схема, в которой электродвигатель был заменен на неподвижный шнек (рис.12,г). Расход определялся по уравнению (14) путем измерения периода Т биения частот, пропорциональных скоростям ω и ω_р.

Схемы расходомеров (рис.14,а–в) состоят из двух (иногда трех) крыльчаток, связанных пружиной. Если одну из них сделать с наклонными или винтовыми лопастями, то она также как и ведомая крыльчатка станет вращаться за счет внутренней энергии потока. Отсутствие электродвигателя упрощает конструкцию преобразователя расхода и увеличивает надежность его работы. Обе крыльчатки вращаются с одинаковой угловой скоростью ω, а образующийся при этом угол сдвига φ между ними, равный углу закручивания пружины, будет возрастать с ростом массового расхода Q_м. Момент, закручивающий пружину, равен (к – коэффициент, зависящий от соотношения углов наклона лопастей на крыльчатках; если ведомая крыльчатка прямолопастная, то к = 1). Противодействующий момент, создаваемый пружиной, равен (с – жесткость пружины). Приравнивая эти моменты, получим

(21)

Из уравнения (21) следует, что (Δt – время поворота крыльчаток на угол φ). Тогда из предыдущего уравнения вытекает, что Для измерения времени Δt каждая из крыльчаток имеет свой тахиметрический преобразователь. Время Δt измеряется по времени сдвига двух соседних импульсов, генерируемых этими преобразователями. У турбосиловых расходомеров без электропривода угловая скорость ω растет вместе с расходом.

Схема, разработанная фирмой «Поттер» (Potter) представлена на рис.14,а.

Рис. 14. Турбосиловые расходомеры с приводом от потока и

измерением временного сдвига

Преобразователь состоит из двух крыльчаток 1 и 3, связанных между собой пружиной 2. Углы наклона лопастей у крыльчаток разные. Это вызывает при движении потока закручивание пружины 2 на угол φ, пропорциональный расходу Q_м. Направление закручивания зависит от того, какая из крыльчаток 1 и 3 имеет больший наклон лопастей. Угол φ измеряется с помощью тахометрических преобразователей 4 и 5 по времени сдвига. По этой схеме был создан отечественный турбосиловой расходомер. Роль пружины выполнял торсион (стержень, работающий на кручение), пропущенный внутри пустотелого вала, на котором посредством шпонки закреплялась одна из крыльчаток. Один конец торсиона соединен с валом, другой – со второй крыльчаткой. Расходомер предназначен для измерения больших расходов газа до 20 000 кг/ч. Другой расходомер, разработанный по этой же схеме, предназначен для измерения расхода жидкости от 290 до 1620 т/ч в трубе диаметром 250 мм при давлении 5 МПа.

По схеме преобразователя расхода (рис.14,б) создан расходомер К–101. Для устранения влияния ближайшего местного сопротивления здесь предусмотрен струевыпрямитель 1, пройдя через который, поток сперва поступает на прямолопастную крыльчатку 3, а затем на крыльчатку 5 с наклонными лопастями, которая и будет ведущей.

Крыльчатки связаны пружиной 4 и вращаются с одинаковой частотой. Чтобы уменьшить влияние вязкости на точность измерения расхода, на крыльчатке 5 укреплена втулка 2. Внутри которой, с очень малым зазором вращается крыльчатка 3. В результате уменьшается момент вязкого трения, вызывающий дополнительное закручивание пружины 4, При изменении расхода от 1 до 5 кг/с в расходомере К–101 время Δt изменялось от 5 до 11,5 мс. Дополнительная погрешность от шестикратного изменения вязкости (от 1·10^-6 до 610^-6 м²/с) составила 2 %.

Схема преобразователя расходомера К–102, разработанного в ИАТ для более полного устранения влияния вязкости, представлена на рис.14,в. С этой целью в преобразователь введена третья крыльчатка 5. Ведущая крыльчатка 8 с наклонными лопастями укреплена на оси 1, имеющей подшипники качения, установленные в струевыпрямителях 2 и 6. От оси 1 через отдельные пружины 3 и 7 приводятся во вращение прямоломастные крыльчатки 4 и 5. Поток проходит через крыльчатку 4, а затем через крыльчатку 5. Поэтому на крыльчатку 4 и пружину 3 действует как момент, закручивающий поток М, так и сумма моментов M_в + M_м от вязкости и трения в подшипниках. На крыльчатку же 5 и пружину 7 действует только сумма моментов M_в + M_м. Поэтому угол закручивания φ₂ пружины 7 будет меньше угла закручивания φ₁ пружины 5. В результате между крыльчатками 4 и 5 образуется угол сдвига . Если суммы моментов M_в + M_м действующих на крыльчатки 4 и 5, одинаковы и жесткости обеих пружин равны друг другу, то будет зависеть лишь от момента, закручивающего поток. Тогда, очевидно,

(22)

где Δt – время поворота всей системы на угол Δφ, измеряемое с помощью двух тахометрических преобразователей, с.

Результаты испытания расходомера К–102 на расходах от 1 до 5 кг/с на воде и водоглицериновой смеси при более чем десятикратном изменении вязкости дали практически одну градуировочную кривую с разбросом экспериментальных точек в пределах ± 1 %. В расходомерах К–101 и К–102 число оборотов крыльчаток возрастает от 600 до 3000 об/мин при увеличении расхода от Q_min = 1 кг/с до Q_max = 5 кг/с. Соответственно, частота импульсов, генерируемых тахометрическими преобразователями, возрастает от 10 до 50 Гц.

Существуют и другие разновидности турбосиловых расходомеров с приводом от потока. Так, если в схеме на рис. 6,а заменить электродвигатель на неподвижный шнек, закручивающий поток, то первая прямолопастная крыльчатка будет вращаться с угловой скоростью ω, а пружина, передающая это вращение второй крыльчатке, закрутится на угол φ, пропорциональный моменту . Очевидно, расход Q_м можно будет определить по формуле где с – жесткость пружины, r_c – средний радиус каналов ротора, м. Здесь в дополнение к измерению угла φ надо еще измерять ω с помощью тахометрического преобразователя.

Относительная простота конструкции турбосиловых преобразователей расхода без электропривода – их несомненное достоинство, а сложность схем измерения времени Δt – их недостаток. Точность же измерения расхода в большой степени зависит от совершенства упругих свойств, применяемых пружин и стабильности их характеристик в условиях эксплуатации. Кроме того, на точность и надежность работы преобразователей влияют качество и надежность опор.