9.4.2. Тахометрические расходомеры

Тахометрическими называются расходомеры, в которых скорость движения рабочего тела пропорциональна объемному расходу измеряемой среды.

В большинстве случаев рабочее тело – преобразователь расхода (турбинка, шарик) – под воздействием потока вращается. В зависимости от устройства тахометрические расходомеры подразделяются на следующие типы: турбинные, шариковые и камерные.

Тахометрические преобразователи расхода могут использоваться как в счетчиках количества, так и в расходомерах. В первом случае преобразователь расхода (например, турбинка) связан со счетным механизмом. Тахометрические расходомеры содержат электрические тахометрические преобразователи частоты вращения чувствительного элемента в электрический сигнал, измеряемый затем показывающим прибором. Такие электрические преобразователи скорости оказывают незначительное тормозящее действие на подвижный элемент (по сравнению с механической передачей в счетчиках), в силу чего точность тахометрических расходомеров выше точности счетчиков с механическим редуктором.

Тахометрические приборы измеряют объемные расходы. При необходимости измерения массовых расходов они должны снабжаться плотномерами и вычислительным устройством.

Тахометрические расходомеры применяются для измерения расхода различных жидкостей (реже газов), причем некоторые их разновидности могут использоваться на загрязненных жидкостях.

Погрешности измерения и потери статического давления на расходомере зависят от расхода и вязкости жидкости. Поэтому важными техническими данными таких приборов являются минимальный измеряемый расход (нижний предел измерения) и потеря давления на них.

Турбинные расходомеры применяются для измерения расхода различных жидкостей за исключением очень вязких и загрязненных. Для них важной является смазывающая способность измеряемой среды, поэтому наиболее целесообразно их использование на нефтепродуктах. Для измерения расхода газа турбинные расходомеры применяются редко. Это связано с тем, что из-за малой плотности газа достаточно большой вращающий момент получается только при больших расходах. Это уменьшает диапазон измерения расходомера и повышает порог чувствительности. Кроме того, в газовой среде ускоряется износ подшипников.

На рис. 9.5, а схематично показано устройство турбинного преобразователя расхода жидкости.

a б

Рис. 9.5. Устройство турбинных преобразователей расхода: а – с аксиальной турбинкой; б – с тангенциальной турбинкой

Корпус преобразователя 1 представляет собой отрезок трубы с двумя фланцами для присоединения его к трубопроводу. Внутри корпуса установлены струевыпрямители 2 и 3, соединенные неподвижной осью, на которой расположена турбинка. 4. В расходомерах частота вращения турбинки, пропорциональная объемному расходу, с помощью тахометрического преобразователя 5 (см. рис. 9.5, а) преобразуется в частоту выходного напряжения и затем с помощью специальной схемы – в аналоговый выходной сигнал. В счетчиках количества частота вращения турбины, пропорциональная количеству протекшего вещества, измеряется счетным механизмом, соединенным с осью турбинки шестеренчатым редуктором и магнитной муфтой.

Турбинки тахометрических расходомеров подразделяются на аксиальные и тангенциальные. У первых ось совпадает с направлением потока, у вторых она перпендикулярна потоку.

Аксиальные турбинки имеют лопасти винтовой формы (на рис. 9.5, а показана четырехлопастная турбинка). При малом диаметре турбинок число лопастей мало (4–6), но они имеют большую длину. При больших диаметрах турбинки число лопастей велико (до 20), но их высота и длина невелики (относительно диаметра).

Конструкции тангенциальных турбинок разнообразны. В качестве примера на рис. 9.5, б показана турбинка серийно выпускаемых одноструйных водосчетчиков.

При незначительных нагрузках на турбинку ее частота вращения  пропорциональна объемному расходу Q_о; однако на характер этой зависимости влияют вязкость  и плотность  измеряемой среды, момент сопротивления М_с от трения в опорах и реакции тахометрического преобразователя частоты вращения (поз. 5, см. рис. 9.5, а) или механического счетчика, конструктивные параметры турбинки.

Достоинством турбинных расходомеров является возможность измерения расходов в широком диапазоне (510^–9¸2 м³/с) на трубопроводах диаметром 4¸750 мм при давлениях до 250 МПа и температурах от минус 240 до плюс 700 °C, а также большой диапазон измерения. При больших скоростях и диаметрах труб диапазон измерения Q_в.п / Q_мин достигает 15 ¸ 20, при малых скоростях и малых диаметрах труб 5¸10. Кроме того, такие расходомеры обладают малой инерционностью.

Однако тахометрические турбинные расходомеры имеют и недостатки, ограничивающие их применение: влияние вязкости контролируемой среды, износ опор (нельзя, например, измерять расход сред, содержащих взвешенные частицы, особенно если они обладают абразивными свойствами).

Шариковыми называются тахометрические расходомеры, подвижным элементом которых является шарик, непрерывно движущийся в одной плоскости по внутренней поверхности трубы под воздействием предварительно закрученного потока. Скорость движения шарика по окружности трубы пропорциональна объемному расходу жидкости. Схема шарикового преобразователя для средних и больших расходов представлена на рис. 9.6, а. Поток жидкости, закрученный формирователем 1 в винтовом направлении, вызывает движение шарика 2 по окружности. От перемещения вдоль трубы шарик удерживается ограничительным кольцом 3, за которым располагается струевыпрямитель 4 для выпрямления закрученного потока. На внешней стороне немагнитного корпуса располагается тахометрический преобразователь 5 для преобразования частоты вращения шарика в частотный электрический сигнал.

a б

Рис. 9.6. Схема шариковых преобразователей расхода:

а – для больших расходов, б – для малых расходов

Для небольших расходов применяется конструкция, представленная на рис. 9.6, б. Здесь нет специального формирователя для закручивания потока, а движение шарика по окружности вызывается тангенциальным подводом жидкости. В шариковых расходомерах применяются тахометрические преобразователи скорости, аналогичные преобразователям турбинных расходомеров. Шар (см. рис. 9.6, а) под действием центробежной силы прижимается к внутренней поверхности трубы, а под действием осевой составляющей скорости потока – к ограничительному кольцу, т.е. шару кроме сил вязкого трения жидкости необходимо преодолевать силы трения о поверхности трубы и ограничительного кольца. Это вызывает отставание окружной скорости шара v_ш от окружной скорости потока v, которое оценивается коэффициентом скольжения S = (v – v_ш) /v, откуда v_ш = v (1 – S).

Частота f импульсов тахометрического преобразователя связана со скоростью шара соотношением f = v_ш/(2r), где r – радиус вращения центра шара. Учитывая, что v = kQ_о, где k – коэффициент пропорциональности, можно получить f = kQ_о(1 – S) / (2r). Таким образом, для обеспечения однозначной зависимости между f и объемным расходом Q_о надо иметь постоянство S. Этот коэффициент меньше всего изменяется в области значений чисел Рейнольдса от 10³ до 10⁵, поэтому шариковые расходомеры проектируются для работы в этом диапазоне. Кроме того, для уменьшения скольжения масса шарика делается по возможности малой. Согласно стандарту шариковые расходомеры могут применяться для измерения расхода жидкостей с плотностью 700¸1400 кг/м³, вязкостью 0,3¸12 сСт [(0,3¸12) 10^–6 м²/с]. Из-за отсутствия опор у подвижного элемента расходомеры могут использоваться на жидкостях с твердыми включениями (ограниченной крупности) и агрессивных. Диапазон измерения шариковых расходомеров обычно равен (0,2¸1) Q_в.п, однако в диапазоне (0,2¸0,3) Q_в.п они обладают повышенной погрешностью по сравнению с диапазоном (0,3¸1) Q_в.п. Приведенная погрешность обычно равна ±1,5 % в интервале (0,3¸1) Q_в.п и ±2,5 % в интервале (0,2¸0,3) Q_в.п. Диапазон измерения – 0,025400 м³/ч.

Камерными называются тахометрические расходомеры и счетчики, имеющие один или несколько подвижных элементов, которые при движении отмеривают определенные объемы жидкости. Обычно эти подвижные элементы движутся непрерывно со скоростью, пропорциональной объемному расходу.

В промышленности в подавляющем большинстве случаев применяются камерные счетчики. Достоинствами их является высокая точность измерения (0,5¸1 % для жидкостей и 1¸1,5 % для газов), достаточно большой диапазон измерения, слабое влияние вязкости измеряемой среды. Последнее обстоятельство позволяет применять камерные счетчики для жидкостей вязкостью до 310^–4 м²/с (300 сСт).

Одним из приборов камерного типа являются счетчики жидкости с овальными шестернями. Такие счетчики предназначены для измерения количества жидкостей, имеющих вязкость от 5510^–6 до 310^–4 м²/с (0,55300 сСт); температуру от минус 40 до плюс 120 C и давление до 64 кгс/м² в трубах диаметром до 100 мм. Такие счетчики имеют основную погрешность 0,5 %. Схема преобразователя с овальными шестернями показана на рис. 9.7.

Рис. 9.7. Схема счетчика с овальными шестернями

В положении шестерен (см. рис. 9.7, а) под действием разности давлений p₁ – p₂ возникает вращающий момент, вращающий левую шестерню против часовой стрелки. Правая шестерня при этом будет ведомой и за счет зубчатого сцепления будет поворачиваться по часовой стрелке. Через пол-оборота шестерни установятся в положение, показанное на рис. 9.7, б. При этом вращающий момент будет создаваться на правой шестерне, левая становится ведомой. За полный оборот измерительные камеры (на рис. 9.7 заштрихованы) дважды наполняются и опорожняются, т.е. за один оборот объем пропускаемой жидкости равен четырем объемам одной измерительной камеры. На счетный механизм передается движение одной из шестерен посредством магнитной муфты или тахометрического дифференциально-трансформаторного преобразователя скорости. Сильное изменение вязкости жидкости увеличивает погрешность измерения счетчика.

Таким образом, тахометрический метод (крыльчатка, турбина, шарик, ротор, камера в потоке) имеет следующие достоинства:

• не нуждается в питании;

• большое быстродействие;

• хорошая точность (до 0,51,5 %);

• дешевизна;

• прямолинейные участки минимальны.

Но, кроме того, и недостатки:

• в полости трубопровода находится вращающийся элемент;

• критичность к твердым и вязким примесям, нужен фильтр на входе, что ведет к увеличению сопротивления магистрали и частой очистке;

• изнашивание опор;

• обычно ограничение к верхнему пределу температуры потока;

• результирующая недолговечность.