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 и т. п.) — под воздействием потока вращается. В зависимости от устройства тахометрические расходомеры подразделяются на 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.

Погрешность 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 применяйся для измерения расхода различныx жидкостей за исключением очень вязких и загрязненных. Для них важным является смазывающая способность измеряемой среды, поэтому наиболее целесообразно их использование в 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.

Рис. 2. Устройство турбинных преобразователей расхода:

а-с аксиальной турбинкой; б —с тангенциальной турбинкой

На рис. 2, а схематично показано устройство турбинного преобразователя расхода жидкости. 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. 2, 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. 2, 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. 2, б показана турбинка серийно выпускаемых одноструйных водосчетчиков.

При незначительных нагрузках на турбинку ее частота вращения пропорциональна объемному расходуоднако на характер этой зависимости влияют вязкостьи плотностьизмеряемой среды, момент сопротивленияМ_с от трения в опорах и реакции тахометрического преобразователя частоты вращения (поз. 5 на рис. 2, а) или механического счетчика, конструктивные параметры турбинки.

Примером турбинного тахометрического расходомера, использование которого возможно на ТЭС, является расходомер топочного мазута ТМ-1. Эти расходомеры имеют дифференциально-трансформаторный тахометрический преобразователь, сигнал от которого поступает к нормирующему преобразователю с выходным сигналом 0—5 мА. Преобразователи расхода таких расходомеров изготавливаются с диаметрами условных проходов от 32 до 200 мм для давления до 6,4 МПа и температуры от 50 до 150 °С. Расходомеры могут иметь шкалы с верхними пределами 6,3—240 м³/ч. Диапазон измерения этих расходомеров (0,2- 1) .В диапазоне (0,31)предельная основная погрешность равна ±2 % и в диапазоне (0,20,3),±2,5 %. Следует отметать, что в настоящее время турбинные тахиметрические расходомеры являются одними из наиболее точных. Существуют серийно выпускаемые расходомеры с основной погрешностью 0,5 %. Эта погрешность может быть уменьшена индивидуальной градуировкой.

Достоинством турбинных расходомеров является возможность измерения расходов в широком диапазоне (5 —2 м³/с) на трубопроводах диаметром 4—750 мм при давлениях до 250 МПа и температурах от —240 до 700°С, а также большой диапазон измерения. При больших скоростях и диаметрах труб диапазон измерениядостигает 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).

Рис. 3. Схема шариковых преобразователей расхода:

а — для больших расходов; б — для малых расходов

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. 3, 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.

Для небольших расходов применяется конструкция, представленная на рис. 3, 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 (рис. 3, 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 от окружной скорости потока, которое оценивается коэффициентом скольжения, откуда

Частота импульсов тахометрического преобразователя связана со скоростью шара соотношением, где — радиус вращения центра шара. Учитывая, что, гдеk — коэффициент пропорциональности, можно получить . Таким образом, для обеспечения однозначной зависимости между f и объемным расходом надо иметь постоянство. 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 [(0,312) 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 (0,21)однако в диапазоне (0,2·0,3) они обладают повышенной погрешностью по сравнению с диапазоном (0,31)Q_в.п. Приведенная погрешность обычно равна 1,5% в интервале (0,31)и ±2,5 % в интервале (0,20,3)

На АЭС используются шариковые расходомеры ШТОРМ двух модификаций: ШТОРМ-32М (верхний предел измерения 50 м³/ч) и ШТОРМ-8А (верхний предел измерения 8 м³/ч). Основная погрешность их ±(1,52,5) %.

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·м²/с (300 сСт).

Рис. 4. Схема счетчика с овальными шестернями

Одним из приборов камерного типа являются счетчики жидкости с овальными шестернями. Такие счетчики предназначены для измерения количества жидкостей, имеющих вязкость от 55·до 3·м²/с (0,55—300 сСт), температуру от —40 до +120и давление до 64 кгс/м² в трубах диаметром до 100мм. Такие счетчики имеют основную погрешность 0,5 %. Схема преобразователя с овальными шестернями показана на рис. 4.

В положении шестерен по рис. 4, а под действием разности давлений 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 полоборота шестерни установятся в положение рис. 4,б. При этом вращающий момент будет создаваться на правой шестерне, левая становится ведомой. За полный оборот измерительные камеры (на рис. 4 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.