Скоростные тахометрические расходомеры

Тахометрические расходомеры составляют широкий класс при­боров. В тахометрических первичных преобразователях движущийся поток жидкости или газа приводит во вращение первичный элемент — ротор, скорость вращения которого является мерой скорости потока. Таким образом, схема расходомера состоит из первичного (прием­ного) преобразователя-ротора, вторичного тахометрического пре­образователя и измерительного прибора с индикаторным или реги­стрирующим устройством. Конструктивное объединение ротора с та­хометрическим преобразователем иногда в литературе именуется датчиком расходомера. Широкое применение тахометрических рас­ходомеров связано с развитием электрических методов измерения скоростей вращения роторов. Частотная модуляция сигнала датчика (при малой инерционности ротора) позволяет сочетать высокую точ­ность и малую инерционность измерения секундных расходов. В лучших современных конструкциях, предназначенных для измерения расходов в трубопроводах диаметром от 4 до 1000 мм, основная приведенная погрешность доходит до ±0,2%, а постоянная времени прибора составляет менее 0,01 с в широком рабочем диапазоне (до 1: 50 — 1: 80). Независимость работы датчика от давления в по­токе и возможность изготовления деталей из материалов, устойчивых к воздействию измеряемых сред, позволяют использовать тахометри­ческие расходомеры практически при любых теплотехнических ис­следованиях.

При универсальной электроизмерительной части расходомера основные метрологические, и эксплуатационные свойства прибора определяются особенностями первичных преобразователей. Кон­структивно скоростные тахометрические преобразователи выпол­няются либо с роторами в виде осевых или тангенциальных миниатюрных крыльчатых турбинок, либо со свободно вращающимися ша­риками (рис. 148). Прямолопастные осевые турбинки и шарики при­водятся в движение с помощью предварительной закрутки потока в тангенциальных камерах или на неподвижных винтовых шнеках. Встречаются конструкции (обычно малых калибров), в которых со­здается предварительная закрутка потока. В тангенциальных турбинных преобразователях ротор вращается вокруг оси, перекре­щивающейся с осью потока; лопасти турбинки выполняются в виде пластин или чашечек. Поток жидкости поступает на лопасти ротора через направляющий аппарат — одноструйный или многоструйный; первый предпочтительнее при малых диаметрах трубопровода, вто­рой — при средних и больших. В шариковых; тахометрических пре­образователях увлекаемый закрученным потоком жидкости шарик движется со скоростью, пропорциональной окружной скорости по­тока и, следовательно, его объемному расходу. Центробежные силы удерживают шарик на периферии камеры преобразователя и пре­пятствуют уносу его потоком. Шариковые преобразователи уступают крыльчатым в точности [погрешность порядка ± (1,5—2,0) %], имеют повышенные гидравлические потери и узкий диапазон линейности статической характеристики, но зато работоспособны при значи­тельных загрязнениях потока.

При вращении ротора турбинного преобразователя между часто­той вращения n и расходом Q для осевой крыльчатки с винтовыми лопастями и тангенциальной крыльчатки существуют следующие связи:

,

где F— площадь живого сечения потока в зоне лопастей крыльча­ток; H —ход винтовой нарезки лопастей; - диаметр наиболь­шей окружности лопастей тангенциальной крыльчатки.

Эти формулы верны при следующих допущениях: не учитывается момент инерции ротора J, поток жидкости принят плоским, без отрывов и завихрений, с равномерной по сечению F эпюрой скоростей; измеряемая среда невязкая; поток однофазный, несжимаемый, с постоянной температурой; отсутствуют какие-либо причины, вызываю­щие торможение ротора; геометрические размеры ротора выполнены идеально, дисбаланс масс отсутствует. Реально ни одно из указан­ных допущений не может быть полностью выполнено, и действи­тельное значение n будет отличаться от .

Рисунок. 148. Основные схемы тахометрических преобразователей расходо­меров:

1- чувствительный элемент; 2- вторичный преобразователь (тахометр)

Для количествен­ной оценки разницы частот вращения вводится величина относи­тельной погрешности

иногда называемая в литературе скольжением ротора относительно потока. Зависимость между расходом и частотой вращения ротора тогда представляется в виде:

Таким образом, задача оптимизации реальной конструкции пре­образователя сводится к обеспечению наименьшего и постоянного в условиях использования прибора значения . Трудности оптимизации заключаются в том, что на определенных режимах измерения, даже в весьма несовершенных конструкциях, может быть легко получена очень малая абсолют­ная величина (~0,03—0,04), хотя при небольших отклоне­ниях от этих режимов значе­ния могут возрастать почти в 10 раз.

Рисунок 149 Расчётная схема тахометрического преобразователя с осевой крыльчаткой: 1 – корпус; 2 – ротор с винтовой крыльчаткой; 3 – магнитопровод; 4 – радиальный подшипник; 5 – обмотка; 6 – постоянный магнит; 7 – упорный подшипник

Примером одной из наиболее удачных конструкций массового тахометрического преобразователя такого типа может служить расходомер фирмы «Potter» принципиальная схема которого приведена на рисунке30.

1,4-вторичные преобразователи; 2,5-крыльчатки роторов; 3-пружина; 6-счётчик; 7-схема совпадений; 8-образцовый генератор.

Рисунок 30- Тахометрический преобразователь массового расходомера с приводом от потока