16. Технические средства измерения и контроля углового перемещения

В промышленности находят применение ТГ постоянного и переменного тока разнообразных систем и конструкций. Многообразие типов, конструкций, габаритов ТГ отечественного и иностранного производства объясняется в основном не различием требований, предъявляемых электроприводами, а инициативой весьма широкого круга разработчиков и изготовителей. Рассмотрим наиболее распространенные ТГ.

Тахогенератор характеризуется родом напряжения на выходе: постоянное или переменное; однофазное, трёхфазное или многофазное, а ТГ переменного тока характеризуются также частотой и формой напряжения.

У большинства ТГ основной является скоростная характеристика, которая даёт зависимость среднего значения напряжения от частоты вращения вала:

где u — мгновенное значение пульсирующего или выпрямленного напряжения; Т — время (период) одного оборота.

Для скоростной характеристики    важным показателем является нелинейность ?U_П% при холостом ходе и под нагрузкой. Как и обычные электрические генераторы постоянного или переменного тока, ТГ имеют характеристики намагничивания и внешние. По данным характеристикам оценивается зависимость выходного напряжения от изменения тока возбуждения ?U_IE% и тока нагрузки ?U_I%

Из ТГ разных видов для измерения и обратной связи по скорости более широко применяют ТГ постоянного тока. Это можно объяснить тем, что большинство регуляторов в электроприводах имеют вход на постоянном токе; таховольтметры с равномерными шкалами являются приборами магнитоэлектрической системы и также требуют питания постоянным током. В большинстве электроприводов с регулируемой скоростью используют электродвигатели постоянного тока. Заводы-изготовители при комплектных поставках предпочитают иметь ТГ такого же типа, как и двигатель. Характерными в этом отношении являются агрегаты малой мощности, у которых якоря двигателя и ТГ сидят на одном валу. Имеет значение также относительно малая чувствительность цепей измерения на постоянном токе к влиянию внешних магнитных полей.

Машины типа ТГ1, встроенного и автономного исполнения, а также типа ЭГ разработаны для комплектации с двигателями металлорежущих станков; машины типа ТГП служат для маломощных  электроприводов  следящих устройств, отличающихся большой частотой включений с изменением направления вращения; маломощные ТГ типов СЛ, ТД, ТГ (55—74 мм) предназначены для установки на авиационных и иных электроприводах с эксплуатаци­онным сроком до 2000 ч; крупные прецизионные ТГ типа ПТ рассчитаны на использование в металлургической промышленности. Каждый вид ТГ, кроме отведенной для него области, может оказаться пригодным для применения на иных агрегатах серийного или индивидуального изготовления.

Номинальные частоты вращения большинства ТГ не превышают 2000 об/мин, но по центробежной устойчивости предусматривается запас в 2,5—3 раза и более; при этом учитывается вероятность «разноса» привода постоянного тока. Некоторые типы ТГ или отдельные их исполнения (ТМГ, СЛ и др.) допускают продолжительную работу при частотах вращения 3500—4000 об/мин и напряжениях на якоре до 300 В. На быстроходных агрегатах находят применение ТГ типов ТГП (n_max=7000 об/мин) и TDP-0,031 (n_m=12000 об/мин); максимальные напряжения таких ТГ обычно лежат в пределах 50—80 В.

Для прецизионных ТГ заводы-изготовители применяют подшипники высокого класса точности и износостойкости; некоторые заводы гарантируют срок их службы до 20 тыс. ч.

Прецизионные ТГ типов ПТ22, ПТ32 и ПТ42 предназначены для приводов металлургической промышленности. Номинальное напряжение 230 В, сечения проводов якорной обмотки выбираются в зависимости от скорости. Машины значительно отличаются по массе и габаритам, но надо отме­тить, что это не дает выигрыш по частоте полюсных пульсаций f_п или частоте зубцовых пульсаций f_з , так как числа зубцов их якорей мало отличаются  (N_з=21, 23, 25). Тахогенераторы типа ПТ42 имеют значительно большее число коллекторных пластин (N_к=69, 62, 125), однако вследствие крутого фронта импульса и его   малой   продолжительности коллекторные   пульсации?U_k%    практически не влияют на регулировочные свойства САУ.

В целях расширения объема поставок и удовлетворения требований различных заказчиков иностранные фирм изготовляют прецизионные ТГ широкой номенклатуры, отличающиеся конструкцией, способом крепления к приводу, массой и обмоточными данными. Показательными являются ТГ типа ТDР фирмы «Хюбнер». Большие габариты ТГ иногда обосновывают требованиями заказчиков или стремлением повысить выходное напряжение. Вместе с тем современные САУ электроприводов четко работают при мощностях обратных связей до 1—5 Вт. Согласно опыту фирм от ТГ малого габарита можно получить достаточно высокое номинальное   напряжение; следовательно, напряжение нельзя связывать с габаритами  ТГ. Кроме того,   электродвигатели больших мощностей, для которых применяют крупные ТГ, не требуют точного регулирования при низких скоростях, когда может сказаться низкое выходное напряжение постоянного тока. Верхние пределы номинальных скоростей ТГ снижаются при увеличении габаритов, но любой ТГ пригоден для использования при низких частотах вращения—10— 100 об/мин.

При конструировании ТГ и составлении технических условий нередко считают, что в крупных машинах по технологическим условиям их изготовления можно получить более низкие оборотные и иные пульсации сигнала, однако опыт отечественных заводов-изготовителей и иностранных фирм «Дженерал электрик» (США; ТГ типа ВС), АЭИ (Англия; ТГ типа ВД) и др. показывает, что, начиная с ТГ массой 6—10 кг и кончая более крупными ТГ, технология и воз­можности изготовления симметричных деталей практиче­ски одинаковы. Для прецизионных ТГ независимо от массы гарантируется ограничение температурной погрешности в пределах ±0,3% на 10°С, а при введении компенсационных уст­ройств ±0,05%. Погрешность при реверсировании также одинакова и составляет только 0,1%. Сравнительный анализ показывает, что увеличение массы ТГ не дает заметного улучшения качества выходного сигнала, а по размерам электропривода, удобству эксплуатации, из­носостойкости щеток и подшипников целесообразнее выбирать ТГ меньших габаритов.

Щеточный контакт  в коллекторных  и   униполярных машинах требует постоянного ухода, а главное приводит к искажению сигнала. В целях исключения подвижных контактов и упрощения конструкции, а во многих случаях для получения специальных характеристик были разработаны синхронные, асинхронные и индукторные ТГ.

Синхронные ТГ имеют малое внутреннее сопротивление, что позволяет получить от них достаточно большие мощности. При изменении частоты вращения у синхронных машин изменяется не только выходное напряжение, но и частота. Выходное напряжение обычно выпрямляется, но находят применение схемы, осуществляющие контроль по частоте сигналов, поступающих от ТГ. Благодаря механической устойчивости синхронные ТГ нашли примене­ние в трамваях, поездах, шахтных машинах, на кранах и иных агрегатах, подверженных значительной тряске.

Синхронный ТГ (рис. 9.1) по принципу действия тождествен обычному силовому синхронному генератору. Вследствие большого реактивного сопротивления статора напряжение ТГ резко падает с увеличением нагрузки и поэтому они должны работать на потенциометр с неизменным сопротивлением.

Несимметрия воздушных зазоров ??, эксцентриситет ? оси ротора О_р по отношению к оси вращения О_в и неравенство МДС полюсов создают пульсации выпрямленного напряжения статора с частотой, кратной угловой скорости.

В некоторых проектах при выборе синхронных ТГ руководствовались их малой чувствительностью к пыли и влаге, а также возможностью работы во взрывоопасной среде. В настоящее время распространены ТГ с небольшим числом полюсов — 6—12, однако имеются конструкций с чис­лом полюсов 24, 72 и даже 500. Большое число полюсов и трехфазные схемы обмоток позволяют применить син­хронные ТГ на тихоходных приводах. Известны конструк­ции синхронных ТГ с выпрямителями, закрепленными на корпусе машины.

Рисунок 9.1 — Схема  синхронного ТГ

Роторы и статоры бывают разнообразных конструкций, но всем им свойственна некоторая несимметрия, вызывающая низкочастотные пульсации напряжения статора.

Обычно напряжение статора ТГ выпрямляется, а зубцовые пульсации сглаживаются при помощи RС-фильтра. Для снижения пульсаций выпрямленного напряжения ТГ изготавливают с полюсами специального профиля, позво­ляющими получить желаемую форму ЭДС.

В синхронных ТГ для температурной компенсации применяются специальные магнитные шунты; при отсутствии насыщения и больших зазорах внешние магнитные поля мало влияют на напряжение статора. При чисто активной и неизменной нагрузке скоростная характеристика имеет линейный характер, несмотря на большое падение напряжения в самом ТГ.

Известные синхронные ТГ предназначены для работы с приводами, не требующими высокой стабильности скоростной характеристики; при их разработке в первую очередь стремились получить дешевую безотказную машину.

Асинхронные ТГ отличаются простотой конструкции и малой массой подвижной части. Главное их достоинство, определяющее в большинстве случаев их выбор, состоит в том, что независимо от скорости привода напряжение на выходе ТГ имеет постоянную частоту. Наличие постоянной достаточно большой частоты позволяет отфильтровать зубцовые пульсации выпрямленного напряжения без заметного демпфирования системы.

Асинхронный ТГ имеет шихтованный статор 1 (рис. 9.2) с двумя обмотками — задающей 3 и приемной Я, сдвинутыми относительно друг друга на 90°.

Ротор 2, закрепленный на оси 3, представляет собой полый тонко стенный цилиндр из немагнитного металла (дюраль, бронза). Внутри ротора расположен цилиндр 4 из шихтованной стали.

Рисунок 9.2 — Схема асинхронного ТГ

Асинхронные ТГ имеют очень маленькую мощность выхода, измеряемую единицами ватт; при требуемой нелинейности до 1 — 2% от них можно получить не более 1—2 Вт.

Нелинейность ?U_л % примерно пропорциональна квадрату относительной скорости n_*=n/n_с, и поэтому асинхронные ТГ должны подбираться таким образом, чтобы их синхронная скорость n_с в несколько раз превышала  максимальную рабочую скорость.

Главным недостатком асинхронных ТГ является очень малая мощность выхода до 2—3 Вт, поэтому работать они должны с усилителями, которые вносят дополнительные погрешности и создают нелинейность сигнала.

Асинхронным ТГ свойственны также низкочастотные (назовем их роторными) пульсации, связанные с биением ротора в рабочем зазоре и неоднородностью его материала.

Для улучшения электрических характеристик ТГ принимаются различные меры. В целях повышения активного сопротивления ротора некоторые фирмы изготавливают его цилиндр толщиной в доли миллиметра; для ротора применяется фосфористая бронза, обладающая достаточной прочностью, немагнитными свойствами и относительно высоким электрическим сопротивлением. Известны конструкции, в которых одна из обмоток статора располагается на внутреннем шихтованном сердечнике. Наличие двойного, внутреннего и на­ружного статоров позволяет подобрать оптимальный сдвиг обмоток, при котором начальная ЭДС (в неподвижном ТГ) равна нулю.

Особые трудности представляет получение однородного тонкого ротора. Известен, например, метод центробежной отливки цилиндра ротора с последующей монолитной посадкой на вал и шлифовкой в его подшипниках.

Для снижения относительной скорости задающую обмотку целесообразно питать от источника напряжения повышенной частоты; применяются также стабилизаторы напряжения и тока возбуждения.

В некоторых схемах для улучшения электрических характеристик к обмоткам асинхронных ТГ подключаются компенсирующие конденсаторы.

Индукторные ТГ трехфазного тока были созданы для крупных электроприводов металлургической и бумажной промышленности; впоследствии они нашли применение также на разных агрегатах быстродействующего регулирования средней мощности. По сравнению с ТГ иных систем они отличаются нечувствительностью к температуре и изменению напряжения на обмотке возбуждения. Главное их достоинство состоит в низком уровне оборотных погрешностей, что играет решающую роль при строгом поддержании скорости без инерционных электроприводов. Сигнал данных ТГ оценивается по среднему значению выпрямленного напряжения.

Индукторные тахогенераторы (рис.9.3) представляют собой видоизмененные индукторные машины повышенной частоты. Впервые они были разработаны в УГПИ «Тяжпромэлектропроект» для приводов непрерыв­ных прокатных станков. Необходимость в создании таких ТГ возникла при анализе работы действующих электроприводов; выявилось, что применявшиеся ТГ постоянного тока имеют недопустимо большие оборотные и полюсные пульсации выходного напряжения.

Внешние характеристики ТГ, как и у обычных индукторных и синхронных генераторов, отличаются малой жесткостью, поэтому система электропривода должна быть построена таким образом, чтобы сопротивление нагрузки ТГ в процессе управления не изменялось. В случае изме­рения сопротивления нагрузки и перехода на другую скоростную характеристику ТГ требуется изменять добавочные резисторы в цепи таховольтметров.

Рисунок 9.3 — Схема однофазного индукторного ТГ

Трехфазное напряжение ТГ подается на выпрямитель или на разделительный трансформатор с одной или несколькими группами вторичных обмоток; от трансформатора преобразованное напряжение подводится к выпрями­телям. Выпрямленное напряжение строго пропорционально скорости ТГ, частота пульсаций выпрямленного напряжения пропорциональна скорости и числу зубцов ротора. Благодаря высокой частоте пульсации выпрямленного напряжения могут быть сглажены с помощью простого фильтра, имеющего небольшую постоянную времени.

К основным недостаткам тахогенераторов относят ограниченный частотный диапазон измеряемых величин. В последние годы тахогенераторы постепенно вытесняются фотоимпульсными и индукционными датчиками, а также специальными интеллектуальными преобразователями — шифраторами углового перемещения (положения).

В фотоимпульсных датчиках импульсы в оптоэлектронной паре источник излучения — приемник излучения (светодиод — фотопреобразователь) создаются при помощи дисков с прорезями или отверстиями, в некоторых приводах применяют вращающиеся детали машин. В подавляющем большинстве шифраторов положения также используют в качестве чувствительного элемента оптоэлектронную пару.

Импульсы индукционных датчиков создаются под влиянием пульсирующего или знакопеременного магнитного потока. В качестве тела, модулирующего поток, служат специальные зубчатые колеса либо вращающиеся ферромагнитные детали машин.

Одним из важнейших параметров технологических процессов является расход протекающих по трубопроводам веществ.

Необходимость повышения качества выпускаемой продукции и эффективности АСУ ТП придает вопросам точного измерения количества и расхода различных веществ исключительно важное значение. К средствам, измеряющим количество и расход веществ при товароучетных операциях, предъявляются высокие точностные требования.

Многообразие измеряемых сред, характеризующихся различными физико-химическими свойствами, а также различные требования, предъявляемые промышленностью к метрологическим характеристикам и надежности измерителей расхода, привели к созданию средств измерения расхода, основанных на различных принципах и методах измерения.

Количество вещества определяют его массой или объемом и из­меряют соответственно в единицах массы (кг, т) или в единицах объема (м³, л). Средства измерений количества вещества за некоторый промежуток времени (сутки, месяц и т. д.) называют счетчиками. Количество вещества V в единицах объема, прошедшее че­рез счетчик за выбранный промежуток времени ?? = ?₂ — ?₁, определяется по разности показаний счетчика N₂ и N₁, взятых во время ?₂ и ?₁:

где q_V — постоянная счетчика, определяющая количество вещества, приходящегося на единицу показания счетчика.

Расходом вещества называют количество вещества, протекающее через данное сечение канала в единицу времени.

Различают объемный расход, измеряемый в м3/с, м3/ч, л/мин и т. д., и массовый расход, измеряемый в кг/с, кг/ч, т/ч и т. д. Не­ обходимо различать понятия «средний расход» и «истинный (мгновенный) расход». Например, средний объемный расход равен:

где V — объем вещества, измеренный счетчиком за время ?₂  — ?₁.

Истинным, или мгновенным, расходом называют производную от количества (объема V или массы m) по времени.

Так, для объемного и массового истинного расходов соответственно имеем:

Средства измерений расхода называют расходомерами. Интегрируя сигнал расходомера по времени, можно определить количество вещества, прошедшее через расходомер за интервал времени ?₂  — ?₁ , т. е.

или

Приборы, работающие в комплекте с расходомерами и реализующие операцию интегрирования его сигнала, называют интеграторами расходомеров. При измерении расходов газа с целью получения ре­зультата измерения, не зависящего от давлений и температуры потока, его выражают в объемных единицах, приведенных к нормальным условиям. В качестве нормальных условий в технике приняты: температура t_Н = 20°С, давление Р_Н =101 325 Па (760 мм рт. ст.) и относительная влажность ? = 0.

Принцип действия объемных счетчиковоснован на непосредственном отмеривании объемов измеряемой среды с помощью мерных камер известного объема и подсчета числа порций, прошедших через счетчик.

Объемные счетчики подразделяют на опорожняющиеся и вытесняющие. Опорожняющиеся объемные счетчики имеют жесткие камеры, из которых измеряемая среда свободно вытекает. Счетчики этого типа непригодны для измерения количества газа.

Простейшим объемным счетчиком с жесткой камерой является мерный бак или мерник. К этому же типу объемных счетчиков относятся барабанные и опрокидывающиеся счетчики.

Вытесняющие объемные счетчики имеют мерные камеры с перемещающимися стенками, которые вытесняют измеряемую фазу, освобождая камеру для следующей порции.

К объемным счетчикам указанного типа относятся: однопоршневые, многопоршневые, кольцевые, с овальными шестернями, ротационные, сухие газовые, мокрые газовые и дисковые.

Наиболее распространенным объемным счетчиком жидких веществ является счетчик с овальными шестернями (рис. 8.1).

 Внутри корпуса 3 размещены две находящиеся в зацеплении овальные шестерни 1 и 2. Набегающий на шестерни измеряемый поток создает на них перепад давления P₁ и Р₂. Под действием этого перепада поток в положении, показанном на рис. 8.1,а, создает на овальной шестерне 1 крутящий момент и заставляет вращаться эту шестерню, которая ведет шестерню 2. В положении, показанном на рис. 8.1,6, крутящий момент возникает на обеих шестернях, а в положении на рис. 8.1, в крутящий момент действует на шестерню 2, которая теперь ведет шестерню 1.

Рисунок 8.1 — Схема счетчика с овальными шестернями

За один оборот шестерен измерительные полости V₁ и V₂ дважды наполняются и дважды опорожняются. В итоге за один оборот через счетчик проходит объем жидкости, равный четырем объемам V₁ (или V₂). Ось одной из шестерен вращает счетный механизм, расположенный вне корпуса прибора.

Для уменьшения трения между торцевыми поверхностями шестерен и стенками корпуса шестерни устанавливают на горизонтальных осях. Благодаря высокой точности измерения (погрешность ± (0,5—1) % от измеряемого значения), малой потере давления, независимости показания от вязкости, значительному вращающему моменту счетчики с овальными шестернями используются для измерения различных жидкостей, в том числе нефти и нефтепродуктов.

Существенным недостатком этих счетчиков является необходи­мость хорошей фильтрации измеряемой среды от механических примесей, а также высокий уровень акустического шума. Калибр D выпускаемых счетчиков 12—250 мм, а предел измерений 0,01— 250 м³/ч.

Для измерения газовых потоков применяют ротационные газовые счетчики, принцип действия которых аналогичен принципу действия счетчиков с овальными шестернями. Они имеют калибр 50—1200 мм и служат для измерения номинальных расходов от 40 до 40 000 м³/ч и классы точности 2 и 3.

К числу объемных счетчиков, используемых для измерения количества нефтепродуктов, минеральных масел, а также ряда агрессивных жидкостей, относятся лопастные счетчики.

Имеется ряд конструктивных вариантов лопастных счетчиков, основными элементами которых являются вращающийся барабан и пластичные лопасти. Одним из перспективных счетчиков с точки зрения кинематических и метрологических качеств является лопастный счетчик с кулачковым управлением движения лопастей (рис. 8.2).

Счетчик представляет собой цилиндрический корпус 2 с подвижным барабаном S, внутри которого расположен неподвижный кулачок 5. На кулачок опираются четыре ролика 6 с закрепленными на них лопастями 1, 4, 7 и 8. В пространстве между внутренней поверхностью корпуса 2 и поверхностью барабана 3 движется измеряемая жидкость. Барабан вращается за счет давления поступающей жидкости, действующей на лопасть 4.

Рисунок 8.2 — Схема лопастного счетчика

При вращении барабана ролики 6 катятся по кулачку 5 и при этом поочередно занимают место снаружи и внутри барабана. Вращение барабана передается на счетный механизм. За один оборот барабана через счетчик проходит объем жидкости, соответствующий кольцевому пространству между корпусом и барабаном. Перетеканию жидкости из входа на выход препятствует вкладыш 9.

Лопастные счетчики успешно работают как в стационарных условиях на нефтехимических заводах, так и на передвижных агрегатах— в автозаправщиках. Выпускаются счетчики с диаметрами условного прохода 100—150 мм, с верхними пределами измерений 100—300 м3/ч и классами точности 0,25—0,5.

Скоростные, как и объемные, счетчики применяют для определения объемного количества измеряемой среды. Однако в отличие от объемных скоростные счетчики не имеют измерительных камер и производят косвенное измерение количества веществ в объемных единицах.

Чувствительным элементом скоростных счетчиков является аксиальная или тангенциальная турбинка, приводимая во вращение потоком жидкости, протекающим через счетчик.

Принцип действия скоростных счетчиков основан   на  том, что число оборотов турбинки в единицу времени n, пропорционально скорости потока, омывающего турбинку:

где k — коэффициент пропорциональности; W — скорость потока в некотором сечении счетчика F.

Объемный расход через счетчик равен:

Решая совместно (8.8)     и (8.7), получим

Отсюда следует, что шкала тахометра,  измеряющего  мгновенное число оборотов турбинки n, может быть проградуирована в единицах объемного расхода измеряемого потока жидкости. Выражение (8.9) с учетом (8.3) примет вид:

Интегрируя (7.10) в интервале времени ?₂  — ?₁, получим:

где N₂ — N₁ = — разность показаний счетного механизма в интервале времени ?₂  — ?₁ или число оборотов турбинки в этом интервале.

Таким образом, измеряя суммарное число оборотов турбинки с помощью счетного механизма оборотов, можно получать информацию об объемном количестве вещества. Если же скоростной счетчик снабжен тахометром, то он может измерять объемный расход потока.

При использовании скоростного счетчика в качестве измерителя объемного расхода вещества обычно применяют электрический тахогенератор. Ротор этого генератора получает вращение от оси турбинки скоростного счетчика, а индуцированная в статоре ЭДС измеряется вторичным прибором — вольтметром.

Схема скоростного счетчика с аксиальной турбинкой показана на рис. 8.3. Внутри корпуса размещена горизонтально вдоль направления измеряемого потока жидкости турбинка 6, выполненная в виде многозаходного винта. Перед турбинкой установлен струевыпрямитель 1, предназначенный для сглаживания возмущений потока на входе и исключения завихрения. Вращение турбинки через червячную пару 5 и передаточный механизм 2, расположенный в камере 4, передается через сальник счетному устройству 3.

Рисунок 8.3 — Схема скоростного счетчика с аксиальной турбинкой

Для регулирования скорости вращения турбинки в процессе тарировки счетчика предусмотрено регулировочное устройство 7, которое позволяет поворачивать одну из радиальных перегородок струевыпрямителя относительно направления потока.

Счетчики с аксиальной турбинкой изготавливают с диаметрами условного прохода 50—300 мм для измерения количества вещества при расходах 3—1300 м3/ч, классы точности 1; 1,5; 2.

Для измерения количества жидкости при малых расходах используются скоростные счетчики с тангенциальными турбинками. В этих счетчиках турбинка с прямолинейными или криволинейными лопастями установлена на вертикальной оси. Поток жидкости тангенциально подводится к турбинке и приводит ее во вращение. В зависимости от способа подвода жидкости к лопастям турбинки различают однострунные и многоструйные счетчики. Жидкость в одноструйных счетчиках (рис. 8.4, а) подводится к прямому гладкому каналу на лопасти турбинки 1 одной струей через фильтр 2.

Рисунок 8.4 — Схема скоростных счетчиков с тангенциальной турбинкой

В многоструйных счетчиках (рис. 8.4, б) корпус выполнен так, что в нем имеется два ряда равномерно распределенных по окружности сопл. Расположение сопл в корпусе счетчика показано на рис. 8.4, в. Через нижний ряд сопл 2 жидкость подается на турбинку 1, а через верхний ряд сопл 3 отводится из камеры вращения турбинки. Однострунные счетчики более просты по конструкции и в них меньше потеря давления, но они имеют меньшую надежность из-за одностороннего износа опоры турбинки.

Счетчики с тангенциальной турбинкой имеют диаметр условного прохода 15—40 мм, верхний предел измерений по расходу 3— 20 м³/ч и классы точности 2—3.

Существенным недостатком скоростных счетчиков является зависимость показаний от вязкости измеряемой жидкости.

Одним из самых распространенных принципов измерения расхода жидкостей, газов и паров является принцип переменного перепада давления на сужающем устройстве.

Широкое использование этого принципа связано с рядом присущих ему преимуществ. К их числу относятся: простота и надежность, отсутствие движущихся частей, легкость серийного изготовления средств измерений практически на любые давления и температуры измеряемой среды, низкая стоимость, возможность измерения практически любых расходов и, что особенно существенно, возможность получения градуировочной характеристики расходомеров расчетным путем, т. е. без использования дорогостоящих расходоизмерительных метрологических установок.

В соответствии с рассматриваемым принципом в трубопровод устанавливают сужающее устройство. При протекании измеряемого потока через отверстие сужающего устройства увеличивается скорость потока по сравнению с его скоростью до сужения. Благодаря этому давление потока на выходе из сужающего устройства уменьшается и на сужающем устройстве создается перепад давления, измеряемый дифманометром, который, как будет показано ниже, зависит от скорости в сужении или от расхода потока.

На рис. 8.5, а приведена идеализированная картина потока, протекающего в трубопроводе 1 через сужающее устройство 2 типа «диафрагма», а также график распределения давления (рис. 8.5, б) и скорости (рис. 8.5, в).

Рисунок 8.5 — Картина течения вещества через диафрагму (а) и эпюры

давления (б) и скорости (в)

Выделим в трубопроводе три сечения: А-А — перед сужающим устройством, где еще нет его влияния на поток; В-В — место наибольшего сужения струи; С-С— сечение после сужающего устройства, где  устанавливаются скорость и давление потока.

Пройдя сечение А-А, поток сжимается, и благодаря действию сил инерции сжатие продолжается и на выходе из диафрагмы достигает наибольшего значения на некотором расстоянии за ней (сечение В-В). Уменьшение сечения струи приводит к увеличению скорости от W₁ в сечении А-А до W₂ в сечении В-В. Что касается давления, то здесь необходимо различать давление у стенки трубы и на ее оси. Как видно из графика (рис. 8.5, б), давление в одной и той же плоскости неравномерно. Давление у стенки трубы (сплошная линия) непосредственно перед диафрагмой P₁ несколько возрастает (за счет уменьшения скорости в этом месте), а по оси тру бы (штрихпунктирная линия) уменьшается и достигает минимума Р^’₂  в сечении В-В.

Сужающие устройства могут быть использованы для измерения расхода: запыленных и загрязненных сред, на входе и выходе из трубопровода, а также в трубопроводах с диаметром менее 50 мм.

Для измерения запыленных и загрязненных сред применяются сегментные диафрагмы (рис. 8.6).

 Они исключают возможность отложения механических примесей и выделяющихся из жидкости газов у сужающего устройства, так как примеси здесь легко сносятся через соответствующим образом расположенное отверстие.

Рисунок 8.6 — Схема сегментной диафрагмы

Если сегментная диафрагма применяется для загрязненных и запыленных сред, то ее отверстие располагают в нижней части поперечного сечения горизонтального трубопровода.

При   измерении    расхода жидкости, из которой могут выделяться  газы,  например газонасыщенной нефти, отверстие сегментной диафрагмы располагают в верхней части. Отверстия для отбора давлений необходимо делать со стороны, про­тивоположной отверстию сужающего устройства. Коэффициент расхода определен для сегментных диафрагм с модулем m=0,10?0,50 для трубопроводов с D=50?1000 мм и для предельных значений чисел Рейнольдса в диапазоне от Re_{min пр}=5*10³—4*10⁴ до Re_{max пр} = 10⁶.

Расходомеры обтекания относятся к большой группе расходомеров, называемых также расходомерами постоянного перепада давления. В этих расходомерах обтекаемое тело (поплавок, поршень, клапан, поворачивающаяся пластинка, шарик и др.) воспринимает со стороны набегающего потока силовое воздействие, которое при возрастании расхода увеличивается и перемещает обтекаемое тело, в результате чего перемещающая сила уменьшается и вновь уравновешивается противодействующей силой. В качестве противодействующей силы служит вес обтекаемого тела при движении потока вертикально снизу вверх или сила противодействующей пружины в случае произвольного направления потока. Выходным сигналом рассматриваемых преобразователей расхода служит перемещение обтекаемого тела. На рис. 8.7 приведены принципиальные схемы преобразовательных элементов расходомеров обтекания, получившие наибольшее распространение.

В соответствии со схемой рис. 8.7, а  в конической трубке 1 размещен поплавок 2, при подъеме которого вверх под действием возросшего потока увеличивается площадь проходного кольца между поплавком и стенкой конической трубки, что приводит к уменьшению силы, создаваемой потоком, действующей на поплавок.

Аналогично увеличивается кольцевое сечение между коническим клапаном 2 и цилиндрическим седлом 1 (рис. 8.7, б).

В схеме рис. 8.7, в при подъеме поршня 1 увеличивается площадь выходного бокового отверстия 3 в стенке цилиндра 2.

Рисунок 8.7 — Схемы преобразовательных элементов расходомеров обтекания

Рассмотрим подробнее принцип работы преобразователя расходомера с поплавком (рис. 8.7,а). Во избежание трения и удара поплавка о стенку трубки в его верхнем ободе 3 выполнены наклоненные к вертикали прорези. Вещество, протекая через прорези, придает поплавку вращение, и он центрируется в середине потока. При равновесии сил, действующих на поплавок, он устанавливается на высоте, соответствующей измеряемому значению расхода.

На нижнюю часть поплавка снизу вверх действует сила S_п= P_п f и сила трения S_Т = kW_Кⁿf_? потока о боковую поверхность f_? поплавка.

В последних формулах f — площадь наибольшего поперечного сечения поплавка; Р_П — полное давление потока; k — коэффициент сопротивления, зависящий от степени шероховатости поплавка и числа Рейнольдса; W_K — средняя скорость потока в кольцевом про­странстве; n — показатель степени, зависящий от W_K.

На поплавок сверху вниз действует сила S_C статического давле­ния Р₂ непосредственно за поплавком; S_C=Р₂ f, а также сила веса поплавка G_G =V?_Пg (V — объем поплавка; ?_П — плотность материа­ла поплавка; g — ускорение свободного падения).

Расходомеры обтекания, применяемые для измерения расхода жидкостей и газов, имеют несколько разновидностей. Наиболее распространенные из них приведены на рис. 8.8.

В ротаметрах со стеклянной конической трубкой 1 (рис. 8.8, а), предназначенных для измерения газов или прозрачных жидкостей, шкала 4 нанесена непосредственно на внешней поверхности стекла. Указателем служит верхняя горизонтальная плоскость вращающегося поплавка 2. На нижнем патрубке имеется седло, на которое опускается поплавок при нулевом расходе вещества. На верхнем патрубке имеется ограничитель хода поплавка 3.

Для измерения расхода непрозрачных жидкостей (рис. 8.8, б) применяют цилиндрическую стеклянную трубку 3 и цилиндрический поплавок 1 с отверстием посредине, через которое проходит неподвижный стержень 2 конического сечения. При перемещении вдоль трубки 1 поплавок одновременно вращается, а кольцевое переменное отверстие для потока создается между поплавком и стержнем 2. Ротаметры со стеклянными трубками изготавливают на максимальное давление 0,6 МПа.

Рисунок 8.8 — Схемы расходомеров обтекания

Для измерения расхода газов и жидкостей на технологических потоках применяются ротаметры, снабженные передающими  преобразовательными элементами с электрическим (рис. 8.8, в) или пневматическим (рис. 8.8, г) выходным сигналом.

Ротаметр, показанный на рис. 8.8, в, состоит из металлического корпуса 3, внутри которого при изменении расхода перемещается обтекаемое тело — клапан 1 конического профиля. Между рабочей поверхностью клапана 1 и кольцевой диафрагмой 2 создается переменное проходное отверстие. С клапаном 1 с помощью штока 4 связан сердечник 5 дифференциально-трансформаторного преобразовательного элемента 7, катушка которого надета на трубку 6 из немагнитной стали. Класс точности этих ротаметров в комплекте со вторичным прибором — 2,5.

В ротаметре, представленном на рис. 8.8, г, сердечник 5, связанный с клапаном 6, выполнен из двух магнитов, обращенных друг к другу одноименными полюсами. Снаружи немагнитной трубки 4 на шарнире расположен магнит 3, являющийся одновременно заслонкой пневматического сопла 2. Внутренний 5 и наружный 3 магниты устанавливаются разноименными полюсами один против другого и образуют уравновешенную систему. Поэтому незначительное перемещение сердечника вверх (при увеличении расхода) вызывает поворот магнита 3, который прикрывает сопло 2, и давление P_ВЫХ  между пневмодросселем 1 и соплом 2 увеличивается. Это приводит к сжатию сильфона отрицательной обратной связи 7 и к перемещению сопла 2 с магнитом 3 вверх. При перемещении магнит 3 несколько отходит от сопла 2. Равновесие системы наступает тог­да, когда магнит 3 займет по высоте такое же положение, какое занимает сердечник 5. Таким образом, внешний магнит все время следит за положением внутреннего магнита.

В поршневом расходомере постоянного перепада давления (рис. 8.8, д) масса поршня 2 с грузами 1 и штока с сердечником 3 уравновешивается перепадом давления до и после выходного прямоугольного отверстия б в боковой стенке цилиндра. Передающий преобразователь здесь выполнен в виде сердечника 3 из мягкой стали. Сердечник перемещается внутри немагнитной трубки, на которой ус­тановлена индукционная катушка 4.

Чем больше расход вещества, тем выше поднимается поршень и приоткрывается проходное сечение в боковой стенке. Давление за отверстием 6 через канал 5 передается в верхнюю часть поршня. Таким образом, перепад давления на отверстии и на поршне один и тот же. Этот перепад создает подъемную силу поршня, уравновешиваемую весом подвижной системы. Изменяя вес подвижной системы с помощью сменных грузов 1, изменяют предел измерения расходомера.

В поршневом расходомере сила трения потока о поршень и динамическое давление направлены перпендикулярно подъемной силе поршня, т. е. вес поршня уравновешивается только перепадом давления на проходном отверстии. Поэтому перемещение поршня происходит при изменении расхода и мало зависит от вязкости потока.

Принцип действия расходомеров переменного уровня основан на зависимости высоты уровня жидкости в сосуде от расхода непрерывно поступающей и вытекающей из сосуда жидкости. Вытекание жидкости из сосуда происходит через отверстие в дне или в боковой стенке.

Расходомеры переменного уровня могут быть использованы для измерения расхода газонасыщенной нефти, сточных вод и загрязненных жидкостей, в том числе содержащих взвеси.

В расходомере переменного уровня с затопленным отверстием (рис. 8.9, а) измеряемый поток поступает в сосуд 3 через патрубок 4. На дне сосуда в качестве отверстия истечения обычно устанавливается нормальная диафрагма 1.

Рисунок 8.9 — Схемы расходомеров переменного уровня

Для предохранения диафрагмы от загрязнения и успокоения потока жидкости внутри сосуда установлены перегородки 5. Уровень в сосуде определяется по водомерному стеклу 2.

Принцип действия электромагнитных расходомеровоснован на законе электромагнитной индукции — законе Фарадея, согласно которому в проводнике, пересекающем магнитные силовые линии, индуцируется ЭДС, пропорциональная скорости движения проводника. Если использовать в качестве проводника поток электропроводящей жидкости, текущей между полюсами магнита, и измерить наведенную в жидкости ЭДС, то можно определить скорость по тока или объемный расход жидкости. Схема электромагнитного расходомера показана на рис. 8.10.

Рисунок 8.10 — Схема электромагнитного расходомера

 Между полюсами магнита N и S, перпендикулярно направлению магнитных силовых линий, располагается от резок металлической немагнитной трубы 3, которая устанавливается между фланцами трубопровода с измеряемым потоком жидкости. Внутренняя поверхность трубы 3 покрыта электроизоляционным материалом (эмаль, стеклопластик, резина и др.). В плоскости, перпендикулярной магнитным силовым линиям, диаметрально противоположно установлены в стенке трубы два электрода 1 и 2. Электроды с помощью соединительных проводников подключены к измерительному прибору 4 (милливольтметру или потенциометру).

ЭДС, индуцируемая в постоянном магнитном поле:

где В — магнитная индукция; W—средняя скорость потока жидкости;

D —внутренний диаметр трубопровода; Q — объемный расход жидкости.

Из уравнения (8.12) следует, что при В = const измеряемая ЭДС линейно зависит от объемного расхода жидкости. Электромагнитные расходомеры могут быть использованы для жидкостей, имеющих электропроводность не менее 10⁵—10⁶ См/м (что несколько меньше электропроводности питьевой воды).

Основным и существенным недостатком электромагнитных расходомеров с постоянным магнитным полем является возникновение на электродах гальванической ЭДС и ЭДС поляризации, уменьшающих полезно индуцируемую ЭДС и приводящих к значительным погрешностям измерения. Паразитная ЭДС поляризации практически может быть устранена при использовании в качестве магнитов электромагнитов, питаемых переменным током. В этом случае индуцируемая ЭДС:

где В_max— амплитудное значение магнитной индукции; f — частота переменного тока.

Однако использование переменного магнитного поля создает ряд эффектов, искажающих полезный сигнал.

К числу помех относится трансформаторная помеха, достигающая 20—30% полезного сигнала, возникающая из-за ЭДС, наводимой в цепи, образуемой жидкостью в трубопроводе, электродами, соединительными проводами и вторичными приборами. Источником наводимой ЭДС является первичная обмотка питания электромагнитов.

В промышленных условиях нашли применение главным образом электромагнитные расходомеры с переменным магнитным полем.

Электромагнитные расходомеры обладают рядом преимуществ. Прежде всего, при измерении объемного расхода жидкости нет необходимости в измерении плотности потока. Кроме того, на показания расходомеров не влияют взвешенные в жидкости частицы и пузырьки газа, а также параметры измеряемого потока жидкости (давление, температура, вязкость, плотность и т. п.), если они не изменяют ее электропроводности.

Электромагнитные расходомеры позволяют проводить измерение без потери давления, а также проводить измерения в стерильных объектах.

Электромагнитные расходомеры практически безынерционны и поэтому могут быть использованы при измерении быстро меняющихся потоков.

Выпускаемые в настоящее время электромагнитные расходомеры позволяют измерять расход в широком диапазоне 1—2500 м³/ч для трубопроводов с диаметром 10—1000 мм при линейной скорости движения 0,6—10 м/с. Классы точности расходомеров 1,0—2,5 (при ежедневной корректировке нуля прибора). Электромагнитные расходомеры непригодны для измерения расхода газов и жидкостей с электропроводимостью менее 10^-5 —10^-3 См/м, например, нефтепродуктов, спиртов и т. д.