9. ИНЕРЦИАЛЬНЫЕ МАССОВЫЕ РАСХОДОМЕРЫ

Отдельную группу составляют так называемые инерциальные массовые расходомеры, в которых измеряемому веществу сообщаются дополнительные движения. Показания таких расходомеров не зависят от параметров вещества и целиком определяются весовыми расходами [5, 7].

В зависимости от того, какое дополнительное движение сообщается потоку (при помощи вращающегося или колеблющегося звена), чувствительным элементом измеряется усилие Кориолиса, гироскопический эффект или вращающий момент, которые будут пропорциональны массовому расходу вещества.

Рис. VI.29. Классификация инерциальных массовых расходомеров

Общая классификация инерциальных массовых расходомеров приведена на рис. VI.29.

Массовые расходомеры с электроприводом роторов. Турборасходомеры с моментными преобразователями. Принцип действия турборасходомера (рис. VI.30) заключается в создании вращающимся потоком жидкости момента на ведомой крыльчатке и измерении этого момента. Первая, со стороны движения потока, крыльчатка К приводится во вращение электродвигателем с постоянной угловой скоростью со. Вторая крыльчатка укреплена на упругом элементе. Вращающаяся крыльчатка создает в протекающей жидкости инерционный момент, поэтому закручиваемый поток жидкости создает давление на лопасти ведомой крыльчатки и заставляет ее поворачиваться на некоторый угол. Величина момента на ведомой крыльчатке пропорциональна массовому расходу вещества. Обозначим момент количества движения жидкости и крыльчатки через где со — угловая скорость

Рис. VI.30. Принципиальная схема турборасходомера: — электродвигатель; — вращающаяся крыльчатка; — измерительная крыльчатка; ЧЭ — упругое звено с чувствительным элементом; У — усилитель, РП — регистрирующий прибор

крыльчатки; момент инерции массы жидкости средний радиус вращения каналов относительно оси крыльчатки. Тогда при отсутствии потерь на пути жидкости от ведущей крыльчатки к ведомой момент на ведомой крыльчатке определяется по формуле

Таким образом, момент на оси ведомой крыльчатки пропорционален массовому расходу жидкости.

Вариант конструкции измерительного устройства этого типа, показан на рис. VI.31.

Рис. VI.31. Турборасходомер с электромагнитным преобразователем поворота ведомой крыльчатки: 1 — синхронный электродвигатель; 2 — ведущая крыльчатка; 3 — ведомая крыльчатка; 4 — упругая подвеска ведомой крыльчатки; 5 — пружина; 6 — экранированная магнитная муфта; 7 - сельсий

Ведомая крыльчатка установлена на оси, расположенной в корпусе, и удерживается от кругового вращения при помощи спиральной пружины. Электроприводом ведущей крыльчатки служит экранированный электродвигатель. Между ведомой крыльчаткой и сельсин-датчиком установлена экранированная магнитная муфта. Погрешности измерения этого расходомера на значительной части измерительного диапазона составляют

Турборасходомеры с преобразователями углового перемещения. В этих расходомерах измерение массового расхода осуществляется по величине углового смещения ротора, синхронно вращаемого от электродвигателя через упругий элемент. Угловой сдвиг определяется двумя магнитоиндукционными датчиками, размещенными на корпусе, при прохождении мимо них специальных магнитных отметчиков, установленных на роторе и на приводном валу. При вращении ротора с постоянной угловой скоростью величина массового расхода пропорциональна величине между импульсами, получаемыми с двух отметчиков. На рис. VI.32 показан такой расходомер, предназначенный

для измерения массового расхода топлива в диапазоне

При протекании потока через прямолопастную крыльчатку, вращающуюся с угловой скоростью на ней возникает инерционный момент который может быть выражен в относительных величинах промежутком времени между импульсами, генерируемыми соответственно отметчикам спиральной и прямолопастной крыльчаток:

Рис. VI.32. Схема массового расходомера с измерением расхода по величине углового сдвига ротора: 1 — измерительная крыльчатка; 2,6 — индукционные преобразователи; 3 — ротор электродвигателя; 4 — статор электродвигателя; 5 — пружина; 7 — крыльчатка с экранирующей втулкой

При этом . Подставляя значение со и в выражение для получим

где

Таким образом, в данном расходомере мгновенная величина массового расхода вещества прямо пропорциональна промежутку времени между двумя смежными импульсами, генерируемыми соответственно магнитоиндукционными узлами спиральной и прямолопастной крыльчаток, а интегральный расход при синхронном приводе крыльчаток — сумме промежутков за время измерения.

Турборасходомеры с преобразователями тока. В турборасходомерах с ведущей крыльчаткой и неподвижной

крыльчаткой (импеллером) измеряется количество энергии, передаваемой массой вращающегося вещества от ведущей крыльчатки на ведомую, на которой вращающийся поток тормозится и отдает полученную им энергию. Поэтому представляется возможным проводить измерение расхода по мощности, отбираемой потоком от ведущей крыльчатки. Мощность, отбираемая потоком от равномерно вращающегося ротора (в случае синхронного электропривода), пропорциональна величине массового расхода:

Рис. VI.33. Схема двухроторного компенсационного расходомера: 1,4 — прямолопастные крыльчатки; 2,5 — роторы электродвигателей; 3, 6 — статоры электродвигателей

Для контроля потоков, вязкость которых изменяется в широких пределах, необходимо применять компенсационные двухроторные турборасходомеры, показания которых не зависят от величины вязкости измеряемой среды. К последним относятся двухроторный компенсационный турборасходомер с экранированным электроприводом, схема которого приведена на рис. VI.33 (штриховой линией показана траектория движения частицы жидкости). Для исключения влияния вязкости измеряемой жидкости в этом устройстве в потоке последовательно устанавливаются две одинаковые вращающиеся крыльчатки. К ротору 1 будет приложен больший момент

где

здесь — момент, необходимый для создания в потоке вращательного движения;

— массовый расход жидкости в

— угловая скорость крыльчатки в

— средний радиус крыльчатки;

— суммарный момент трения.

К ротору 4 будет приложен момент

При одинаковых размерах роторов и условиях вязкого трения .

Отсюда имеем:

Вследствие того, что мощность (или ток), потребляемая

электродвигателями в рабочем диапазоне, линейно зависит от приложенного к ротору момента, имеем:

Таким образом, разность мощностей или токов, потребляемых электроприводами обоих роторов, прямо пропорциональна величине массового расхода.

Массовые расходомеры с приводом от потока. Турборасходомеры с упругосвязанными роторами. Если необходимо проводить измерение массовых расходов на достаточно мощных потоках, а подача электроэнергии к расходомеру затруднительна, то для вращения ротора может быть использована энергия самого измеряемого потока. В большинстве таких устройств измерительные роторы вращаются с переменной угловой скоростью и для измерения массового расхода используются принципы, отличающиеся от рассмотренных выше.

Рис. VI.34. Турборасходомер с приводом от потока

В настоящее время разработан массовый расходомер, в котором используются две упруго связанные через пружину 3 спиральные крыльчатки 2 и 5, имеющие разный угол наклона лопастей (рис. VI.34). Для измерения взаимного смещения двух крыльчаток во временном измерении предназначены два индукционных отметчика 1 и в которых формируются импульсы при прохождении магнитных элементов, установленных на лопастях крыльчаток. Эти импульсы сдвинуты во времени на величину которая пропорциональна массовому расходу вещества. Расход при этом определяется по формуле

Проходящий через крыльчатку поток жидкости приобретает вращательное движение с угловой скоростью со и при этом в нем создается определенный момент М. Величина этого момента равна моменту, приложенному к пружине, связывающей две крыльчатки. Так как относительная величина промежутка времени между импульсами на измерительном сигнале пропорциональна моменту М, приложенному между первой и второй крыльчатками

получим следующее выражение для определений массового расхода

где

— постоянные коэффициенты.

В этом устройстве как момент М, так и угловая скорость со комплексно измеряются двумя индукционными отметчиками.

На точность показаний такого расходомера оказывает влияние вязкость измеряемой среды.

Динамические свойства массовых расходомеров. Известные типы массовых расходомеров с динамической точки зрения можно разделить на расходомеры с синхронным электроприводом, с асинхронным экранированным электроприводом и с приводом от потока.

В расходомерах с синхронным электроприводом и крыльчатками, не имеющими угловой скорости относительно охватывающих их стаканов, чувствительный элемент обычно устанавливается на пружине. Пружина и крыльчатка — два элемента, способные запасать и взаимно обмениваться энергией. В этом случае движение крыльчатки описывается дифференциальным уравнением второго порядка [12]:

где — равно сумме момента инерции измерительной крыльчатки и момента инерции жидкости заполняющей каналы крыльчатки;

— момент внешних сил, действующих на крыльчатку при придании массовому расходу угловой скорости ;

— противодействующий момент;

Ф — угол поворота для крыльчатки.

Для переходного режима, когда угол изменяется, имеем

где — массовый расход;

— коэффициент, зависящий от размера крыльчатки; с — жесткость пружины;

R — коэффициент вязкого трения, учитывающий геометрию крыльчатки.

Подставляя формулы (VI.67) и (VI.68) в выражение (VI.66), получим в операторной форме

где

и

Перенос в правую часть дает величину измеряемого в некоторых приборах временного отставания при вращающихся крыльчатках как выходной величины расходомера. В этом случае

где статическая чувствительность

В расходомерах с приводом от потока система вращающихся крыльчаток, связанных пружиной, может рассматриваться как крыльчатка турбинного расходомера. Уравнение крыльчатого расходомера удовлетворяет форме апериодического звена с постоянной времени, находящейся в обратно пропорциональной зависимости от скорости потока В этом случае

где — коэффициент преобразования и

здесь — постоянная величина, определяемая геометрическими параметрами подвижной части расходомера, а также параметрами измеряемого потока жидкости.

Таким образом, уравнение движения для расходомеров с приводом от потока можно записать в виде:

Сравнение массовых расходомеров. На рис. VI.35 приведены схемы основных типов массовых расходомеров.

В массовых расходомерах с электроприводом на измерительной крыльчатке, имеющей продольные или радиальные каналы, создается при прохождении потока момент. Величина этого момента пропорциональна массовому расходу вещества и может быть измерена различными способами. В том случае, когда измерительная крыльчатка не совершает вращения, определение момента может быть произведено с помощью различных торсионных элементов (рис. VI.35, а, б). Измерение момента на вращающемся роторе может быть выполнено по величине мощности, потребляемой электроприводом (рис. VI.35, е, з), и по величине углового сдвига двух вращающихся роторов, определяемого с помощью двух индукционных преобразователей и двух магнитных отметчиков (рис. VI.35, в — ж, и)

(кликните для просмотра скана)

В случае измерения массовых расходов веществ, вязкость которых изменяется в широких пределах, используются турборасходомеры, имеющие частичную или полную компенсацию влияния вязкости. С целью частичной компенсации влияния вязкости измерительная крыльчатка может быть установлена в специальной втулке, которая жестко связана с приводным ротором. Эта втулка воспринимает момент вязкого трения, возникающий на периферии крыльчатки (рис. VI.35, в, д).

Аналогичную схему имеет массовый расходомер, установленный на роторе нагнетателя турбомашины (рис. VI.35, г).

Полная компенсация влияния вязкости на показания массового расходомера достигается в двухроторных расходомерах. В двухроторных компенсационных расходомерах в потоке последовательно устанавливаются две идентичные вращающиеся крыльчатки. Разность мощностей, потребляемых электроприводами первого и второго роторов, пропорциональна величине массового расхода вещества и не зависит от его вязкости (рис. VI.35, е, з). Для того чтобы осуществлялась полная компенсация вязкости, синхронные электроприводы обоих роторов должны иметь совершенно идентичные характеристики в рабочих диапазонах. Это требование создает дополнительные трудности при разработке таких расходомеров.

В компенсационных расходомерах, приведенных на рис. VI.35, ж, и, привод двух крыльчаток осуществляется через идентичные упругие элементы с помощью одного синхронного или асинхронного электропривода. При этом массовый расход измеряется соответственно по величине или Конструкция такого расходомера проста, но электрическая схема достаточно сложная.

В группе массовых расходомеров, приводимых от потока с помощью спиральной крыльчатки, последняя через упругий элемент может вращать одну или две измерительные крыльчатки, имеющие продольные или радиальные каналы. Массовый расход измеряется по величине

Такие расходомеры могут разрабатываться трех типов:

а) без компенсации влияния вязкости с частичной компенсацией влияния вязкости (рис. VI. 35, ж, я); в) с полной компенсацией влияния вязкости (рис. VI.35, о, п).

Для жидкостей, вязкость которых изменяется существенно, могут быть применены расходомеры с частичной компенсацией вязкости (рис. VI.35, м, н). В этих устройствах на ведущей крыльчатке жестко установлена тонкая металлическая гильза, в которой с зазором расположена ведомая крыльчатка. Вследствие того, что ведущая и ведомая крыльчатки вращаются синхронно, момент вязкого трения, возникающий на периферии ведомой крыльчатки, с помощью гильзы целиком передается ведущей крыльчатке, не вызывая соответствующих деформаций пружины.

В расходомерах с полной компенсацией влияния вязкости (рис. VI.35, ) две измерительные крыльчатки установлены на оси на одинаковых упругих элементах. На обе крыльчатки

одновременно действует момент сил вязкого трения. Под действием момента, пропорционального величине массового расхода, крыльчатки смещаются на определенный угол. Измерение расхода производится по величине параметра

ЛИТЕРАТУРА

(см. скан)