Тахометрическими называются расходомеры и счетчики, имеющие подвижный, обычно вращающийся элемент, скорость движения которого пропорциональна объемному расходу. Принцип действия тахометрического водосчетчика (расходомера) основан на измерении скорости вращения или подсчете оборотов помещенной в поток крыльчатки или турбины.

Общая характеристика тахометрических расходомеров и счетчиков.

Тахометрическими называются расходомеры и счетчики, имеющие подвижный, обычно вращающийся элемент, скорость движения которого пропорциональна объемному расходу. Принцип действия тахометрического водосчетчика (расходомера) основан на измерении скорости вращения или подсчете оборотов помещенной в поток крыльчатки или турбины. Разница между тем и другим подвижными элементами состоит в том, что ось вращения крыльчатки расположена перпендикулярно, а турбины — параллельно направлению движения потока. Все тахометрические расходомеры (счетчики) являются энергонезависимыми.

Тахометрические расходомеры делят на:

• скоростные:
  • турбинные;
  • шариковые;
• роторно-шаровые;
• камерные.

Рисунок 1. Классификация тахометрических расходомеров.

При измерении скорости движения подвижного элемента получаем расходомер, а измеряя общее число его оборотов — счетчик количества прошедшего вещества. Наибольшее распространение получили счетчики воды и газа, так как для этого надо лишь соединить вал турбинки или другого преобразователя расхода через зубчатый редуктор со счетным механизмом.

Для создания тахометрического расходомера скорость движения элемента предварительно преобразуют в сигнал, пропорциональный расходу и удобный для измерения, для чего необходим двухступенчатый преобразователь расхода:

1. первая ступень — турбинка (шарик или другой элемент), скорость движения которой пропорциональна объемному расходу;
2. вторая ступень — тахометрический преобразователь, который вырабатывает измерительный сигнал (частоту электрических импульсов), пропорциональный скорости движения тела.

Здесь измерительным прибором является цифровой или аналоговый электрический частотомер. Дополнив частотомер счетчиком электрических импульсов, получим счетчик количества прошедшего вещества. Тахометрические расходомеры ещё не получили такого широкого распространения, как счётчики количества жидкости и газа. Их существенными достоинствами являются: быстродействие, высокая точность и большой диапазон измерения. Так, если погрешность турбинных счетчиков воды (ось которых через редуктор связана со счетным механизмом) равна ±2 %, то у измерителей количества, имеющих тахометрический преобразователь, эта погрешность снижается до ±0,5 %. Это объясняется тем, что этот преобразователь почти не нагружает ось турбинки. Погрешность турбинного расходомера лежит в пределах (0,5 - 1,5) % в зависимости от точности примененного частотомера.

Турбинные тахометрические расходомеры и счетчики количества могут изготовляться для труб диаметром от 4 до 750 мм, для давлений до 250 МПа и температур от —240 до +700 °С. Турбинные приборы чаще всего применяются для измерения расхода и количества воды, различных нефтепродуктов и других жидкостей. Основным недостатком турбинных расходомеров является изнашивание опор, вследствие чего они непригодны для веществ, содержащих механические примеси. Кроме того, они не применимы для очень вязких веществ, так как с увеличением вязкости вещества диапазон их линейной характеристики уменьшается. Турбины более пригодны для жидкостей, чем для газов, благодаря своей смазывающей способности.

Рисунок 2. Принципиальная схема турбинного тахометрического расходомера (1— турбинка; 2—тахометр)

Шариковые расходомеры появились позже турбинных. Их применяют для измерения расхода жидкостей, главным образом воды, в трубах диаметром до 150—200 мм. В шариковых первичных преобразователях расхода чувствительным элементом является шарик, перемещающийся по окружности. Его движение обеспечивается винтовым направляющим аппаратом, закручивающим поток, или тангенциальным подводом измеряемой жидкости. В данных преобразователях расхода шарик, захватываемый закрученным потоком жидкости, движется со скоростью, пропорциональной окружной скорости потока, а значит и его объемному расходу.

Рисунок 3. Первичный преобразователь шарикового расходомера (1 –направляющий аппарат; 2,3 - корпус преобразователя расхода 3 – ферромагнитный шарик)

В корпусе шарикового преобразователя расхода располагается неподвижный узел, содержащий ступицу и два направляющих аппарата с ограничительными кольцами. Между последними в канавке находится ферромагнитный шарик (рисунок 3). С наружной стороны корпуса имеется место крепления на винтах тахометрического индукционного преобразователя, состоящего из катушки и магнитного сердечника. Поток жидкости, проходя закручивающий аппарат с переменным по длине винтовым шагом, приобретает вращательное движение и обеспечивает вращение шара. Выходной винтовой шнек выполнен аналогично входному, чем может быть обеспечена реверсивность работы расходомера.

Шариковый расходомер предназначен для измерения расхода в пределах 2÷8 м3/ч при давлении 5 МПа и температуре 20÷200 oC. Погрешность данных приборов лежит в пределах ±(1,5–2)%. В процессе эксплуатации шариковых расходомеров происходит постепенный износ дорожек качения и шара. При износе шара так же, как и при раскатке дорожки качения, у прибора появляется отрицательная погрешность, т.е. его показания становятся заниженными. С увеличением вязкости жидкости уменьшается область измерения, в пределах которой сохраняется постоянство градуировки шарикового преобразователя расхода. Важнейшим достоинством данных преобразователей является возможность их работы в загрязненных средах, а также простота конструкции.

К их недостаткам можно отнести:

• повышенные гидравлические потери;
• узкий диапазон линейности статической характеристики;
• зависимость показаний от вязкости измеряемой жидкости.

Роторно-шаровые расходомеры появились сравнительно недавно и пока не получили широкого применения. В приборах данного типа, в отличие от шариковых, чувствительный элемент движется не по кругу, а вращается вокруг своей оси под действием потока измеряемой жидкости. Роторно-шаровые расходомеры имеют следующие преимущества:

• простоту конструкции;
• возможность измерения расхода жидкостей, содержащих механические примеси.

Но им свойственны следующие недостатки:

• зависание чувствительного элемента в отверстии по оси потока и возможное прекращение его вращения;
• увеличение амплитуды колебаний подвижного элемента и как следствие удары о стенки измерительной камеры;
• сложности с обеспечением надежности преобразователя частоты вращения подвижного элемента в частотный выходной сигнал.

Камерные приборы как счетчики жидкости и газа наряду с турбинными применяются уже давно. Они отличаются большим разнообразием подвижных элементов. Камерные расходомеры для измерения расхода жидкостей можно разделить на две группы:

• без подвижных разделительных элементов;
• с подвижными разделительными элементами.

Расходомеры первой группы состоят из одной или нескольких последовательно опорожняющихся и заполняющихся измерительных камер. К этой группе принадлежат опрокидывающиеся ППР, измеряющие массу или объем жидкости; вращающиеся барабанные, измеряющие объем жидкости, приборы с колеблющимся колоколом.

Тахометрические расходомеры без подвижного разделительного элемента — наиболее точные. Их применяют только для измерения небольших расходов при ограниченном давлении измеряемой жидкости.

Расходомеры данной группы имеют следующие разновидности: роторные, поршневые, дисковые, с овальными шестернями, лопастные, винтовые и т.д. Они применяются чаще других. Состоят эти приборы из жесткой камеры, в которой при непрерывном перемещении одного или нескольких разделительных элементов (поршня, диска, роторов и т.п.) осуществляется отмеривание объемов жидкости.

Данные приборы могут обеспечить большую точность и больший диапазон измерения по сравнению с турбинными и шариковыми счетчиками количества вещества. Так погрешность у некоторых из них составляет всего ±(0,2-0,5) %. Важным достоинством камерных счетчиков является их пригодность для измерения количества жидкости практически любой вязкости, в том числе и очень большой. Но они имеют существенный недостаток - чувствительность к загрязнениям и механическим примесям. В подавляющем большинстве камерные приборы применяются только для измерения количества, а не расхода, так как они изготовляются без тахометрических преобразователей.

При необходимости иметь результаты измерения турбинными, шариковыми и камерными приборами в единицах массы их дополняют устройствами, корректирующими показания в зависимости от плотности измеряемого вещества или только от температуры.

Измерение массового расхода и количества тахометрическими расходомерами и счетчиками

Схемы для измерения массового расхода и количества с помощью тахометрических расходомеров можно разделить на две группы:

• В первой наряду с тахометрическим преобразователем расхода имеется независимый от него преобразователь плотности вещества (или температуры и давления). Вычислительное устройство обрабатывает сигналы от этих преобразователей, и на выходе схемы получаются значения массового расхода жидкости или газа.
• Во второй группе тахометрический преобразователь расхода конструктивно связан с устройством, реагирующим на изменение плотности (или температуры и давления).

И в той и другой группе основное применение получили приборы для измерения массового расхода или количества жидкости, в которых необходимая коррекция достигается только с помощью соответствующего преобразователя температуры. Схемы с коррекцией по плотности применяются реже из-за трудностей, связанных с разработкой и изготовлением достаточно точных и надежных преобразователей плотности.

В одной из схем вибрационный преобразователь плотности состоит из полого цилиндра. Он колеблется в измеряемой жидкости с частотой, зависящей от плотности этой жидкости. Умножая сигнал от преобразователя на сигнал, поступающий от турбинки, на выходе получаем сигнал, пропорциональный массовому расходу.

Схема расходомера фирмы «Фор—Герман» («Far—German»):

турбинка 2 помещена внутри конической втулки 1. Её перемещение осуществляется вручную или автоматически, так чтобы скорость в месте установки турбинки возрастала с увеличением плотности и наоборот. При автоматическом перемещении втулки через поплавковый преобразователь плотности 4 непрерывно протекает измеряемая жидкость. Преобразователь воздействует на двухфазный реверсивный двигатель 3, который перемещает втулку 1.

Рисунок 4. Схема турбинного массового расходомера фирмы «Фор-Герман»

Расходомер, разработанный в НИИтеплоприбор:

ось аксиальной турбинки, воспринимающая усилие, закреплена на гибких упругих подвесках, что позволяет ей перемещаться в продольном направлении и через рычаг, уплотненный разделительной мембраной, воздействовать на стандартный компенсационный преобразователь усилия[1]. Сигнал от рычага делится в вычислительном устройстве на сигнал от турбинного преобразователя и на выходе получаем сигнал, пропорциональный массовому расходу.

Рассмотренные схемы не получили широкого применения из-за своей сложности.

Для упрощения измерения расхода или количества жидкости вводят коррекцию на температуру измеряемого вещества. Для турбинных и шариковых расходомеров, имеющих выходной электрический сигнал, коррекция на температуру вводится с помощью электрического сигнала от преобразователя температуры[1].

Учет расхода жидкостей осуществляется с помощью различных счетчиков и расходомеров. Определится с выбором вам поможет наш сайт.

Используемая литература:

1. Кремлевский П. П. Расходомеры и счетчики количества веществ: Справочник: Кн. 2 / Под общ. ред. Е. А. Шорникова. — 5-е изд., перераб. и доп. — СПб.: Политехника, 2004. — 412 с