Существует множество методов и приборов для измерения расхода и количества энергоносителей. Значительное их количество составляют приборы, основанные на тахометрических первичных преобразователях расхода (ППР) с подвижным, обычно вращающимся, чувствительным элементом (ЧЭ), скорость движения которого пропорциональна объемному расходу.

В тахометрических ППР поток жидкости приводит во вращение ЧЭ — ротор, скорость вращения которого является мерой скорости потока. При измерении скорости движения ЧЭ получаем расходомер, а при измерении общего числа его оборотов — счетчик.

Таким образом, схема расходомера состоит из ППР — ЧЭ, помещенного в поток, и вторичного преобразователя, с помощью которого частота вращения ЧЭ преобразовывается в вид, удобный для восприятия и дальнейшей обработки.

В современных конструкциях, предназначенных для измерения расхода в трубопроводах диаметром от 4 до 1000 мм, основная приведенная погрешность составляет до ±0,2 %, а постоянная времени прибора составляет менее 0,01 с в широком рабочем диапазоне (до 1:50–1:100). Независимость метрологических характеристик ППР от давления в потоке и возможность изготовления деталей из материалов, стойких к влиянию измеряемых сред, позволяют использовать тахометрические приборы практически при любых теплотехнических исследованиях в различных областях промышленности.

Особенности и характеристики тахометрических приборов для измерения расхода и количества жидкостей во многом определяются свойствами ППР, так как последующие звенья измерительной цепи достаточно универсальны и могут использоваться с различными ППР [1, 2].

Тахометрические ППР можно разделить на скоростные (турбинные и шариковые), роторно-шаровые и камерные. Полная классификация тахометрических ППР приведена на рис. 1.

В турбинных ППР ЧЭ — турбинка. По числу оборотов турбинки, угловая скорость которой пропорциональна скорости жидкости, протекающей через прибор, измеряется ее количество или расход.

Приборы, выполненные на основе турбинных ППР, благодаря существенным преимуществам перед приборами аналогичного назначения других типов, получают все более широкое развитие и распространение.

Турбинные расходомеры и счетчики количества изготавливаются для трубопроводов диаметром от 4 до 750 мм, для давлений до 250 МПа и температур от -240 до +700 °C [2-4].

По расположению оси ЧЭ в потоке жидкости турбинные ППР делятся на две группы — аксиальные и тангенциальные (рис. 2). У первых поток жидкости, поступающий на турбинку, направлен параллельно ее оси, у вторых — тангенциально (по касательной к) окружности, описываемой средним радиусом лопастей [1-6].

По расположению относительно оси трубопровода турбинные ППР могут быть с совпадающими осями, с пересекающимися осями и со скрещенными осями.

Наиболее распространенными и перспективными ППР являются аксиальные турбинные ППР с совпадающими осями турбинки и трубопровода. Тангенциальные ППР, имеющие малые моменты инерции турбинки (крыльчатки) и небольшое трение в опорах, эффективны лишь при измерении малых расходов. Их применяют для диаметров трубопроводов от 10 до 45 мм и расходов от 0,15 до 12,6 м3/ч [1-6]. Остальные турбинные ППР не нашли широкого применения на практике из-за сравнительно больших гидравлических потерь и низкой точности.

Современные турбинные ППР обладают достаточно высокими метрологическими характеристиками. Их погрешности не превышают ±(0,5–1)%, а в некоторых случаях достигают ±0,25 %. Постоянная времени турбинного ППР находится в диапазоне 0,001–0,01 с [2-5].

Область применения турбинных ППР достаточно широка: горячая и холодная вода, нефтепродукты, криогенные жидкости и т.д. Эти преобразователи наиболее экономичны при измерении больших расходов, но применяются также для измерения малых, средних расходов и даже микрорасходов.

Турбинки аксиальных ППР могут быть прямолопастными (при предварительном закручивании потока) или винтообразными.

Турбинные ППРс аксиальной винтовой турбинкой применяются для измерения расходов в диапазоне от 0,3 до 12500 м3/ч. Их можно устанавливать на горизонтальных, вертикальных и наклонных трубопроводах с восходящим потоком жидкости.

В тангенциальных турбинных преобразователях ЧЭ вращается вокруг оси, пересекающейся с осью потока, лопасти турбинки выполняются в виде пластин или чашечек. Поток жидкости поступает на лопасти ЧЭ через направляющий аппарат — одноструйный или многоструйный. Одноструйные направляющие аппараты применяются преимущественно при малых диаметрах трубопровода, многоструйные — при средних и больших.

Основным недостатком турбинных ППР является износ опор, поэтому они непригодны для измерения расхода веществ, содержащих механические примеси. Кроме того, с увеличением вязкости вещества уменьшается диапазон линейности характеристики, что исключает их применение для измерения расхода очень вязких веществ.

Для измерения расхода в трубопроводах больших диаметров иногда используют маленькие турбинки, которые занимают небольшую часть площади сечения трубопровода. Турбинка вводится в центр или другую точку сечения потока с помощью реечной штанги. Погрешность измерения в таких случаях достигает ±5 % .

В шариковых ППР ЧЭ — шарик, перемещающийся по окружности. Движение ЧЭ обеспечивается винтовым направляющим аппаратом, закручивающим поток, или тангенциальным подводом измеряемой жидкости.

В шариковых ППР шарик, захватываемый закрученным потоком жидкости, движется со скоростью, пропорциональной окружной скорости потока, а значит и его объемному расходу. Центробежные силы удерживают шарик на периферии камеры преобразователя и препятствуют его уносу потоком.

Погрешность шариковых ППР составляет ±(1,5–2)%. Износ ЧЭ и дорожки качения приводит к появлению отрицательной погрешности. Потеря давления достигает 0,05 МПа при максимальном расходе (у многих турбинных меньше). С увеличением вязкости жидкости уменьшается область измерения, в пределах которой сохраняется постоянство градуировки шарикового ППР.

Достоинствами шариковых ППР [2-4] являются:

• возможность измерениязагрязненных жидкостей;
• простота конструкции.

К их недостаткам можно отнести [2, 4]:

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

В роторно-шаровых ППР, в отличие от шариковых, шарик или другой ЧЭ движется не по кругу, а вращается вокруг своей оси под действием потока измеряемой жидкости. Иногда такие ППР называют ППР с левитирующим шаром или с гидродинамическим подвешиванием ЧЭ. Они пока что не нашли широкого применения, однако существует несколько их разновидностей, отличающихся друг от друга способом приведения ЧЭ во вращение.

К преимуществам роторно-шаровых ППР [2] можно отнести:

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

Несмотря на это, им свойственны следующие недостатки:

• зависание ЧЭ в отверстии по оси потока и прекращение его вращения;
• увеличение амплитуды колебаний ЧЭ, что приводит к его ударам о стенки измерительной камеры;
• сложности с обеспечением надежности преобразователя частоты вращения ЧЭ в частотный выходной сигнал в связи с возникновением прецессии оси вращения ЧЭ.

К камерным ППР можно отнести ППР, подвижные элементы (ЧЭ) которых приходят в движение (непрерывное или периодическое) под давлением измеряемой жидкости и при этом отмеряют определенные объемы или массы измеряемого вещества.

Камерные ППР для измерения расхода жидкостей можно разделить на две группы [2]:

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

ППР первой группы состоят из одной или нескольких последовательно опорожняющихся и заполняющихся измерительных камер. К этой группе принадлежат опрокидывающиеся ППР, измеряющие массу (рис. 3, а) или объем (рис. 3, б) жидкости; вращающиеся барабанные (рис. 3, в), измеряющие объем жидкости, приборы с колеблющимся колоколом. Кроме того, к этой же группе камерных ППР могут быть условно отнесены мерные емкости с сильфонным или клапанным опорожнением.

ППР без подвижного разделительного элемента — наиболее точные. Они используются лишь для измерения небольших расходов и только при ограниченном давлении измеряемой жидкости.

ППР второй группы отличаются большим количеством разновидностей ЧЭ, дающих название разновидностям этих ППР: роторные, поршневые, дисковые, с овальными шестернями, лопастные, винтовые и т.д. и применяются чаще других. Они состоят из жесткой камеры, в которой при непрерывном перемещении одного (рис. 4, а-в) или нескольких (рис. 4, г-з) разделительных элементов (поршня, диска, роторов и т.п.) осуществляется отмеривание объемов жидкости.

К недостаткам камерных ППР [6-8] следует отнести сложность конструкции и чувствительность к механическим примесям в измеряемом потоке.

Сравнительный анализ тахометрических ППР (см. таблицу) позволяет сделать следующие выводы:

1. Шариковые ППР используются для измерения расхода жидкостей в трубопроводах диаметром до 200 мм. Важным их преимуществом является возможность работы на загрязненных жидкостях. Эти ППР имеют повышенные гидравлические потери и узкий диапазон линейности статической характеристики [2 — 4, 9].
2. Роторно-шаровые ППР появились относительно недавно и пока что не нашли широкого применения.
3. Камерные ППР характеризуются сложностью конструкции, что сдерживает их применение для измерения больших расходов жидкостей.
4. Камерные ППР очень чувствительны к наличию механических примесей в измеряемом потоке и требуют тщательной фильтрации измеряемой жидкости [2, 8, 9].

Среди множества рассмотренных тахометрических ППР на сегодняшний день наиболее точными, надежными, распространенными, исследованными и перспективными при измерении расходов и количеств различных жидкостей остаются турбинные ППР. Для измерения расхода холодной и горячей воды в быту используются в основном тангенциальные турбинные ППР (крыльчатые), для промышленных измерений используются аксиальные турбинные ППР.

Литература

1. Бошняк Л.Л., Соловский В.М. Современное состояние исследований и разработок тахометрических расходомеров // Приборы и системы управления. — 1972. — № 9. — C. 44-48.
2. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. — Л.: Машиностроение, 1989. — 701 с.
3. Бошняк Л.Л. Измерения при теплотехнических исследованиях. — Л.: Машиностроение, 1974. — 448 с.
4. Бошняк Л.Л., Бызов Л.Н. Тахометрические расходомеры. — Л.: Машиностроение, 1968. — 212 с.
5. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы:Уч. пособие для вузов по специальности «Автоматизация теплоэнергетических процессов». — 3-е изд., перераб. — М.: Энергия, 1978. — 704 с.
6. Киясбейли А.Ш., Лившиц Л.М. Счетчики и расходомеры жидкости с овальными шестернями. — М.: Машиностроение, 1983. — 144 с.
7. Таратута Р.Н., Арутюнов Л.А., Цабкевич Э.Р. Лопастные счетчики. — М.: Машиностроение, 1968. — 144 с.
8. Тупиченков А.А., Абдурашитов С.А., Мануков Э.С. Счетчики жидкости. — М.: Изд-во стандартов, 1980. — 152 с.
9. Киясбейли А.Ш., Лифшиц Л.М. Первичные преобразователи систем измерения расхода и количества жидкостей. — М.: Энергия, 1980. — 80 с.