Авторы Коробко И.В., Кузьменко П.К., НИЦ «Приборы и системы энергосбережения» НТУУ «Киевский политехнический институт»
Проникновение измерений в области сверхвысоких температур, давления, расхода жидкости и газов,
при которых условия измерений становятся всё более сложными, обуславливают необходимость создания
принципиально новых средств измерения. В то же время неуклонно повышаются требования к их точности, чувствительности и быстродействию.

Одной из актуальных является проблема измерения расхода и количества различных сред. В настоящее время широкое распространение получили измерительные преобразователи (ИП) постоянного расхода жидких и газообразных сред.

В последнее время, в связи со всевозрастающей необходимостью измерения быстропеременных расходов, увеличением скорости протекания технологических процессов, ведутся разработки измерительных преобразователей расхода (ИПР) с высокими динамическими характеристиками.

Необходимо отметить, что если вопросы измерения постоянного или медленноменяющегося расхода с высокой точностью нашли более широкое решение, то вопросы, связанные с проектированием, разработкой, испытанием и эксплуатацией ИПР с высокими динамическими характеристиками требуют дальнейшего изучения и исследования.

Особо следует остановиться на вопросах, связанных с измерением массового расхода ИПР, измеряющие массовый расход, обладают следующими достоинствами по сравнению с ИПР, измеряющими объёмный расход [1]:

• отпадает необходимость в определении стандартных или базовых условий в отношении характеристик давления и температуры измеряемой среды;
• отпадает необходимость в измерении давления, температуры, плотности и сжимаемости измеряемой среды;
• более высокая точность измерения из-за устранения источников ошибок, возникающих при определении физических свойств измеряющей среды и определении корректирующих воздействий, необходимых при отклонении этих свойств от стационарных;
• при измерении состава жидкого топлива ошибка в определении энергосодержания на единицу массы будет меньшей, чем на единицу объёма [2].

Анализ основных технических характеристик существующих ИПР показывает, что высокимидинамическими характеристиками обладают такие типы преобразователей:

• гидродинамические (ГД);
• ультразвуковые (УЗ);
• лазерные (ЛЗ);
• электромагнитные (ЭМ).

В тоже время требованиям, предъявляемым к ИП массового расхода, удовлетворяют силовые (СЛ) и ГД ИПР.

Проведя анализ патентных исследований, литературных источников, номенклатуры современных приборостроительных фирм, можно сделать следующие выводы:
1. В последние годы разработке ИПР с высоким быстродействием уделяется больше внимания, чем раньше.
2. Наибольшее количество информации относится к УЗ и ЭМ ИПР. Это объясняется увеличением количества работ по созданию ИПР для нефтехимической промышленности, металлургических предприятий и энергетических комплексов, где требуется измерение расхода бесконтактными методами.
3. Наблюдается повышенный интерес у ЭМ ИПР при измерении быстропеременных расходов.
4. ЛЗ и СЛ ИПР менее распространены чем УЗ и ЭМ, что объясняется сложностью аппаратуры и условиями их эксплуатации.
5. УЗ, ЛЗ и ЭМ ИПР имеют довольно высокие динамические характеристики, но измеряют только объёмный расход. СЛ, наоборот, измеряют массовый расход, но имеют низкие динамические характеристики, что не позволяет использовать их для измерения быстропеременных расходов жидкости.
6. В настоящее время возрос интерес к ГД ИПР. Это связано с их малой инерционностью и возможностью измерять массовый расход, что позволяет применять их при измерении быстропеременных массовых расходов.

Исходя из результатов анализа можно сделать вывод, что для измерения высокодинамических массовых расходов жидкости наиболее приемлемыми являются ГД ИПР. Принцип действия ГД ИПР основан на зависимости от расхода измеряемой среды перемещения тела, воспринимающего динамическое давление обтекающей его жидкости. Сила гидродинамического напора, действующая на помещенное в поток тело, вызвана динамическим давлением, представляется зависимостью [3]:

где — плотность измеряемой среды;
— скорость движения среды;
Cx — коэффициент лобового сопротивления, зависящий от формы, относительных размеров тела обтекания и числа Рейнольдса (в соотношении с характерными геометрическими параметрами потока);
SM — миделевая площадь тела обтекания.

Существенное влияние на величину силы гидродинамического напора F оказывает форма тела обтекания, так как от него зависит величина Cx. Вследствие этого, основные усилия разработчиков ИПР рассматриваемого типа направлены на отыскание таких форм и габаритных размеров тел обтекания, при которых обеспечивается автомодельность Cx в достаточно широком диапазоне измерений расхода при минимальных значениях критических чисел Рейнольдса.

Массовый расход жидкости QM связан со скоростью потока выражением [4]:

где So — площадь поперечного сечения измерительного канала. Учитывая выражение (2), зависимость (1) после преобразований примет вид:

Анализируя выражение (3), можно сделать вывод, что при измерении массового расхода жидкости ГД ИПР отпадает необходимость в измерении плотности (или температуры) измеряемой среды.
Кроме этого, ГД ИПР обладают еще следующими достоинствами:

• широкий диапазон измерений;
• высокое быстродействие (малая инерционность);
• конструктивная простота;
• высокая надёжность;
• удобство обслуживания;
• независимость показаний от статического давления в трубопроводе;
• повторяемость результатов измерения;
• высокая точность измерения.

Рассмотрим некоторые конструктивные особенности ГД ИПР.

Элементом, воспринимающим давление гидродинамического напора, является тело определённой формы (заслонка, диск, лопатка), помещённое в измерительный поток и испытывающее деформацию или перемещение под действием усилия, пропорциональному давлению гидродинамического напора. Если тело обтекания имеет такую форму, что коэффициент аэродинамического сопротивления тела Cx не зависит от скорости потока в большом диапазоне скоростей, то можно считать, что усилие на теле обтекания однозначно характеризует расход. Площадь поверхности тела, воспринимающая гидродинамическое давление, должна быть незначительна по сравнению с площадью поперечного сечения трубы и практически не должна изменяться при деформации или перемещении тела. Потерями скоростного напора за счёт изменения проходного сечения трубопровода, при введении тела обтекания, можно пренебречь при условии [3]:

Наибольшее распространение получили такие типы ГД ИПР:

• с подпружиненной диафрагмой;
• с подпружиненнымдиском;
• с жестко закрепленным диском;
• с заслонкой или лопаткой.

ГД ИПР с подпружиненной диафрагмой (рис. 1) имеют в измерительном канале диафрагму, которая удерживается пружиной.

Мерой расхода является перемещение диафрагмы под воздействием потока, преобразуемое бесконтактными методами в измерительный сигнал. Влияние вязкости измеряемой среды на погрешность ИПР незначительно. Преимущества таких ИПР:

• широкий диапазон измерений;
• малые потери давления;
• независимость показаний от статического давления среды;
• линейная функция преобразования;
• небольшая погрешность измерения (не более 1%);
• высокая повторяемость результатов измерения.

Аналогичные характеристики имеют ГД ИПР с чувствительным элементом в виде подпружиненного диска. Существует несколько вариантов исполнения таких приборов. В ИПР фирмы Sass Wolf диск подпружинен цилиндрической пружиной [5]. Мерой расхода является величина отклонения диска. В ИПР фирмы Duffand Macintosh [6] для съёма величины перемещения диска предусмотрена система с магнитами: в диск встраивается магнит, который воздействует на другой магнит, установленный снаружи трубы, выполненной из немагнитного материала, вызывая при этом перемещение указателя относительно шкалы.

Основным недостатком рассмотренных схем ИПР является невозможность измерения быстропеременных расходов.

Более высокими динамическими свойствами обладают ИПР с индуктивными преобразователями перемещения диска [7]. С диском соединён стержень, который является сердечником индуктивного измерительного преобразователя. Система диск-стержень радиальными пружинами связана с корпусом. Такой ИПР надёжно работает при пульсациях потока среды до 30 Гц и коэффициенте пульсаций 100%.

В следующую группу входят ИПР, в которых для повышения точности измерений и быстродействия применяется система силовой компенсации. В ИПР модели Nova фирмы Turbo-Werk Koln [8], используется плоская дисковая заслонка, установленная на одном из плеч рычага. На другое плечо рычага действует компенсационное усилие, создаваемое внешним источником энергии. Рычаг может уравновешиваться силой давления сжатого воздуха в сильфоне или силой втягивания сердечника в катушку электромагнита.

Тогда давление воздуха или сила тока в катушке служит мерой расхода жидкости.

Схема аналогичного ГД ИПР изображена на рис. 2. Круглая пластина, расположенная перпендикулярно потоку и воспринимающая его гидродинамическое давление, пропорциональное расходу, закреплена на одном конце двуплечевого рычага. К другому концу рычага, выведенного за пределы измерительного канала, прикладывается усилие компенсации, создаваемое электромагнитом. На конце рычага находится сердечник дифференциально-трансформаторного преобразователя перемещения, выполненного на Ш-образном сердечнике.

Существует другой вариант этой схемы (рис. 3), гдеИПР встраивается в колено трубопровода.

Сила тока в цепи электромагнита линейно зависит от расхода жидкости и является выходным сигналом ИПР. ИПР такого типа обладают более высокими динамическими характеристиками (частотная характеристика линейна вплоть до частот 70…80 Гц).

Наилучшими частотными свойствами обладают системы с жестко закрепленным диском или лопаткой, обтекаемые потоком (рис. 4).

В таких приборах измерение расхода сводится к определению усилия с которым поток воздействует на обтекаемое им тело. Динамические качества таких ИПР определяются динамическими качествами ЧЭ, способом крепления и формой тела обтекания, помещенного в поток. Вопросу определения оптимальной геометрии тела обтекания посвящено несколько работ [9] – [13]. Наиболее часто применяется тело обтекания в виде плоского диска или лопатки [9] – [11].

В [9] рассмотрено тело обтекания в виде сферического сегмента с множеством отверстий и зубчатыми краями, ориентированное вогнутой стороной навстречу потоку. Материал тела не влияет на величину коэффициента сопротивления потоку Cx. Применяются также тела обтекания в виде шероховатого шара [12]. Такое тело обтекания применяется в ИПР типа FS-700. Шар имеет сильно шероховатую поверхность, что позволяет уменьшить завихрения и сохранить постоянным коэффициент сопротивления потоку Cx. Шар укреплён с помощью двух пар струн, натяжение которых меняется в зависимости от скорости потока, и находится в потоке. Струны возбуждаются электромагнитным вибратором и колеблются с собственной резонансной частотой, которая является функцией натяжения струны.

Аналогичная конструкция описана в [13]. Отличительной особенностью является то, что шар укреплён на конце стержня, соединяющего две взаимно перпендикулярные пластинки. На каждой пластинке по обе ее стороны прикреплены проволочные тензорезисторные преобразователи.

ГД ИПР с жестко закреплённым телом обтекания обладают рядом положительных качеств, к которым относятся:

• широкий диапазон измерений;
• высокое быстродействие (собственная частота составляет до 2 кГц);
• независимость оказаний от статического давления в трубопроводе;
• хорошая повторяемость результатов измерений;
• высокая точность (погрешность не превышает 1%);
• простота прибора;
• малые габариты;
• отсутствие механического трения.

К недостаткам следует отнести следующее:

• нелинейность градуировочной характеристики;
• наличие тела обтекания в потоке, что приводит к изменению эпюры скоростей после ИПР.

Несмотря на отмеченные недостатки, рассматриваемый ИПР с успехом может применяться для измерения постоянных и быстропеременных расходов.

Отличительными особенностями представленных ранее схем ИПР гидродинамического типа являются:
форма обтекания, способы его закрепления и преобразования измеряемой информации в выходной сигнал. Эти особенности обуславливают различные метрологические характеристики рассматриваемых ИПР.

Большинство из представленных конструкций ИПР гидродинамического типа имеют невысокий частотный диапазон измерения, обусловленный малой частотой свободных колебаний (до 70 Гц).

Кроме того, ИПР, имеющим подвижные узлы, присущи погрешности, вызванные люфтами и трением в элементах конструкции.

Существуют недостатки и в предложенных способах передачи информации о перемещении упругих элементов (УЭ) под действием сил гидродинамического напора. Так, при передаче вращательного или поступательного движения необходимо применять уплотняющие устройства, позволяющие герметизировать полость измерительного канала при высоком давлении в трубопроводе. В этом случае возникает существенное силовое воздействие на подвижные части ИП, которое снижает динамические характеристики ИПР, что исключает их применение для измерения высокодинамических расходов жидкости.

Наиболее приемлемыми для рассматриваемых условий являются ГД ИПР с жестко закреплённым диском или лопаткой, в которых процесс измерения сводится к определению перемещения, деформации или угла закручивания УЭ под воздействием гидродинамической силы потока жидкости. Такие ИПР разработаны в Национальном техническом университете Украины «КПИ» [14] – [16].

Они обладают высокими динамическими свойствами (частота свободных колебаний достигает до 2 кГц), позволяющие измерять массовый высокодинамический расход жидкости с погрешностью не превышающей 1,5%, простотой конструкции, высокими надёжностью и повторяемостью результатов измерений, отсутствием механического трения, независимостью показаний от статического давления в трубопроводе, широким диапазоном измерений.

Основным конструктивным элементом таких ИПР является УЭ консольного типа с телом обтекания (рис. 5).

Деформация поверхностных слоёв такого УЭ, воспринимающего воздействие гидродинамического напора движущегося потока измеряемой среды. Наиболее приемлемыми для преобразования возникающих динамических деформаций свободных поверхностей УЭ в электрический сигнал, при измерении высокодинамических массовых расходов жидкости, являются тензорезисторные измерительные преобразователи, соединённые в мостовую схему.

Также ГД ИПР могут с успехом применяться для измерения расхода энергоносителя в системах теплоснабжения. ■

Литература
1. Wasson R. Mass flow metering // Meas and contr. — 1972. — 5. — № 12. — P. 479-786. 2. Жуковский А.Е. и др. Испытания жидкостных ракетных двигателей. — М.:Машиностроение, 1981. — 1999 C.
3. Владиславлев А.П., Якубович В.А. Методы и приборы для измерения параметров динамики трубопроводных систем. — М.: Недра, 1981.—
353 C.
4. Le Copteur de pression dinamique Eiffel-Romani // Exposition capteurs frans. — 1974, Textes conf.— Bagneux. 5a. — P. 77-89.
5. Bond A. Flowmeters for every accasion // Process Eng.— 1975. — Apr.,C. 91-94.
6. All-mefal flowmeter // FEN. — 1973. — 8.— № 15. — P. 37-38.
7. Zabler E., Schorn D. Stauscheiben. Luftmengen messer fur schnell pulsieren de Durchflusse // Feinwerktechn Messtechn. — 1976. — 24. — № 3.
— C. 155-122.
8. NOVA. Durchflubmesser mit compensations mebwerk. «KUnststoff-Rundschan». — 1966. — 13.— №12. — P. 683-684.
9. Антипов И.А. и др. Измерение расхода флота- ционных реагентов и пульпы гидродинамическим методом // Контроль и технология процессов обогащения полезных ископаемых. — М.: Недра, 1971. — Вып. 3. — C. 67-68.
10. Shioda Ken. Mass flow meter. Kukai no Kenko.— Mach — 1980. — 32. — № 4. — P. 467-772. 11. Nones F.P., Felton G.L. Accurate flow measurement
with torget flow transmitters. Adv. Instrum. — Pittsburgh, Pa.— 1973. — Vol 28 (Part 4). — 816. — P. 1-816.
12. Neuer Stromungsmesser oline rotierende // Tcile Messtechnik. — 1971. — № 7. — 79 P.
13. Амсперов В.Г. Использование двухкомпонентного тензометрического датчика для определения для определения пульсаций потоков гидросмеси // Труды Азерб. НИИ водных проблем. — 1968.— № 1 — C. 28-36.
14. Коробко І.В., Гришанова І.А., Сергєєв С.П. Витратомір // Патент України. — 2000. — № 30463 А.
15. Коробко І.В., Гришанова І.А., Сергєєв С.П. Витратомір //Патент України. — 2000. — № 30464 А.
16. Коробко І.В. Визначення коливальної маси чутливого елементу вимірювального перетворювача витрат гідродинамічного типу // Праці
Таврійської державної агротехнічної академії.— Мелітополь, 2003. — Вип. 4 (т. 22) .— C. 87-93.