 |
Разновидности турбинных преобразователей
|
|
|
|
Указания по эксплуатации турбинных преобразователей
Аксиальные турбинки весьма чувствительны к направлению движения потока, поэтому в большинстве случаев на входе, а иногда и на выходе в их конструкции предусматриваются неподвижные лопатки, направляющие поток параллельно оси трубы. Изменением угла наклона хотя бы одной из этих лопаток можно воздействовать на частоту вращения турбинки. Несмотря на присутствие струевыпрямителей, турбинные расходомеры нельзя устанавливать рядом с местными сопротивлениями.
Наибольшее влияние на показания турбинных преобразователей расхода оказывают местные сопротивления, создающие сильное одностороннее пережатие потока, а также сопротивления, вызывающие винтовое движение. Тем не менее, прямой участок трубы между местным сопротивлением и турбинным преобразователем, равный всего 10D, в большинстве случаев оказывается достаточным для снижения влияния местного сопротивления до пренебрежимо малого значения. Применение мелкоячеистых сеток и других типов турбулизаторов на входе перед турбинным преобразователем оказывается также весьма эффективным для устранения деформаций потока, вызываемых местными сопротивлениями.
Изменение пространственной ориентации (вертикальная или горизонтальная установка) изменяет условия работы подшипников и поэтому может оказать влияние на градуировочную зависимость. Однако большинство конструкций турбинных расходомеров малочувствительны к изменению пространственной ориентации.
Большое значение не только для стабильности статической характеристики турбинного преобразователя расхода, но и для обеспечения длительного срока его службы имеет надежная работа опор. Условия их работы весьма тяжелые — высокая частота вращения турбинок, доходящая до нескольких сотен оборотов в секунду, и отсутствие в большинстве случаев подачи смазки к подшипникам. Поэтому смазывающая способность измеряемого вещества весьма желательна. Но у сухих газов и кислот она полностью отсутствует. Изменение смазывающей способности измеряемой жидкости может оказывать влияние на характеристику расходомера. Так, при переходе от воды к керосину (вязкости их близки друг к другу) наблюдалось возрастание частоты вращения турбинки, особенно это проявлялось в переходной зоне при уменьшении расхода.
|
|
|
Механические примеси недопустимы. Испытания показали, что при работе на мазуте подшипники турбинных расходомеров РВН быстро выходили из строя. Если момент трения в подшипниках составляет небольшую часть от общего момента сопротивления, то замену износившихся подшипников можио делать даже без переградуировки расходомера. Но если момент трения существен, то постепенное изнашивание подшипников будет влиять на показания. В этих случаях необходимо проводить периодическую проверку градуировки расходомера.
Изменение температуры и давления, сопровождающееся изменением плотности и вязкости измеряемого вещества, будет влиять на градуировочную характеристику, главным образом у газов. Так, изменение плотности вызывает изменение движущего момента и сказывается на показаниях расходомера, особенно при малых числах Re. С уменьшением плотности уменьшается частота вращения турбинки и возрастает порог чувствительности приблизительно обратно пропорционально квадратному корню из отношения плотностей. Так, при испытании одного преобразователя его показания на гелии по сравнению с показаниями на воздухе снизились при Qmax на 2,5 %, а при 20% Qmax даже на 7 %.
Разновидности турбинных преобразователей
|
|
|
Рис.9. Различные типы турбинок: аксиальные при малом (а) и большом (б) диаметрах; тангенциальные со светоотражательными пластинками (в), в многоструйных водосчетчиках (г), в одноструйных водосчетчиках с полуцилиндрическими лопастями (е) и с лопастями полушаровой формы (ж)
Аксиальные турбинки имеют винтовые лопасти с переменным по высоте углом подъема винтовой линии. Попытка применения плоских лопастей при измерении расхода вязких сред привела к ухудшению линейной характеристики. Но при измерении расхода газа и жидкостей с малой вязкостью их применение целесообразно. Схема аксиальной турбинки для труб небольшого диаметра показана на рис.9,а. Непосредственно на ступице установлены несколько лопастей (4—6), которые реализуют значительную часть винтовой линии. Ось турбинки вращается в подшипниках скольжения. В турбинках средних размеров применяют как подшипники скольжения, так к шарикоподшипники. При больших диаметрах (рис.9, б) число лопастей возрастает до 20—24, но длина их по винтовой линии очень мала. Лопасти укрепляются на ободе, который соединяется со ступицей диском или ребрами. Поэтому высота их составляет небольшую долю (0,1DB) диаметра турбинки. Подшипники обычно шариковые, оси могут быть как неподвижные, так и вращающиеся.
Конструкции тангенциальных турбинок более разнообразны. В большинстве случаев (рис.9, в, г, д) поток жидкости одной общей струей поступает тангенциально к турбинке. В серийных одноструйных водосчетчиках применяется турбинка с плоскими раднально расположенными плоскостями (рис.9, д). На рис.9, в показана особая конструкция маленькой турбинки также с плоскими радиальными лопастями, на торцах которых расположены пластины, служащие для отражения луча, падающего от осветителя на фотоэлемент тахометрического преобразователя. Иногда для измерения расхода газа в трубах очень малого диаметра применяют турбинки с лопастями полушаровой формы (рис.9, ж).
Во избежание одностороннего изнашивания опор в одноструйных водосчетчиках применяют многоструйные водосчетчики, у которых вода поступает на радиальные лопасти турбинки тангенциально в виде нескольких отдельных струй (рис.9, г) через косые отверстия, равномерно расположенные в кольце, охватывающем турбинку.
|
|
|
В трубах большого диаметра иногда применяют турбинки, занимающие незначительную часть площади поперечного сечения потока и измеряющие местную скорость. Обычно они бывают аксиального типа. Но известны случаи применения турбинки особого типа, состоящей из двух полуцилиндрнческих лопастей, сдвинутых относительно друг друга и имеющих сечение, показанное на рис.9, е. Ось этой турбинки перпендикулярна к потоку.
87 УСТРОЙСТВО ТАХОМЕТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ У ТУРБИННЫХ РАСХОДОМЕРОВ http://www.aspekt-vent.ru/news.php
Тахометрический преобразователь служит для преобразования частоты вращения турбинки в измерительный сигнал, обычно электрический частотный. Преобразователь создает тормозящий момент, препятствующий вращению турбинки. Нужно, чтобы этот момент был возможно меньше во исбежание вредного влияния на линейность градуировочной зависимости и увеличения зоны нечувствительности. Это требование особенно важно при измерении расхода газа и при малых диаметрах турбинки, когда движущий момент незначителен.
Измерение электрического сигнала низкой частоты затруднительно из-за необходимости применять усилители переменного напряжения, у которых коэффициент усиления резко уменьшается в области низких частот. Отсюда возникает ограничение на наименьшую частоту измерительного сигнала. Тахометрические преобразователи делятся: • на индукционные преобразователи • индуктивные преобразователи • фотоэлектрические преобразователи • оптические преобразователи.
Индукционные (генераторные) преобразователи основаны на создании вращающейся турбинкой пульсирующего тока в обмотке, расположенной с внешней стороны трубы из диамагнитного материала, с последующим измерением частоты или ЭДС этого тока. Обмотка, в которой генерируется ток, обычно представляет собой катушку, ось которой - перпендикулярна к трубе. Катушка имеет большое число витков тонкой проволоки. Внутри нее помещен железный сердечник из магнитомягкого материала, например, пермаллоя или магнит. В первом случае в ступице турбинки находится магнит. При вращении турбинки поле этого магнита пересекает витки катушки, генерируя в них пульсирующий ток. При необходимости повысить частоту тока увеличивают число катушек, расположенных снаружи, или же число магнитов. Так, в одной конструкции турбинка снабжена кольцевым ободом, утопленным в кольцевом пазе в стенке корпуса. В ободе помещены с равным шагом несколько десятков маленьких магнитов, каждый из которых, проходя мимо катушки, генерирует импульс тока. Если же магнит помещен внутри катушки, то тогда или лопатки турбинки изготовляют из ферромагнитного материала, или в ее ступице помещают из аналогичного материала пластинку либо штифт с осью, перпендикулярной к оси трубы. Каждый из этих магнитопроводов при вращении турбинки изменяет поле магнита.
|
|
|
Иногда обмотку, в которой генерируется ток вращающимся магнитом, выполняют не в виде прямой катушки, а тороидально, наматывая проволоку на кольцевой сердечник из пермаллоя, отделенный от турбинки диамагнитной стенкой. При этом можно увеличить амплитуду сигнала и избавиться от торможения покоя при симметрии магнитной цепи.
Индуктивные преобразователи основаны на изменении индуктивности наружной обмотки в зависимости от изменения сопротивления ее магнитной цепи, происходящего при вращении турбинки. Индуктивная катушка с железным сердечником, отделенная от турбинки диамагнитной стенкой, питается от особого генератора током сравнительно высокой частоты в несколько килогерц. Во время вращения турбинки при проходе лопастей или других ее элементов из ферромагнитного материала мимо катушки изменяется сопротивление ее магнитной цепи, а значит, и ее индуктивность. Это вызывает периодическое изменение силы тока в обмотке катушки и соответствующее изменение выходного напряжения. При этом на выходе получается высокочастотный сигнал, модулированный по амплитуде. Глубина модуляции постоянна.
Демодулятор выделяет из этого сигнала огибающую с постоянной амплитудой, но с переменной частотой, пропорциональной частоте вращения турбинки. Амплитуда сигнала тем больше, чем больше разность сопротивлений магнитной цепи, но тем больше и тормозной момент Мп. Его структура отличается от структуры момента у индукционного преобразователя: отсутствуют потери энергии в электрической цепи контура, но потери от вихревых токов и от перемагничивания ферромагнитных масс могут быть больше вследствие высокой частоты тока питания. Для уменьшения суммарных активных потерь рекомендуется применять для изготовления турбинки порошкообразные магнитомягкие материалы (например, ферриты).
|
|
|
Фотоэлектрические тахометрические преобразователи основаны на появлении пульсирующего электрического напряжения в цепи фотоэлемента в результате периодического прерывания вращающейся турбинкой луча света, падающего на фотоэлемент. Частота пульсации напряжения в ц - епи фотоэлемента пропорциональна вращению турбинки. Такие преобразователи не создают никакого тормозящего момента, но устройство их сложнее, чем индукционных или индуктивных. Они применяются главным образом при измерении расхода газа, но иногда и жидкости, например, при небольших диаметрах турбинки или при измерении быстропеременных расходов. Обычно осветитель (электрическая лампочка) и фотоэлемент устанавливаются с разных сторон турбинки и отделяются от измеряемого вещества прочными стеклами. В теле турбинки делается одно или несколько отверстий, которые при вращении турбинки создают периодическое освещение фотоэлемента светом, падающим от осветителя. Для получения высокой частоты фототока служат разные средства. Для этой цели применено зубчатое колесо, каждый зуб которого модулирует луч света, падающий на фотоэлемент. В другом расходомере применены три фотоэлектрических преобразователя, каждый из которых состоит из лампы, фотосопротивления и двух оптических призм, отделяющих фотосопротивления и лампы от жидкости. Фотосопротивления смещены относительно друг друга на 120°. Применение фотоэлектрических преобразователей для непрозрачных жидкостей затруднительно, но возможно. Тангенциальная турбинка имеет отражательные пластинки на концах лопастей. Над турбинкой, ось которой горизонтальна, помещено прочное стекло, за которым расположены осветитель и германиевый фотодиод. При вертикальном положении лопасти турбинки луч света отражается от пластинки на конце лопасти и освещает фотодиод. Слой жидкости между концом лопасти и стеклом очень тонок и не мешает процессу отражения.
Оптические тахометрические преобразователи, как и фотоэлектрические, основаны на перио- дическом прерывании лопастями турбинки светового луча. От источника инфракрасного излучения (светодиод), находящегося в приемно-передающем блоке световой поток вводится в центральный световод пучка из семи кварц-полимерных световодов диаметром 0,4мм, образующих волоконно-оптическую линию связи, и далее через гермоввод падает на торец очередной лопасти турбинки. Отражаясь от нее, световой поток через гермоввод попадает на торцы шести периферийных световодов волоконно-оптической линии связи и затем на светочувствительный элемент блока. В качестве гермоввода применяется градан-стержень из кварца с градиентным распределением по радиусу коэффициента преломления, который имеет свойства цилиндрической линзы
88 конструкции расходомеров и счетчиков с аксиальной турбинкой
преобразователи с аксиальной турбинкой, предназначенные для разнообразных измерений: • малых расходов в - трубах, имеющих D = 4-8мм • расхода этилена при давлении 250МПа • расхода глинистых растворов при давлении 70 МПа • расхода в прямом и обратном направлении • измерения неустановившихся потоков и т. п. Погрешность преобразователя с аксиальной турбинкой можно снизить до 0,2-0,25%. Расходомеры и счетчики с тангенциальной крыльчаткой В большинстве случаев тангенциальная крыльчатка применяется для измерения расхода или количества жидкости, обычно воды в трубах небольшого диаметра.
Уже много лет широкое применение имеют счетчики жидкости воды, аксиальная турбинка которых через шестеренчатый редуктор связана со счетным механизмом. Ранее они нередко именовались счетчиками Вольтмана, с горизонтальной или вертикальной осью. Их констуркция неоднократно модернизировалась. Вода поступает в турбинку, пройдя через струевыпрямитель, в ребрах которого укреплен обтекатель, содержащий передний подшипник оси турбинки. У струевыпрямителя одна из лопастей может поворачиваться при вращении регулировочного винта, который затем закрывается крышкой и пломбируется. Задний подшипник вместе с упорным, выполненным в виде регулируемого винта с агатовым наконечником и червячной парой, передающей вращение от турбинки паре сменных шестерен, заключены внутри кронштейна. В нем же находятся и опоры вертикальной оси червячного колеса. Размещение этих опор в одной детали позволяет устранить биение оси и быстрый износ зубчатых колес, имевший место в прежних конструкциях. Шестерня вращает магнитную полумуфту, отделенную водонепроницаемой диамагнитной перегородкой от второй магнитной полумуфты, соединенной с редуктором, и через последний со счетным роликовым механизмом, имеющим стрелочный указатель. Общее передаточное число редуктора 1-88,25. В отличие от более старых конструкций - здесь не только счетный механизм, но и редуктор отделены от воды, а благодаря применению магнитной передачи нет трения оси, связывающей редуктор и счетный механизм, в сальниковом уплотнении. Турбинные расходомеры, которые получают все более широкое распространение и конструктивно отличаются от турбинных водосчетчиков. У них нет механической связи между турбинкой и счетным механизмом, поэтому момент сил трения у них много меньше. Это позволяет снизить погрешность преобразования расхода в частоту вращения турбинки до ±(0,3-0,5)%. Характерная особенность этой конструкции — применение ступенчатой втулки, внутри которой вращается турбинка. Втулка изменяет проходное сечение на уровне средней части лопастей турбинки так, что передняя часть лопастей оказывается в канале с большим проходным сечением, чем задняя. В результате при уменьшении расхода ламинарный режим в передней части будет наступать раньше, чем в задней части. Это способствует сохранению постоянства момента вязкого трения и увеличению диапазона измерения в области малых чисел Re. Максимальная частота выходного сигнала, создаваемого магнитоиндукционным преобразователем равна 500-50Гц. Выходной сигнал на нагрузке 3кОм не менее 25мВ.Их применяют для труб диаметром от 10 до 25мм. Для труб диаметром от 32 до 100мм устройство опорного узла несколько видоизменено. В ступице турбинки размещены два шарикоподшипника, из которых один радиально-упорный. При этом турбинка вращается вокруг неподвижной оси.
|
|
|
