Тахометрические расходомеры с температурной коррекцией плотности. Примеры схемной реализации.

Одна из схем расходомера мгновенного расхода представлена на рис. Здесь вращение крыльчатки 1 измеряется тахогенератором перем. тока 2. Сигналы частоты вращения f, пропорциональные объемной скорости потока Q_v() передаются на блок формирования БФ, на выходе которого получаем напряжение, пропорциональное Q_v. Для измерения плотности ρ служит мост 3, в одно из плеч которого включен конденсатор C_x, помещаемый в поток жидкости (топлива).

Емкость конденсатора зависит от температуры, а, следовательно, от плотности жидкости. Зависимость плотности ρ от емкости можно представить в виде C=k₁×S×ρ/d,

где  = ., ε₁ – диэлектрическая постоянная; ρ – плотность, гр/см³; S – площадь обкладок, м²; d – расстояние между обкладками, м. Сигнал, пропорциональный ρ, передается на движок потенциометра R₃, где происходит перемножение сигналов Q_v и ρ. В схеме усилителя Ус 2 и двигателя Д ₂ происходит усиление и отработка сигнала массового расхода.

Турбосиловые расходомеры с приводом от потока и с внешним приводом, математические модели.

Турбосиловые расходомеры с внешним приводом

Схемы основных турбосиловых расходомеров с внешним приводом (с электроприводом) представлены на рис.12,а–и.

Первые две схемы (рис.12,а,б)относятся к расходомерам, у которых вращается лишь ротор 1, связанный с электроприводом.

Ротор же 2 закручивается на угол φ, зависящий от сил, создающих противодействующий момент. Как видно из рис.12,а;момент создается при закрутке пружины 3. По такой схеме работали первые конструкции турбосиловых расходомеров. Герметизированный электродвигатель с ротором в виде постоянного магнита помещен внутри входного патрубка в обтекаемом кожухе. Его вал через зубчатую передачу вращает ротор 1, снабженный каналами для прохода жидкости. Угол φ, на который поворачивается ротор 2,воспринимается преобразователем угла поворота, связанным с ротором 2 магнитной муфтой. Если считать, что момент, действующий на ротор 2, определяется уравнением (9), то, обозначая жесткость пружины 3 через с, получим зависимость угла поворота φ от расхода Q_м.

Следующие пять схем (рис.12,в–ж), относятся к расходомерам, у которых непрерывно вращаются оба ротора.

На схемах, (рис.12,в,г) к ведомому ротору 2 приложены противодействующие моменты M_п, создаваемые тормозным диском 3, взаимодействующим с неподвижными магнитами (рис.12,в) или же гистерезисной муфтой 3 (рис.12,г).

 

Рис. 12. Схемы основных турбосиловых расходомеров с электроприводом

В первом случае постоянный тормозной момент равен

где к – коэффициент пропорциональности; ω_р – угловая скорость ведомого ротора, об/мин. Во втором случае гистерезисная муфта образует постоянный тормозной момент M_п, не зависящий от ω_р. В обоих случаях скорость вращения; ω_р ротора 2будет меньше скорости вращения ω ротора 1 и к ротору 2 со стороны жидкости будет приложен момент, определяемый по формуле:

Приравнивая этот момент моменту , найдем зависимость между ω_р и расходом Q_м в случае применения тормозного диска

Таким образом, путем измерения ω_р с помощью тахометрического преобразователя 4можно судить о расходе Q_м. Но здесь нет пропорциональности между ω_р и Q_м, хотя по мере уменьшения отношения зависимость между ω_р и Q_м делается не более линейной.

В случае применения гистерезисной муфты (рис.12,г), у которой противодействующий момент M_п = const, возможно несколько измерительных схем. Если ограничиться лишь измерением скорости вращения ω_р ротора 2,то получим зависимость

Шкала такого прибора нелинейна и будет иметь подавленный нуль. Измерение возможно лишь при расходах  Более целесообразна схема, при которой измеряется разность скоростей (ω–ω_р) ведущего 1 и ведомого 2 роторов с помощью тахометрических преобразователей 4 и 5. Частота

импульсов f и f_p, вырабатываемых ими, пропорциональна ω и ω_р, а именно:  и , где – коэффициент пропорциональности. Подставляя значения f и f_p вместо ω и ω_p в уравнение (14), получим

где  – период биения частот  f и f_p. Здесь Q_м пропорционально T.

Возможна еще и третья измерительная схема, при которой скорость ротора 1 автоматически регулируется так, чтобы крутящий момент М на этом роторе был равен тормозному моменту M_п, т. е. чтобы удовлетворялось уравнение .При этом скорость вращения ω первого ротора будет мерой расхода Q_м, но шкала будет гиперболической со всеми присущими ей недостатками. При этой схеме ведомый ротор 2 практически неподвижен.

В схеме расходомера, (рис.12,д) ведущий 1 и ведомый 2 роторы связаны между собою пружиной 3 и вращаются с одинаковой скоростью. Крутящий момент закручивает пружину 3,имеющую жесткость с на угол φ, определяемый из уравнения.

(18)

Угол φ равен угловому сдвигу роторов относительно друг друга. Для измерения этого сдвига снаружи трубы устанавливаются тахометрические преобразователи 4 и 5, а роторы снабжаются отметчиками из магнитомягкого материала. Измеряется промежуток времени Δt между двумя смежными импульсами преобразователей 4 и 5. Если T – время одного оборота роторов, то  а так как  то, следовательно,

Подставляя отсюда значение φ в уравнение (18), получим

Поэтому расход Q_м оказывается пропорциональным Δt как при синхронном  так и при асинхронном двигателе, при котором скорость ω переменная и зависит от расхода. Электрические схемы измерения Δt довольно сложные. Схемы, аналогичные показанной (рис.12,д),нашли применение у расходомеров, роторы которых приводятся во вращение за счет потенциальной энергии потока (рис.13). Сложность измерительной схемы компенсируется у них простотой преобразователя расхода.

Схемы (рис.12,е,ж)предназначены для измерения расхода веществ (например, жидких топлив) с сильно изменяющейся вязкостью. В схеме (рис.12,е)один электродвигатель приводит во вращение ротор 1 через пружину 3и независимо от него ротор 2 через пружину 4.Первый по ходу потока ротор 1 нагружен крутящим моментом M и моментом сопротивления M_с1 (от вязкости жидкости и от трения в подшипниках). Ротор 2 нагружен только моментом сопротивления M_с2. Поэтому угол закрутки j пружины 3 будет больше угла закрутки φ₂ пружины 4. При равенстве жесткостей обеих пружин и равенстве моментов сопротивления M_с1 = M_с2 угловой сдвиг роторов  измеряемый с помощью тахометрических преобразователей 4 и 5, какбыло разъяснено выше, оказывается пропорциональным расходу Q_м. В схеме (рис.12,ж)каждый из роторов вращается от своего электродвигателя, Первый по ходу потока нагружается суммой моментов M_в + M_с2 , авторой только моментом M_с2. При равенстве моментов M_с1 и M_с2 и одинаковых электродвигателях разность мощностей ΔN =N₁ – N₂ потребляемых электродвигателями, определяется уравнением  т. е. будет пропорциональна расходу Q_м.