Файл: Бошняк, Л. Л. Измерения при теплотехнических исследованиях.pdf

центром тяжести шарика, /Свх — расстояние от оси камеры закру­ чивания до оси входного отверстия.

Исследования, проведенные в НИИтеплоприбор, над преобразо­ вателями подобного типа показывают, что у изученных моделей отсутствует область, в которой можно было бы считать величину |3 постоянной. Для шариковых преобразователей с винтовым напра­ вляющим аппаратом по типу рис. 148, г

L = SH„ = 2nr0S tg О,

где 5 — площадь живого сечения потока в камере закрутки; Яи — ход винтовой нарезки направляющего аппарата; 0 — угол между направлением скорости потока и фронтом решетки направляющего

шарика.

На основе исследований НИИтеплоприбора разработан нормаль­ ный ряд расходомеров типа «Сатурн», предназначенных для измере­ ния расходов нейтральных и агрессивных жидкостей, чистых и с твердыми включениями. Приборы рассчитаны на пределы измере­ ния от 0—2,5 до 0—250 м3/ч, при избыточном давлении в трубопро­

сываются уравнением (XI.29), которое целесообразно представлять в виде, формально совпадающим с уравнением апериодического эле­

Моменты сопротивления, учитываемые коэффициентом а3, обычно малы, и их влияние на динамические процессы в расходомере — ничтожно. Поэтому при анализе инерционных свойств преобразова­ телей и связанных с ними динамических погрешностей можно пола­ гать

Зависимость постоянной времени от измеряемого расхода, под­ твержденная многочисленными экспериментами, определяет труд­ ности исследования динамических ошибок тахометрических преобра-

362

зователей. Во всех случаях плавного изменения расхода Q (t) ин­ теграл уравнения (XI.36) не выражается через элементарные функ­ ции. Постоянная времени действительно постоянна лишь при мгно­ венном изменении расхода от 0 до уровня Qy. На этом свойстве тахометрических преобразователей основаны экспериментальные методы определения Т, подробно описанные в [18 и 19].

Особый практический интерес представляет определение сред­ него значения динамической ошибки при измерении расхода, пульсирующего по закону

котором ясно выражена указанная особенность динамической ошибки. При гармонических пульсациях расхода величина средней динами­

где Тср — значение постоянной времени, соответствующее среднему расходу Qcp.

Постоянная времени Т характеризует инерционность преобра­ зования расход—частота вращения ротора, но не полностью опи­ сывает динамические искажения сигнала датчика, которые зави­ сят от инерционности ротора и частотной модуляции сигнала. По­ скольку невозможно определить частоту сигнала за время меньшее, чем его период, то для уменьшения динамических искажений сигнала датчика необходимо, чтобы за время одного периода сигнала изме­ нения расхода были бы незначительны. А это означает, что при одном и том же значении Т меньшие динамические искажения будут в том датчике, частота вращения которого выше. В многополюсных вторич­ ных тахометрических преобразователях частота сигнала / = гп,

363

одного оборота 1 In, так как периоды сигнала в пределах одного оборота могут отличаться друг от друга из-за технологических по­ грешностей деления окружности ротора на z частей. Универсальной характеристической величиной, учитывающей обе причины динами­ ческих искажений, может служить величина LT, равная частоте вращения ротора за время Т

Действительно, за 1 с можно произвести не более п отсчетов значе­ ния частотно-модулированного сигнала. Но согласно теореме Ко­ тельникова (см. п. 1, гл. IV) любая непрерывная функция с ограни­ ченным по частоте спектром может быть представлена ее дискрет­ ными значениями, отстоящими друг от друга на интервал корреля­ ции. В преобразователях тахометрических расходомеров интервал корреляции равен постоянной времени Т, следовательно, нет необ­ ходимости производить за 1 с отсчетов сигнала больше, чем 1 IT. Для того чтобы частотная модуляция сигнала не ограничивала дина­ мические возможности преобразователя более чем инерционность ротора, необходимо соблюдать неравенство п > ИТ, которое обе­ спечивается при

= ИД rt > 1 •

Поскольку

JL _ _Р_ Л ____£ з \

то

2J

cD2SHp ’

откуда следует, что LT зависит от режимов течения, геометриче­ ских параметров преобразователя, момента инерции присоединен­ ной массы и плотности измеряемой жидкости. В нормальном диапа­ зоне работы р «=! const и для большинства конструкций можно пола­ гать LT <=&const. Физически параметр Lr может быть трактован по разному: произведение LTSH имеет размерность объема и определяет количество жидкости, проходящее через преобразователь за Т се­ кунд; произведение LTH представляет собой расстояние, проходи­ мое частицей потока за 1 с. Величину LT удобно использовать для вычисления средней динамической ошибки при пульсирующем рас­ ходе. Воспользовавшись (XI.39), формулу (XI.38) можно переписать в виде

364

пульсаций расхода. По этой формуле построена универсальная номограмма, приведенная на рис. 155, позволяющая оценивать вели­ чину ожидаемой погрешности бсР для любых тахометрических преоб­ разователей при известных значениях LT.

В настоящее время наряду с сужающими устройствами крыль- чато-тахометрические расходомеры чаще других типов приборов применяются при научных исследованиях. При относительной про­ стоте их конструктивных схем и доступности изготовления в усло­ виях неспециализированного производства конструктивное испол­ нение датчиков чрезвычайно многообразно [72, 18]. Габариты корпуса и технологичность конструкции во многом зависят от типа применяемого вторичного преобразователя. Наименьшие габариты

Рис. 155. Универсальная номограмма для определения ошибки измерения тахометрическим расходомером среднего значения пульсирующего расхода

достигаются при использовании тахометров с элементом Холла. Широкое распространение получили индукционные и оптические измерители частоты вращения роторов. Несмотря на то, что индук­ ционные тахометры оказывают значительное тормозящее воздей­ ствие на ротор, им отдается предпочтение в тех случаях, когда тре­ буется унификация вторичных преобразователей для датчиков раз­ личных размеров. Оптические системы: отражательная или про­ свечивающая требуют изготовления части корпуса из прозрачного материала и дополнительного источника питания осветителя, что не всегда удобно по эксплуатационным соображениям.

В качестве возбудителей сигналов вторичных преобразователей, часто используются лопасти крыльчатки ротора. В преобразователях больших размеров встречаются крыльчатки с лопастями, выполнен­ ными из разнородных по магнитной проницаемости материалов или с небольшими различиями в размерах (лопасть-модулятор может иметь выступ или отверстие). Преобразователи средних калибров, как правило, имеют крыльчатки с одинаковыми лопастями, создаю­ щими несколько импульсов за один оборот. В преобразователях малых расходов размеры и массы лопастей недостаточны для воз­ буждения сигнала, поэтому в таких конструкциях модулятор чаще

365

всего располагается в ступице ротора. Роторы преобразователей, обычно сборные, выполняются из легких материалов (алюминиевые сплавы, пластмассы и т. п.), а их оси — из материалов повышенной износостойкости. С целью повышения устойчивости ротора центр давления следует располагать за центром тяжести ротора в напра­ влении движения потока.

Наименее удовлетворительно решается вопрос о типе и конструк­ ции подшипниковых узлов ротора. Условия работы микроподшип­ ников в тахометрических преобразователях чрезвычайно тяжелы. Частоты вращения роторов колеблются от 1500 дО 35 000 об/мин и более; смазка осуществляется только измеряемыми средами, боль­ шинство из которых для этого просто не пригодны (кислоты, крио­ гены, сухие газы и пр.). Подшипники испытывают большие нагрузки, вызванные неравномерностью воздействия потока и дисбалансом масс ротора.

На рисунках табл. 32 представлены типичные схемы расположе­ ния опор роторов. В преобразователях малых расходов используются подшипники скольжения из часовых камней, графита или фторопла­ ста; в преобразователях средних калибров (до 60—80 мм) устана­ вливаются пластмассовые подшипники скольжения или специаль­ ные шарикоподшипники; в крупных преобразователях— стандартные

Недостаток всех типов подшипников заключается в непостоян­ стве момента трения и интенсивности износа подшипников, вызываю­ щем дрейф статических характеристик и ограничивающим ресурс работы. Поэтому при эксплуатации расходомера приходится при­ бегать к частому повторному градуированию, что еще более сокра­ щает полезный срок службы. Стабилизация характеристик преобра­ зователей возможна при использовании гидравлической разгрузки опорных подшипников или при отказе от опор и выполнении роторов в виде полностью уравновешенных плавающих элементов.

366