Для осьових перетворювачів при б = 0 ця формула не має змісту.

У витратомірі для контролю нафти й нафтопродуктів, перемикання п'єзоелементів з випромінювання на прийом виробляється за допомогою мультивібратора, що управляє модуляторами задаючого генератора. Особливий генератор створює синусоїдальну напругу низької частоти, з якого в тригерному пристрої утворюються прямокутні імпульси. Задній фронт цих імпульсів служить для включення мультивібратора.

Є витратоміри, у яких ультразвукові коливання частотою 2,1 МГц протягом 500 мкс поширюються назустріч один одному зі зсувом фази на 180°, після чого мультивібратор перемикає п'єзоелементи з режиму випромінювання на режим прийому. В інших витратомірах перемикання виробляється особливим генератором, що створює сигнали двох форм. Один із сигналів включає генератор, що збуджує коливання п'єзоелементів, другий сигнал перемикає п'єзоелементи на прийом. Прийняті коливання після посилення перетворяться в імпульси прямокутної форми. Після проходу через детектор зсуву фаз ширина імпульсів на виході пропорційна цьому зсуву. На виході після випрямлення маємо напругу постійного струму, пропорційну витратам. Частота коливань 4,2 МГц, частота перемикання п'єзоелементів 4,35 кГц. Кут нахилу п'єзоелементів 30°. Діаметр труби 100 мм.

Через складність більшості схем перемикання пьезоэлементов з випромінювання на прийом створені фазові одноканальні витратоміри, що не вимагають перемикання. У таких витратомірах обидва п'єзоелементи безупинно випромінюють ультразвукові коливання двох різних, але досить близьких частот, наприклад 6 МГц і 6,01 Мгц. Більш прості електронні схеми мають двоканальні фазові витратоміри. На рис. 1.18. показана схема приладу, призначеного для вимірювання витрати рідин у трубах, що мають D, рівний 100 і 200 мм, і розрахованого на Q_mах рівне 30; 50; 100; 200 і

Рис. 1.18. Схема фазового ультразвукового витратоміра

300 м³/год. Частота 1 МГц, максимальна різниця фаз (2-2,1) рад. Похибка витратоміра ±2,5%. Генератор Г з допомогою узгоджуючих трансформаторів, зв'язаний з п'єзоелементами П1 і П2. Ультразвукові коливання, випромінювані останніми, проходять через рідинні хвилеводи 1, мембрани 3, герметично вмонтовані в стінки трубопроводу, проходять через вимірювану рідину 2 і потім через мембрани 5 і рідинні хвилеводи 6 надходять на приймальні п'єзоелементи П1 і П2. Останні на виході з'єднані з фазометричною схемою в складі фазорегулятора ФВ; двох однакових підсилювачів В1 і В2, керованих вузлами автоматичного регулювання АРУ1 і АРУ2; фазового детектора ФД і вимірювального приладу (потенціометра) РП. Фазорегулятор ФВ призначений для регулювання початкової точки фазового детектора й коректування нуля. Наведена похибка витратоміра ±2,5%.

Фазові витратоміри були раніше найпоширенішими серед ультразвукових, але в цей час переважне застосування мають частотні витратоміри, за допомогою яких можна одержати більше високу точність вимірювання.

Частотні ультразвукові витратоміри

Частотними називаються ультразвукові витратоміри, засновані на залежності різниці частот повторення коротких імпульсів або пакетів ультразвукових коливань від різниці часу Дф проходження цими коливаннями тієї самої відстані L в напрямі потоку рідини, що рухається, або газу й проти нього.

Як тільки перші електричні коливання, створювані п'єзоелементами П1 і П2, пройшовши через підсилювачі У1 і У2 і детектори Д1 і Д2, досягнуть модуляторів Ml і М2, останні, працюючи в триггерному режимі, замикають прохід коливань від генератора Г до п'єзоелементів U1 і U2. Модулятори відкриваються знову, коли останні коливання досягнуть їх. Тому між п'єзоелементами U1 і U2 будуть проходити пакети акустичних коливань із періодом проходження 2T₁, а між п'єзоелементами U2 і U2 - з періодом проходження 2Т₂. Частота проходження перших пакетів f₁ - 1/2T₁, а других f₂ = 1/2Т₂. Прилад, підключений до змішувального каскаду СМ, буде вимірювати різницю частот

f₁ - f ₂ = l/2T₁, - l/2Т₂ (1.23)

Рис. 1.19. Частотно-пакетний двоканальний витратомір

а - схема витратоміра; б-коливання на тракті И1-П1, в-коливання на тракті И2-П21,

г-робота модулятора М1; д - робота модулятора М2

На рис. 1.20. наведена схема, у якій виміряється різниця частот двох керованих генераторів, періоди яких за допомогою автоматичного підстроювання частоти встановлюються в k раз меншими часу поширення ультразвукових коливань у напрямку швидкості потоку й проти її. Перетворювач витрат одноканальний має п'єзоелементи 1 і 2, до яких по черзі надходять імпульси: до першого від генератора 4 з періодом повторення Т₁, а до другого від генератора 8 з періодом повторення Т₂. Час проходження акустичних імпульсів у трубопроводі в напрямку потоку ф₁ і проти нього ф₂ в k раз більше періодів Т₁ і Т₂ відповідно. Тому в потоці одночасно буде знаходитись К імпульсів. При посилці акустичних імпульсів в напрямку потоку комутатор 5 одночасно підключає п'єзоелемент 1 до генератора 4, а п'єзоелемент 2 до підсилювача прийомних сигналів 6. При зворотній посилці імпульсів генератор 8 підключається до п'єзоелементу 2, а підсилювач 6 до п'єзоелементу 1. З виходу підсилювача 6 імпульси надходять на вхід дискримінатора часу 10, на який одночасно через комутатор 9 надходять імпульси від генератора 4 або 8, що створюють опорну напругу на дискримінаторі. Напруга на виході дискримінатора дорівнює нулю, якщо імпульси від підсилювача 6 надходять одночасно з імпульсами від генераторів, що буде, якщо ф₁ = kT₁ і ф₂ = kТ₂. У протилежному випадку на на виході дискримінатора виникне напруга, полярність якої залежить від того, випереджають чи відстають від опорних імпульси від підсилювача 6. Ця напруга через комутатор 11 подається через підсилювачі до реверсивних двигунів 3 або 7, які змінюють частоту імпульсів генераторів 4 і 8 доти, поки напруга на виході дискримінатора стане рівним нулю. Різниця частот імпульсів F₁ - F₂, що виробляється генераторами 4 і 8, виміряється частотоміром 12. Очевидно,

F₁ - F₂ = F₁ (f₁ - f₂), (1.24)

де f₁ = 1/ ф₁; f₂ = 1/ ф_2; F₁ = 1/T₁ = k / ф₁; F₂ = 1/T₂ = k /ф_2.

Рис. 1.20. Схема одноканального частотного витратоміру

Зі збільшенням k зростає вимірювана частота F_t - F₂, але k повинен задовольняти нерівності k?c_mіm/2 (с_тах - c_mіn). Останнє вимагає, щоб значення k залишалося постійним при можливій зміні швидкості ультразвуку від мінімального с_min до максимального с_mах його значення. При визначенні f₁ і f₂ необхідно, щоб f₁ і f₂ ураховували також і час проходження акустичних коливань у мембрані й звукопроводі, а також час ф₃ затримки в електричній схемі. У моменти зміни витрат час ф₃ зростає за рахунок часу, необхідного для включення двигунів і зміни T₁ і Т₂ до необхідних значень.

Інший шлях множення різностної частоти f_x - f₂ складається у вимірюванні різниці частот F_t - F₂ двох генераторів високої частоти, з яких в один період T₁ коливань пропорційний часу х₁ проходу акустичних коливань в напрямку потоку, а в іншого Т₂ - пропорційний часу ф₂ проходу акустичних коливань проти потоку. Після проходу через пристрій поділу через кожні 6 мс посилають два імпульси, розділені часом ф₁ або ф₂. Перший імпульс проходить по потоку (або проти нього) і після посилення надходить на схему порівнювання, куди подається також другий імпульс, який не проходить через акустичний тракт. Якщо ці два імпульси надходять не одночасно, то включається пристрій, що регулює частоту одного F₁ або іншого F₂ генератора, поки на схему порівняння не будуть приходити обидва імпульси одночасно. А це буде тоді, коли період цих імпульсів буде дорівнювати ф₁ або ф₂. Похибка вимірювання витрати не перевищує ±1%.

Одноканальний частотно - імпульсний витратомір, особливість якого складається у включенні в схему електричної затримки всіх прийнятих, а також відбитих сигналів на час ф₃. Це зсуває моменти приходу робочих імпульсів стосовно часу приходу паразитних відбитих імпульсів і усуває похибку від асиметрії фронтів накладення відбитих сигналів на робочі. Для збільшення терміну служби витратоміра в ньому є другий запасний акустичний канал.

У розглянутих одноканальних частотно-імпульсних витратомірах є почергова комутація імпульсів, що направляються в напрямі потоку й проти нього. Це вимагає точного вимірювання й запам'ятовування частот автоциркуляції імпульсів в напрямі потоку f₁ і проти нього f₂ з наступним виміром різниці f₁ - f₂. Крім того, неодночасне зондування в напрямі потоку й проти нього може дати похибку через зміну гідродинамічних властивостей потоку. Цих недоліків позбавлений одноканальний витратомір, у якому одночасно циркулюють імпульси в напрямі потоку й проти нього. Для виключення моменту збігу випромінювання й прийому ультразвукових імпульсів п'єзоелементом виробляється по черзі відносний зсув - затримка - у часі кожної послідовності імпульсів. Частота цих затримок пропорційна швидкості потоку.

При цьому виключаються великі похибки, властиві способам запам'ятовування частот автоциркуляцій ультразвукових сигналів в напрямі потоку і проти нього з наступним виділенням сигналу частоти різниці. Наведена похибка витратоміра не перевищує ±0,5%.

Висока точність виміру досягається також в одноканальному частотно-пакетному витратомірі, де автоматичне підстроювання частоти керованих генераторів здійснюється не в одному, а у двох каналах елемента порівняння опорного сигналу із сигналами, що надходять від п'єзоелектричних перетворювачів. Перший канал - часовий дискримінатор - робить грубу, а друга - фазовий детектор - більше точне підстроювання частоти. Наведена похибка витратоміра ±0,2%; Q_max = 40 м³/год; ДF_max = 2875 Гц.

Є схеми одноканального частотно-імпульсного витратоміра з одночасною циркуляцією імпульсів в обох напрямках. У приладі вимірюється різниця частот двох генераторів ДF, що за допомогою двох дільників частоти й системи автопідстроювання частоти стає в 100 разів більше різниці частот Дf акустичних імпульсів, що циркулюють у потоці. Такий метод вимірювання називається кратно-частотним.

Часоімпульсні ультразвукові витратоміри

Часоімпульсними називаються ультразвукові витратоміри, у яких вимірюється різниця часу Дф переміщення коротких імпульсів по напрямку потоку й проти нього на довжині шляху L. Ця різниця Дф зв'язана із середньою швидкістю х рівнянням Дф = 2Lх cos б/с². Якщо L = D/sin б, то Дф = 2Dх ctg б/с². Для осьових перетворювачів б = 0 і Дф = = 2Lх/c².

Значення Дф дуже мале: 10^-6 -10^-7 с, а похибка виміру повинна бути не більше 10^-8-10^-10 с. Часоімпульсні витратоміри в більшості випадків одноканальні й працюють на дуже коротких імпульсах тривалістю 0,1-0,2 мкс, що посилаються назустріч один одному по черзі або одночасно із частотою, наприклад 0,5 кГц.

На рис. 1.21. наведена спрощена схема одногоканального часоімпульсного витратоміра. Генератор Г створює імпульси, що мають амплітуду 700 В, тривалість 0,2 мкс і частоту проходження 800 Гц, які за допомогою вібраторів В1 і В2, що працюють із частотою 400 Гц, подаються по черзі до п'єзоелементів П1 і П2. Останні посилають у рідину швидко загасаючі ультразвукові імпульси (рис. 1.21),), а вібратори В1 і В2 включають зарядні пристрої ЗУ1 або ЗУ2. Від генератора Г одночасно надходить імпульс до п'єзоелементу П1 і імпульс до тригера ЗУ2, установлюючи його в активний стан провідності. При цьому включається пристрій З2, що виробляє пилкоподібну напругу протягом часу ф₁ проходження ультразвуку через вимірювану речовину. Максимальне значення U цієї напруги пропорційну ф₁. У момент приходу ультразвукового імпульсу до п'єзоелементу П2 пристрій З2 відключається. У такий же спосіб за час ф₂ проходу ультразвукового імпульсу проти потоку від П2 до П1 пристрій З1 виробляє напругу U₂, пропорційне ф₂. Різниця напруг U₂ - U_t вимірюється пристроєм ИУ. Такий цикл повторюється 400 разів у секунду.

Рис. 1.21. Схема одно канального часоімпульсного витратоміра:

а - схема витратоміра; б-робота вібраторів; в, г-імпульси, що сприймаються і випромінюються п'єзоелементами П1 і П2 відповідно; д, е - робота пристроїв, що виробляють напругу.

В часоімпульсному витратомірі для підвищення динамічних характеристик і усунення можливості появи похибки від асиметрії на два п'єзоелементи одночасно подаються короткі імпульси, що збуджують ультразвукові коливання, що рухаються назустріч один одному. Після досягнення ними протилежних п'єзоелементів в останніх утворюються електричні імпульси, які разом з імпульсами від генератора проходять через підсилювачі й формувачі, після чого надходять у пристрій, що виробляє напругу, пропорційну Дф.

Ультразвукові витратоміри з корекцією на швидкість звуку й густина вимірюваної речовини

Розглянуті ультразвукові витратоміри служать для вимірювання об'ємної витрати. Для вимірювання масової витрати треба мати окремий додатковий п'єзоелемент, що збуджується на резонансній частоті, який посилає акустичні коливання у вимірювану речовину. Напруга, що знімається з нього, пропорційна питомому акустичному опору речовини сс, якщо останній багато менший опору генератора. Помноживши електричний сигнал А_р, створюваний цим п'єзоелементом, на сигнал А_о, пропорційний об'ємній витраті, одержимо на виході сигнал, пропорційний масовій витраті. Подібний пристрій, застосований у витратомірі з акустичними коливаннями, перпендикулярними до руху потоку, наведено далі на рис. 1.22.

Для усунення похибки від зміни швидкості ультразвуку с у вимірюваній речовині у фазовому і часоімпульсному витратомірах застосовують особливі схеми корекції. Для цієї мети встановлюється додаткова пара п'єзоелементів на протилежних кінцях діаметра трубопроводу. Час t_с проходження акустичних коливань між ними зворотно пропорційний швидкості с. Відповідний коригувальний вимірювальний сигнал А_с пропорційний с^-1. Він зводиться у квадрат і на нього ділиться основний сигнал А витратоміра, пропорційний х/c². Очевидно, що результуючий сигнал А/A_с² буде пропорційний швидкості х і не буде залежати від швидкості ультразвуку с. На рис. 1.22. дана схема подібного одноканального фазового витратоміру Програмний пристрій ПУ забезпечує почергову подачу від генератора Г електричних коливань частотою 1/3 МГц до п'єзоелементам П1 і П2 через комутатор К. Прийняті коливання від цих п'єзоелементів надходять через комутатор К, прийомний пристрій Л і перетворювач частоти Ч2, що знижує частоту до 1/3 кГц, у вимірювач ИФ зсуву фази між ними й вихідними коливаннями, що надходять від генератора Г через перетворювач частоти Ч2. Пристрій И вимірює різницю зсуву фаз, пропорційну різниці часу ф₂ - ф₁ проходження ультразвуку в напрямі потоку ф₁ і проти нього ф₂, і виробляє сигнал А, пропорційний х/с².

Рис. 1.22. Схема фазового одноканального витратоміра з корекцією на швидкість вуку

П'єзоелементи ПЗ і П4 мають свій генератор-підсилювач ГУ й виробляють сигнал А_с, пропорційний часу проходження ультразвуку між ними й, отже, пропорційний с^-1. У пристрої И_к відбувається розподіл сигналу А на квадрат сигналу А_с, і у вимірювальний прилад ИП надходить сигнал, пропорційний швидкості х. За даною схемою побудований прилад для для виміру витрати нафти Q_max = 1200 м³/год при в'язкості 2*10^-6 -2:10^-5 м²/з і температурі 10°С. Його відносна похибка 1%.

Є схеми з компенсацією впливу швидкості ультразвуку для часоімпульсних витратомірів.

Висока точність вимірювання є однією з основних вимог до витратомірів. Також важливим є забезпечення незалежності вимірювання від густини речовини. Незалежність результатів вимірювання від зміни густини можна зробити двома шляхами:

1) застосування приладів, що вимірюють масові витрати, покази яких не залежать від густини речовини. До таких приладів відносяться теплові і силові витратоміри.

2) впровадження об'ємних витратомірів, зокрема змінного перепаду тиску; забезпечення пристроями для автоматичної корекції показів на зміну густини або, хоча би на зміну тиску і температури. Особливо необхідні такі прилади для вимірювання витрат газу.

Швидкість обробки інформації приладу визначається його хорошими динамічними характеристиками, необхідними для можливого вимірювання швидкозмінних витрат, а також у випадку застосування приладу в системі автоматичного керування. Швидкість обробки інформації оцінюється значенням постійної часу Т. Чим менше Т, тим більша швидкість обробки інформації приладу. У витратомірів із звужуючими пристроями час Т зменшується разом зі зменшенням довжини з'єднувальних трубок, зі збільшенням граничних перепадів тиску Др_max дифманометра, а також зі зменшенням його вимірюваного об'єму V_u. Збільшення довжини з'єднувальних трубок збільшує інерційність витратомірів. Дуже швидкодіючими є електромагнітні, ультразвукові і турбінні витратоміри. Так у останніх час Д Т вимірюється сотими і тисячними долями секунди.

Великий діапазон вимірювань є одним з переваг витратомірів. У приладів з лінійною характеристикою цей діапазон, тобто відношення максимальних вимірюваних витрат до мінімальних дорівнює 8ч10. У витратомірів з поворотною лопастею діапазон вимірювань досягає 15 і навіть більш. У витратомірів із звужуючими пристроями внаслідок квадратичної залежності між витратами і перепадом тиску діапазон вимірювань дуже малий. Він дорівнює 3ч4. Підвищити його до 10 можна шляхом підключення до звужуючих пристроїв двох дифманометрів, що мають різні Др_max.

Надійність наряду з точністю є однією з основних вимог, що висуваються перед витратомірами. Вона залежить як від будови приладу, так і від його призначення і умов застосування Турбінний витратомір призначений для відносно короткочасної роботи, тому діаметр осі турбінки можна вибирати дуже малим. Внаслідок цього знижується момент тертя в підшипниках і зростає точність вимірювань. Цього не можна робити в витратомірах, які призначені для тривалої експлуатації. Вони повинні мати завищений діаметр осі, що забезпечує надійну роботу приладу на протязі багатьох років, навіть якщо при цьому не буде досягнена така висока точність вимірювання, як в першому випадку. Далі у турбінних витратомірів треба враховувати змащувальну здатність вимірюваної речовини. Якщо її немає, то прилад швидко виходить з ладу. На нафтопродуктах витратоміри можуть надійно працювати тривалий час. Одним із шляхів, що підвищують надійність цих приладів є створення безопорних конструкцій. Другий шлях полягає в заміні турбінки кулькою. Кулькові витратоміри надійно працюють в важких умовах експлуатації.

Суттєве значення для забезпечення надійної роботи багатьох витратомірів, особливо камерних, має очистка від механічних домішок або, хоча би фільтрації вимірюваної речовини.

І, звичайно, абсолютно недопустима робота витратомірів на середовищах, по відношенню до яких, які-небудь елементи приладу не є корозійно стійкими.

Для витратомірів характерна широка номенклатура вимірюваних речовин одних рідин з різними властивостями, в тому числі агресивних, абразивних, токсичних, вибухонебезпечних.

Витрати вимірюються самої різної величин від дуже малих до надзвичайно великих. Для рідин вимірюються витрати від 10^-2 кг/год. до 10⁷-10⁸ кг/год., а для газів - витрати від 10^-4 кг/год. до 10⁵-10⁶ кг/год.

Найбільші труднощі виникають при вимірюванні дуже малих і надзвичайно великих витрат. В цьому випадку застосовуються особливі методи вимірювання. Для вимірювання незначних витрат розроблені струйні витратоміри змінного перепаду тиску, а для дуже малих - прилади, основані на частоті обліку капель речовини або бульбашок газу. При вимірювання дуже великих витрат води на зрошувальних системах застосовується парціальний метод вимірювання витрат.

Витрати вимірюються при самих різних тисках і температурах. Діапазон тисків, при якому повинні працювати витратоміри простягаються від достатньо глибокого вакууму до тисків, що вимірюються тисячами атмосфер. Також широкий і діапазон температур. Дуже низькі температури - від -200 до 250°С мають місце при вимірюванні витрат рідкого кисню і водню в кріогенній техніці. Найбільш високі температури 600-800°С зустрічаються при вимірюванні витрат горючих газів, а також розплавлених металів, які застосовуються як теплоносії на атомних електростанціях.

Врахування тиску середовища вирішується шляхом надання корпусу приладу належної товщини. При дуже низьких і дуже високих температурах підходять далеко не всі методи із-за виникнення специфічних труднощів.

Крім того, багато труднощів появляється при градуюванні і повірці приладів при тисках і температурах, що не відповідають умовам роботи.

Сучасні методи і прилади для вимірювання витрат.

На сьогодні витратоміри поділяються на нвступні системи:

1. Змінного перепаду тиску: із звужуючим пристроєм; з гідравлічним опором; центробіжним, з попарними підсилювачами, струйні.

2. Змінного рівню: з затопленим отвором витікання; з отвором витікання типу водозливу (щілинні).

3. Обтікання: постійного перепаду тиску (ротаметри, поплавкові, поршневі); поплавкові, пружинні, з поворотною лопастею.

4. Тахометричні: турбінні (з аксіальною турбінкою, з тангенціальною турбінкою; кулькові; камерні (поршневі, дискові, з кільцевим поршнем, з овальними колесами, роторні, лопастні і ковшові).

5. Силові з зовнішнім і внутрішнім силовим впливом, коріолісові, гіроскопічні, турбосилові.

6. Силові перепадні.

7. Вихрові: з тілом, що обтікається; з лопатками, що закручують потік.

8. Теплові: калориметричні, з зовнішнім нагрівом, термоанемометричні.

9. Електромагнітні.

10. Ультразвукові: із зміщенням коливань рухомого середовища; доплеровські.

11. Оптичні, основані на ефектах Фізо-Френеля і Доплера.

12. Концентраційні.

13. Міточні.

14. Ядерно-магнітні.

15. Іонізаціонні.

16. Кореляційні.

17. Вібраційні.

18. Парціальні.

Із перерахованих систем витратомірів силові-перепадні, ядерно-магнітні і іонізаційні мають дуже обмежене застосування. Оптичні витратоміри знаходять застосування майже виключно при науково-дослідних роботах, а вібраційні і кореляційні знаходяться в стадії дослідної експлуатації.

2. Види авіаційних витратомірів

Прилади, призначені для виміру миттєвої або середньої витрат рідин і газів в одиницю часу, називаються витратомірами. На літаках витратоміри застосовуються для виміру витрат палива, споживаного авіаційними двигунами, а також для виміру витрат повітря у двигунах і герметичних кабінах.

Для виміру сумарної кількості палива за певний час (наприклад, за час польоту) застосовуються підсумовуючі витратоміри. Ці прилади складаються із властиво витратоміра, що вимірює витрати в одиницю часу, і інтегруючого пристрою, що забезпечує підсумовування сигналів, пропорційних витратам.

Підсумовуючі витратоміри в більшості випадків показують не витрачене, а кількість, що залишається, палива, тому їх показання дублюють показання паливомірів. У порівнянні з топливомерами витратоміри більше надійні і їхні показання не залежать від положення літака в просторі.

З виразу для миттєвої об'ємної витрати

Q = SV (2.1.)

і миттєвої вагової витрати W

W = гQ = ySV (2.2.)

рідин або газів ваговою густиною г, що протікають через перетин S трубопроводу зі швидкістю V, dвитікає, що виміри витрат можна звести до вимірів величин г, S і V (або S і V). У багатьох випадках одна з величин S або V залишається постійною, тоді вимір витрати можна звести до виміру величини V при постійній S або навпаки.

Швидкість потоку можна виміряти й непрямими методами, наприклад, вимірюючи динамічний тиск рідини (газу), зв'язаний зі швидкістю рівнянням Бернуллі. На цьому принципі засновані, зокрема, дросельні витратоміри, застосовувані для виміру витрат повітря в герметичних кабінах літаків.

У табл. 2.1а наведена класифікація методів виміру витрати палива.

Об'ємні:

1. Поршневі. 5. Ковшеві.

2. Дискові. 6. Зубчаті.

3. Чашечні. 7. Гвинтові.

4. Лопастні.

Змінного перепаду:

1. З приймачем повітряного тиску.

2. З трубкою Вен тури.

3. З соплом.

4. З діафрагмою.

Швидкісні:

1. З крильчаткою.

2. З вертушкою.

3. З поршнем.

Змінного перетину:

1. З заслінкою.

2. З диском.

3. По нагріву.

Теплові: по тепловіддачі.

Витрати палива необхідно вимірювати з великою точністю. Потужність поршневих і турбогвинтових двигунів і тяга турбореактивних двигунів пропорційна витраті палива за одиницю часу. Оскільки для підтримки заданої швидкості польоту відхилення тяги двигуна не повинне перевищувати ±2%. Приблизно такі ж вимоги пред'являються до точності вимірювання сумарної витрати.

Так як витратоміри палива включаються в паливну магістраль, то до них пред'являються високі вимоги відносно гідравлічного опору при нормальній роботі й при відмові приладу. У першому випадку перепад тиску на датчику витратоміра не повинен перевищувати 0,15 кГ/см², а в другому - 0,20 кГ/см².

2.1 Дросельні витратоміри

Принцип дії дросельних витратомірів заснований на вимірі швидкості в дросселированном (стислому) перетині потоку рідини. Різниця тисків вимірюють диференціальним манометром (рис. 2.1.).

Рис. 2.1. Схема дросельного Рис. 2.2. Конструкція діафрагми

витратоміра

Залежність об'ємних Q і вагових W витрат нестисненої рідини від різниці тисків р₁-р₂ визначається виразами:

(2.3)

(2.4)

де у - густина рідини, g - прискорення сили ваги, л - коефіцієнт витрат, що залежить від густина рідини, типу й розмірів дроселя, характеру витікання через дросель і т.д.

У дросельних витратомірах у якості дроселюючи пристроїв використовуються діафрагма, сопло і трубка Вентури.

Діафрагма (рис. 2.2.) являє собою тонкий круглий диск із отвором, концентричним трубопроводу. З боку входу рідини отвір має гостру кромку, а далі розточений на конус із кутом 45°. Витратоміри із дросельними пристроями у вигляді діафрагми вимагають градуювання в робочих умовах.

Сопло як дросельний елемент (рис. 2.3.) застосовується при вимірюванні витрати повітря й газів. Розміри сопел стандартизовані.

Рис. 2.3. Конструкція сопла Рис. 2.4. Трубка Вентури

Трубка Вентури (рис. 2.4.) складається із двох конічних трубок, з'єднаних вузькими частинами між собою. Діаметри широких частин дорівнюють діаметру труби, по якій тече рідина.

Як покажчики в дросельних витратомірах застосовуються диференціальні манометри.

Витратоміри із трубкою Вентури застосовуються для визначення вагових витрат повітря, що подається в герметичну кабіну літака. Трубка Вентури витратоміра монтується в живильній магістралі. Покажчиком витратоміра є прилад (рис. 2.5.), що сприймає сигнали трубки Вентури 1.



Рис. 2.5. Кінематична схема приладу й принципова схели його з'єднання із трубкою Вентури: 1 - трубка Вентури; 2 - манометрична коробка; 3 - центр руомий; 4 - вісь кривошипа; 5 - вісь; б-поводок; 7 - анероїдний блок; 8 - сектор; 9 - трубка; 10 - стрелка; 11 - волосок; 12 - корпус приладу

Для одержання градуйовочної формули витратоміра повітря зневажимо несуттєвою залежністю коефіцієнта л від відношення тисків р₁/р₂ і припустимо, що температура повітря постійна. Тоді для вагової витрати одержимо

(2.5)

Звідси видно, що для виміру вагових витрат повітря необхідно виміряти абсолютний тиск р₁ і перепад тисків р₁ - р₂, перемножити ці сигнали й витягти квадратний корінь. Покажчик витратоміра (рис. 2.5.) містить манометричну коробку 2 для виміру різниці р₁ - р₂ і анероїдний блок 7 для виміру абсолютного тиску р₁. Анероїдний блок включений у передавальний механізм, що забезпечує одержання операції множення. Лінійність шкали виходить за рахунок вибору закону зміни передаточного числа по куту повороту.

Шкала витратоміра проградуйована від 1 до 10 умовних одиниць витрат. Похибка приладу при нормальній температурі не перевищує ±1,5 поділок шкали.

2.2 Швидкісні витратоміри

Принцип дії швидкісних витратомірів заснований на залежності швидкості обертання крильчатки, поміщеної в потік рідини, від швидкості потоку. (рис. 2.6).

Рис. 2.6. Крильчатка швидкісного витратоміра

Якщо крильчатка не навантажена то швидкість її обертання пропорційна швидкості потоку й об'ємним витратам рідини. Отже, у швидкісних витратомірах вимір витрати зводиться до виміру швидкості обертання крильчатки. Якщо замість швидкості обертання вимірювати кут повороту вала крильчатки, то одержимо величину, пропорційну сумарній витраті рідини за час обертання крильчатки.

Швидкість обертання крильчатки залежить не тільки від величини витрат, але також від в'язкості рідини, тому зі зміною в'язкості (при зміні температури або сорту палива) показання приладу будуть мінятися.

Щоб не було спотворення показань приладу крильчатка повинна бути ненавантажена, безпосередній вимір швидкості обертання механічними приладами неможливий. Кутова швидкість обертання перетворюється в електричний сигнал за допомогою індуктивного датчика, переривника або спеціального тахогенератора. Отриманий електричний сигнал у вигляді імпульсів напруги або струму подається на покажчик приладу.

У витратомірах миттєвих витрат в якості покажчиків застосовуються сельсинні передачі й прилади магнітоелектричної системи, а у витратомірах сумарних витрати - електромагнітні лічильники імпульсів.

Швидкісні витратоміри миттєвих витрат. Швидкість обертання ненавантаженої крильчатки пропорційна швидкості потоку, тобто

(2.6)

де k₁ - коефіцієнт, який залежить від параметрів крильчатки

Рис. 2.7. Кінематична схема витратоміра:

1 - крильчатка; 2 - магніт; 3 - термомагнітний шунт; 4 - кожух;

5 - чутливий елемент-склянка; 6 - пружини; 7 - сельсин-датчик

Для побудови приладів, що вимірюють об'ємні або вагові витрати, необхідно виміряти швидкість обертання крильчатки щ і передати отримане значення на покажчик, установлюваний на приладовій дошці. Інакше кажучи, швидкісний витратомір миттєвих витрат включає вимірник швидкості обертання, дистанційну передачу й покажчик.

Вимірювання кутової швидкості здійснюється магнітоіндукційним тахометричним вузлом (рис. 2.7.). Постійний магніт 2 вузли приводиться в обертання крильчаткою 1. Для зменшення температурних похибок застосований термомагнітний шунт 3. Герметичність датчика забезпечується застосуванням діамагнітного кожуха 4. При обертанні магніту в чутливому елементі 5 наводяться вихрові струми, взаємодіючі з полем магніту. Поворот чутливого елемента (склянки) обмежується протидіючою пружиною 6. Очевидно, кут повороту склянки пропорційний миттєвій витраті палива. На осі склянки знаходиться ротор сельсина-датчика 7 синхронної передачі. Сельсин-приймач поміщений у покажчику приладу, причому його ротор переміщує стрілку приладу відповідно до зміни миттєвої витрати палива.

Схема сельсинної передачі показана на рис 2.8. Обмотки збудження 1-1ґ і обмотки синхронізації 2 і 2' розміщені на статорі сельсина-датчика (С-Д) і сельсина-приймача (С-П). Циліндричний ротор сельсина складається із двох пакетів листової електротехнічної сталі, впресованих у пластмасу. Індуктуєма в синхронізуючих обмотках 2 і 2' ЕРС залежить від кутового положення роторів. При несинхронному положенні роторів виникає синхронізуючий момент, що встановлює ротор сельсина-приймача в положення, синхронне з ротором датчика.

Рис. 2.8. Схема сельсинної передачі швидкісного витратоміра миттєвої витрати

Шкала миттєвої витрати градуюється в кг/нас. Швидкісні витратоміри сумарних витрат. Вимір сумарних витрат палива зводиться до інтегрування за часом сигналів про миттєві витрати. Якщо крок інтегрування досить малий, то операція інтегрування може бути дискретної. Дискретне інтегрування може бути просто реалізоване в системах з імпульсними

перетворювачами, за умови, що частота імпульсів пропорційна швидкості обертання. У цьому випадку дискретне інтегрування зводиться до підрахунку числа імпульсів.

Для перетворення сигналів швидкості обертання в електричні імпульси в підсумовуючих витратомірах використовується індуктивно-імпульсний пристрій (рис. 2.9.), схема якого включає індуктивний міст, утворений індуктивностями L₁ L₂, L₃ і L₄, і тиратронний підсилювач. Котушка L₂ має постійну індуктивність, а індуктивність L₁ змінюється за рахунок обертання сердечника в зазорі магнітопроводу. Швидкість обертання сердечника пропорційна швидкості крильчатки.

Рис. 2.9. Електрична схема індуктивно-імпульсного пристрою

При зміні індуктивності L₁ рівновага мосту порушується й на його діагоналі з'являється напруга, частота якого дорівнює частоті живлячої напруги (400 Гц). Це напруга через випрямлячі Д₁ і Д₂ і фільтр R₂Сз подається на сітку тиратронної лампи, при цьому потенціал сітки стає негативним щодо катода.

Випрямляч зібраний по двохнапівперіодній схемі і на його виході відбувається подвоєння напруги.

Схема тиратронного підсилювача працює в таким чином. В анодне коло тиратрону, що живиться змінною напругою 48В 400 Гц, включена обмотка електромагніта лічильника. Коли міст урівноважений, та вихідна напруга на його діагоналі дорівнює нулю, тому на сітці тиратрону потенціал теж дорівнює нулю. Анодна напруга тиратрону 48В досить для його запалювання. Анодний струм, що протікає, викликає спрацювання електромагніту. При розбалансування моста на його вимірювальній діагоналі з'являється напруга, яка після випрямлення надходить на сітку тиратрону Потенціал сітки знижується, і тиратрон стає закритим. Таким чином, тиратрон буде запалюватися й закриватися відповідно до числа імпульсів, що надходять від індуктивно-імпульсного мосту.

Особливості схем і будови швидкісних витратомірів. На літаках знаходять застосування підсумовуючі витратоміри, комбіновані витратоміри, що вимірюють сумарні і миттєві витрати, і витратоміри об'єднані з ємностними паливо мірами.

Як приклад розглянемо підсумовуючий витратомір, установлюваний на винищувачах і призначений для виміру запасу палива на літаку. Із цією метою стрілка покажчика перед польотом установлюється за допомогою кремальєри на запас палива в баках.

У комплект приладу входять датчик 1, покажчик 2 і тиратронний переривник (підсилювач) 3 (рис. 2.10.). Принципова електрична схема приладу показана на рис. 2.11.

Котушки індуктивності L₁ і L₂, що становлять два плеча мосту, знаходяться в датчику витратоміра. Тиратронний підсилювач включає двохнапівперіодний випрямляч, що складається з двох германієвих діодів Д₁ і Д₂, конденсаторів С₁ і С_2, фільтр R₂C₃ і тиратронну лампу. В анодне коло тиратрону включена обмотка електромагніта ЕМ покажчика.

Будова і кінематична схема датчика витратоміра показані на рис. 2.12. і 2.13.

Рис. 2.10. Витратомір:

/ - датчик; 2 - прилад, що показує; 3 - тиратронний переривник

Корпус 1 датчика має патрубки 2 і 3 для приєднання до паливної магістралі. Паливо через напрямний апарат 4 попадає на крильчатку 5. При витраті палива 16 000 л/год. крильчатка розвиває 2400 об/хв. Крильчатку можна переміщати в осьовому напрямку, що при конічній формі каналу дозволяє міняти швидкість обертання. Через черв'ячну передачу (див. рис. 2.13), розташовану усередині напрямного апарата, крильчатка обертає із сповільненням в 30 разів втулку зі сталевим сердечником 7, розташованим усередині захисного ковпачка 8 з діамагнітного матеріалу. Індуктивні котушки 9 і 10 зі сталевими сердечниками 18 розміщені із зовнішньої сторони корпуса датчика й закриті захисним кожухом 14. Для початкового врівноважування містка передбачений магнітний шунт 13.

Робота датчика полягає в наступному.

Обертання крильчатки 5 передається сталевому сердечнику 7 індуктивного датчика 10. При обертанні сердечника періодично змінюється повітряний зазор а, отже, індуктивність котушки L₁. Котушка L₂ має постійну індуктивність. Зміна індуктивності L₁ приводить до розбалансу мостової схеми, і на тиратронний підсилювач подаються сигнали у вигляді імпульсів напруги.

В якості покажчика приладу застосовується лічильник імпульсів, що складається з електромагніта 1, який за допомогою собачки 3 повертає

Рис. 2.11. Принципова електрична схема витратоміра РТС-16А



Рис. 2.12. Конструкція датчика сумарної витрати:

1 - корпус; 1, 3 - патрубки; 4 - напрямний апарат; 5 - крильчатка; 8 - захисний ковпачок; 9 - котушки постійної індуктивності; 10 - котушки змінної індуктивності; 11 і 12 - основа; 14 - захисний кожух; 15 - штепсельний роз'єм; 17 - з'єднувальна гайка

Рис. 2.13. Кінематична схема датчика сумарної витрати:

5 - крильчатка; 6 - черв'ячна передача; 7 - стальний сердечник; 9 - котушки постійної індуктивності; 8 - захисний ковпачок; 9 - котушки постійної індуктивності; 10 - котушки змінної індуктивності; 13-магнітний шунт; 16 - підшипники; 18 - П - подібні стальні сердечники котушки храпове колесо 4 на один зуб при кожному замиканні кола. Стопорна собачка 5 охороняє колесо від провертання. Зворотна пружина 6 служить для регулювання зусилля повернення якоря. Редуктор, що складається із черв'яка 7, черв'ячного колеса 8, шестірні 9, фіксатора 10, шестерень 11, 12 і 13, передає обертання храпового колеса 4 на стрілку 14. Стрілкая переміщується в напрямку до нуля шкали 15 і в кожний момент часу показує запас палива в паливній системі одного двигуна.

Перевод стрілки приладу на поділку, що відповідає залитому запасу палива, виробляється кремальєрою 16, на осі якої укріплена шестірня 17. При переміщенні кремальєри в осьовому напрямку шестірня 17 приходить у зачеплення з шестірнею 11.

Підсумовуючий витратомір палива працює в діапазоні витрат від 900 до 16 000 кг/год. Похибки приладу при нормальних умовах не перевищують ±2,5%. Шкала підсумовуючого витратоміра градуюється в літрах.

Рис. 2.14. Кінематична схема показую чого приладу

Як приклад комбінованого витратоміру, що вимірює миттєві і сумарні вагові витрати, розглянемо наступний прилад.

Датчик витратоміра (мал. 2.15) включає крильчатку 1, що приводить в обертання тахогенератор змінного струму й магнітний комутатор. Тахогенератор включає постійний магніт 2 і статорну обмотку 8. Рух на комутатор 5 передається через черв'ячну передачу 3. Швидкість обертання комутатора вибирається такий, щоб частота модуляції індуктивності 6 при найбільшій витраті була на порядок менше частоти живлячої напруги. Індуктивність котушки 7 постійна.

Частота напруги на затискачах тахогенератора пропорційна швидкості обертання крильчатки, тобто миттєвій об'ємній витраті палива, а число імпульсів зміни індуктивності в котушці 6 за певний час дорівнює сумарній об'ємній витраті палива за той же час.

Рис. 2.15. Схема датчика витрат і густини:

1 - крыльчатка; 2 - постійний магніт; 3 - черв'ячна передача; 4 -ємнісний датчик густини; 5 - обертовий якір (переривник); 6 - котушка змінної індуктивності; 7 - котушка постійної індуктивності; 8 - обмотка тахогенератора

Для отримання миттєвих і сумарних вагових витрат необхідно помножити миттєві і сумарні вагові витрати на густину палива. Вимірювання густини здійснюється плоским конденсатором 4, ємність якого пропорційна густині:

(2.7)

поскільки , де - густина, - діелектрична постійна, S і D - площа обкладок і відстань між ними.



Рис. 2.16. Принципова електрична схема витратоміру:

; - тахогенератор; 2-блок підсилення і формуровання сигналів; 3-катодний повторювач, 4 - цетектор: 5 і 6-потенціометри; 7-резистори схеми для отримання опорної напруги; 8-датчик контрольних сигналів миттєвих витрат; 9-конденсатор датчика густини; 10-постійний конденсатор; 11 і 13-потенціометри; 12-перемикач ґатунку палива; 14-потенціометр для регулювання схеми вимірювання густини; 15-датчик контрольных сигналов плотности; 16-резистор; 17 и 18-потенциометры'; 19-редуктор; 20-реле; 21-електромагніт лічильника імпульсів; 22-диференціал; 23-стрілка; 24-датчик контрольних сигналів суммарного витратоміру; 25 - микровимикач корекції; 26-крильчатка і тахогенератор; У₁ У₂, У₃-підсилювачі; Д₁, Д₂, Д₃ - двигуни; М, и М₂-електромагнітні муфти; МУ-магнітний підсилювач і комутатор

Принципова схема витратоміра показана на рис 2.16. Для виміру об'ємної витрати палива V сигнал тахогенератора 1 подається в блок підсилення й формування (БУФ), де здійснюється підсилення сигналів, формування прямокутних імпульсів постійної амплітуди й перетворення останніх у сигнали постійного струму, усереднене значення яких пропорційне частоті сигналів тахогенератора. Ця напруга подається на потенціометр 5 и порівнюється з допомогою наглядової системи У₃ і Д₃, з опорною напругою на потенціометрі 6. Двигун Д₃ крім зрівноважування сигналів на потенціометрах 5 і 6, переміщає стрілку приладу й движок потенціометра в датчику 8 сигналу контролю.

Густина палива виміряється ємнісним датчиком 9, що поміщається в паливний трубопровід і включається в мостову схему, утворену конденсаторами 9 і 10 і потенціометрами 11 і 13. Зрівноважування мосту здійснюється наглядової системи, що включає підсилювач У₁ і двигун відпрацьовування Д₁. Перемикач 12 служить для підгонки схеми до гатунку палива, а потенціометр 14 - для регулювання шкали. Двигун Д₁ крім зрівноважування мосту, переміщує движок потенціометра 5 в схемі відпрацювання об'ємних витрат палива, здійснює тим самим корекцію миттєвих витрат на зміну густини палива, а також движок потенціометра 17 у схемі корекції сумарних витрат.

Рис. 2.17. Диференціальний витратомір

Вимірювання сумарних об'ємних витратпалива здійснюється схемою, що включає крильчатку й тахогенератор 26, магнітний підсилювач і модулятор МУ й електромагніт 21 із храповиком і диференціалом 22. Для внесення поправки на зміну густини палива служить наглядова система, що включає потенціометри 17 і 18, підсилювач У₂ і двигун відпрацювання Д₂, а також пристрій вмикання, до складу якого входять: мікровимикач 25, реле 20, електромагнітні муфти М, і М₂ і редуктор 19. Спрацьовування мікровимикача 25 здійснюється від кулачка в покажчику сумарних витрат через кожні 500 кг, при цьому реле 20 включає електромагнітні муфти M₁ або М₂. Якщо включено муфту М₁, то відбувається підключення мосту 17 і 18 до наглядової системи У₂ і Д_2, завдяки чому сигнал корекції на густину через редуктор 19 надходить на диференціал, а отже, і на покажчик сумарних витрат.

Діапазон вимірювання по шкалі миттєвих витрат - від 600 до 7000 кг/год. і шкалі сумарних витрат - до 25 000 кг.

Похибка приладу по миттєвих і сумарних витратах не перевищує ±2%. Вага приладу не більше 13 кг.

Диференціальний витратомір сумарної витрати (мал. 2.17) має два датчики сумарних витрат, що вимірюють витрати в паливних магістралях двох двигунів, дві вимірювальні схеми і один покажчик, стрілка якого показує запас палива з урахуванням його витрати в обидва двигуни.

Третій датчик ввімкнениий в магістраль заправки паливом і служить для визначення кількості палива при заправці літака. Вимірювальна схема цього витратоміра слідуюча. Електромагніт паливоміру заправки переміщує стрілку приладу в напрямку максимального запасу палива. Коли заправка закінчена, паливомір заправки не працює.

Похибки швидкісних витратомірів. Швидкісні витратоміри є приладами непрямого методу вимірювання, тому їм властиві методичні похибки. При градуюванні в об'ємних одиницях методичні похибки відсутні, тому що площа перетину S постійна. Але при градуюванні у вагових одиницях у миттєвих й у підсумовуючих витратомірах методична похибка виникає внаслідок зміни вагової густини щільності в при зміні температури або гатунку палива.

Похибки при заміні гатунку палива можуть досягати 5-6%. Вони враховуються поправочними графіками. На шкалах витратомірів звичайно вказується значення градуювання густини палива.

Методичні температурні похибки в діапазоні температур палива ±60° С досягають +3-4% і 5-10%. Для автоматичної компенсації цих похибок пропонується застосовувати чутливі елементи, що реагують на температуру палива, і подають компенсаційні сигнали в схему приладу. В якості таких чутливих елементів можуть застосовуватися ємнісні датчики, у яких діелектрична постійна е є функцією температури палива, і біметалічні компенсатори, сигнали яких можна використовувати для осьового переміщення крильчатки.

Інструментальні похибки швидкісних витратомірів складаються з похибок датчика, вимірювальної схеми й покажчика.

Похибки датчика обумовлені головним чином моментом навантаження М_н на крильчатку, що визначається моментом тертя в опорах, моментом рідинного М_ж опору й моментом від перетворювача сигналів М_пр, тобто