Принцип работы роторного расходомера или что такое турбинка

Разработка турбинного принципа измерения является результатом десятилетий интенсивных инноваций и улучшений к первоначальной осевого лопаточного принципа счетчиков, первого записи зафиксированы Woltman в 1790 году, в то время данный принцип применялся для измерения расхода воды.

Жидкость проходящая через корпус турбинного расходомера под своей силой заставляет вращаться крыльчатку, которая установлена в осевом направлении. Лопасти ротора (крыльчатки) расположены под углом, для преобразования энергии потока в энергию вращения. Ротор вращается на подшипниках. Если жидкость движется быстрее, ротор начинает вращение пропорционально быстрее. Скорость вращения крыльчатки воспринимается индуктивным датчиком. Индуктивный датчик при каждом обороте крыльчатки дает столько выходных электрических сигналов, сколько лопастей на крыльчатке или зубьев на зубчатом диске, поэтому частота индуцированного тока прямо пропорциональна скорости протекания контролируемой среды. Подаваемая датчиком частота служит информационным сигналом для суммирующего/считывающего устройства.

Принципиальная схема турбинных преобразователей:

1. Турбинка, 2. Магнит, 3. Сердечник, 4. Катушка

Разновидности турбинных преобразователей:

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)

 

Турбинные расходомеры применяются для измерения расхода жидкостей, газов и паров в трубах, таких как углеводороды, химические вещества, воды, криогенных жидкостей, воздуха и промышленных газов. Высокая точность измерения турбинных расходомеров делают доступным его для коммерческого учета углеводородов и природного газа.

Наглядное видео работы турбинных расходомеров:

Погрешность измерения.
В диапазоне измерения при заданном расходе максимальная разность между количеством импульсов на единицу объема и калибровочной постоянной прибора отнесённая к калибровочной постоянной прибора.
У жидкостей: при измерении жидкостей вязкостью 1-3 сsт ± 0,5 % от измеренной величины
У газов: если рабочее давление газа превышает 3 кгс/см2. нормальная плотность измеряемого газа больше, чем 0,65 кгс/см3 или если произведение этих двух данных больше 2 ±1 % от конечного значения диапазона.

Воспроизводимость
Внутри диапазона измерения, при заданной скорости отношение максимального расхождения между результатами повторных измерений к измеренной величине.
У жидкостей: при измерении жидкостей вязкостью 1-3 сst ±0,1 % от замеренной величины.
У газов: если рабочее давление газа превышает 3 кгс/см2, нормальная плотность измеряемого газа больше, чем 0,65 кгс/см3 или если произведение этих двух данных больше 2 ±0,2 % от конечного значения диапазона.

Максимальное рабочее давление.
Максимально допустимое рабочее давление в трубопроводах, при котором турбинный расходомер может работать, не повреждаясь В зависимости от размеров и способа присоединения с резьбовым присоединением /тип НВ/ при номинальном диаметре от б до 50 мм: 250 кгс/см2 Со специальным резьбовым присоединением для высокого давления /тип НВN/ при номинальном диаметре от 6 до 75 мм: 320 кгс/см2 С фланцевым присоединением /тип НF/ при номинальном диаметре от 6 до 50 мм: 250 кгс/см2 Или величина, ограниченная фланцами при номинальном диаметре от 75 до 250 мм: макс. 64 кгс/см2 Или величина, ограниченная фланцами со специальным фланцевым присоединением для высокого давления /тип НЕМ/ при номинальном диаметре от 6 до 75 мм: 320 кгс/см2 При диаметре 100 мм: макс. 250 кгс/см2.

Диапазон температур.
Нижний и верхний пределы температуры измеряемой среды, между которыми прибор может работать, не повреждаясь.
при шарикоподшипниках: макс,-50°С… 4-150 °С
при подшипниках из Тефлона: -150 °С…+150 ° С
при подшипниках из твердого сплава: -150°С…+250°С
свыше + 150 °С со специальным датчиком сигналов. Катушка датчика изготовлена из специального, теплостойкого провода.

Потери давления.
Дополнительные потери давления, вызванные турбинным расходомером в холодной воде. по отношению к гладкой трубе такой же длины. макс. 0,25 кгс/см2100 % нагрузка макс. 0,50 кгс/см2 при допускаемой максимальной перегрузке.
Общая конструкция турбинных расходомеров: Корпус, подключается к трубопроводу фланцевым или резьбовым соединением. По концам корпуса расходомера расположены передняя и задняя направляющие. По осевой линии внутри корпуса размещается крыльчатка турбины (ротор), которое состоит из ступицы и отлитых заодно с нею лопастей, имеющих точную винтовую поверхность. Ротор может устанавливаться как в шарикоподшипники /открытые, полузакрытые, закрытые/ или в подшипники скольжения /тефлон, твердый сплав, напр. карбид вольфрама. или другой специальный сплав/. Реагирующий на вращение ротора индуктивный датчик размещается на стенке корпуса турбинного расходомера, у больших /номинальным диаметром 100 мм и свыше/ на ступицу ротора монтируется отдельное подающее сигналы зубчатый диск. В первом исполнении индуктивное возбуждение вызывают сами лопасти ротора, во втором – зубчатый диск. Индуктивный датчик состоит: из катушки, якоря, расположенного внутри катушки, постоянного магнита.
Применение линейного усилителя необходимо в тех случаях, когда слишком велико расстояние между измеряющим датчиком и обрабатывающим сигналы электронным блоком (или из-за спецификационных причин у турбинных расходомеров малого диаметра 6-15 мм). Потому что в этих случаях передающий сигналы кабель представляет собою такую большую паразитную емкость, что поглощает проходящую по нему сигнальную частоту и сигналы для обрабатывающего их электронного прибора становятся необрабатываемыми. Встроенным или отдельным линейным усилителем типа I А-6/А теряемая в соединительном кабеле мощность может быть восполнена и может быть улучшено отношение сигнал/шум.
В случае номинальных диаметров 6,12 и 10 мм предварительный усилитель во всех случаях является обязательной принадлежностью датчика. Если предварительный усилитель вмонтирован в датчик сигналов, то максимальная допускаемая температура турбинных расходомеров, независимо от типа подшипников, составляет + 70 °С.

Принцип действия

Вихревая дорожка Кармана

В вихревых расходомерах для создания вихревого движения на пути движущего потока жидкости, газа или пара устанавливается тело обтекания, обычно в виде трапеции в сечении. Образовавшаяся за ним система вихрей называется вихревой дорожкой Кармана. Частота вихрей f в первом приближении пропорциональна скорости потока v и зависит от безразмерного критерия Sh (число Струхаля) и ширины тела обтекания d^[2][3][4][5]:

f = Sh ∙ v / d

Достоинством вихревых расходомеров является отсутствие каких-либо подвижных элементов внутри трубопровода, достаточно низкая нелинейность (<1,0 %) в широком диапазоне измерений (>1:10…1:40), частотный выходной сигнал, а также инвариантность метода относительно электрических свойств и агрегатного состояния движущейся среды.

Первые вихревые расходомеры жидкости появились в шестидесятых годах в США, Японии и СССР. Первые разработки вихревых расходомеров газа и пара в России относятся к 90-м годам прошлого века. Несмотря на довольно продолжительное время освоения этих приборов в измерительной технике, теория и практика вихревых расходомеров непрерывно развивается и совершенствуется. Идут поиски лучших схемных решений, более эффективных и технологичных конструкций первичных преобразователей расхода^[4][5].

Ротационный

Счетчик механического типа. Два ротора располагаются в измерительной камере поперек потока газа. При поступлении газа на вход счетчика оба ротора под его напором приходят во вращение. Форма роторов (в сечении напоминающая цифру 8) и сечение измерительной камеры рассчитывается таким образом, чтобы при вращении ротор одним концом описывал профиль поверхности стенки измерительной камеры, а другим концом описывал профиль поверхности второго, вращающегося навстречу ротора. В начальном положении ротора располагаются под углом 90° друг к другу, это взаимное положение фиксируется двумя колесами-синхронизаторами, установленными на осях роторов. Эти же колеса обеспечивают строго синхронное вращение роторов. При вращении оба ротора попеременно отсекают определенный объем газа (порцию), заключенный между ротором и стенкой измерительной камеры и перепускают его на выход счетчика. Объем прошедшего через счетчик газа пропорционален количеству порций и, соответственно, пропорционален числу оборотов роторов. Вращение ротора с его оси через механическую передачу (редуктор, магнитная муфта, система шестерен) передается на счетный механизм, в котором происходит накопление количества прошедшего газа.
Применяются для максимальных расходов Qмакс от 10…16 до 650…1000 м3/ч (реже — в бытовом секторе для Qмакс 4…10 м3/ч), с шириной диапазона расходов от 1:20 до 1:250.

Принцип измерения

Принцип ультразвукового измерения расхода

Принцип действия ультразвуковых расходомеров основан на измерении разницы во времени прохождения сигнала. При этом два ультразвуковых сенсора, расположенные по диагонали напротив друг друга, функционируют попеременно как излучатель и приёмник. Таким образом, акустический сигнал, поочередно генерируемый обоими сенсорами, ускоряется, когда направлен по потоку, и замедляется, когда направлен против потока. Разница во времени, возникающая вследствие прохождения сигнала по измерительному каналу в обоих направлениях, прямо пропорциональна средней скорости потока, на основании которой можно затем рассчитать объёмный расход. А использование нескольких акустических каналов позволяет компенсировать искажения профиля потока.