Турбінні витратоміри

Турбінні витратоміри (лічильники) є приладами обробки сигналу, що широко використовуються в технології виробництва, дають можливість надійного, безперервного і точного виміру кількості рідин (або газу чи пари), що протікає в закритому трубопроводі, який знаходиться під тиском. Турбінні лічильники відносяться до класу тахометричних, загальною ознакою яких є обертання чутливого елементу (перетворювача) під дією рушійного моменту, який створюється потоком.

Призначення приладу

Рис.1 Загальна будова турбінного витратоміру.

Турбінні витратоміри служать для виміру потоку рідин широких меж в'язкості, калібруючи їх відповідно в’язкості. Вимір поширюється на вимірювання повної кількості рідини, що протікає по цьому поперечному перерізу. Турбінні витратоміри виготовляються з підшипниками ковзання, твердий сплав - тефлон і тому їх можна застосовувати для роботи з майже будь-якою речовиною, навіть із такою, яка здійснює сильний агресивний вплив. Також їх можна застосовувати у вибухонебезпечному середовищі завдяки іскробезпечному виконанню.

Конструкція приладу

Турбінний витратомір (рис.1) містить: корпус 1, калібрований канал 2, гідравлічну турбіну 3, підшипникові опори 4, магнітні вставки 5, турбулизирующий елемент 6, стяжні хомути 7, трубопровід 8, геркон 9, джерело харчування 10 і лічильник 11.

Рис.2 Турбінні лічильники.

Турбінні витратоміри (лічильники) бувають двох типів: з аксіальною турбіною, вісь якої збігається з напрямком досліджуваного потоку і з'єднана передачею (3) з лічильником обертів (2), і з вертикальною турбіною - вісь якої безпосередньо зв'язана з лічильником обертів (3) (рис.2). Перша група лічильників застосовується для вимірювання малих, а друга — великих витрат продукції.

Принцип дії лічильників обидвох типів оснований на вимірюванні швидкості обертання турбіни під дією досліджуваного потоку. Для безперебійної їх роботи необхідна відсутність завихрень у потоці, що надходить на турбіну. Для цього використовують спеціальні випрямлячі струменя досліджуваної речовини, виконані у вигляді набору трубок або взаємоперпендикулярних схрещених пластин і вмонтованих по перерізу трубопроводу перед турбінкою та після неї. Турбінні лічильники з механічним лічильним механізмом застосовують переважно для вимірювання витрат гарячої та холодної води і встановлюють на трубопроводах з приєднувальними розмірами понад 50 см.

Загальна конструкція турбінних витратомірів: корпус, підключається до трубопроводу фланцевим або різьбовим з'єднанням. По кінцях корпусу витратоміра розташовані передні і задні направляючі. По осьовій лінії усередині корпусу розміщується крильчатка турбіни (ротор), яка складається з маточини і відлитих заодно з нею лопостей, що мають точну кручену поверхню. Ротор може встановлюватися як в шарикопідшипники (відкриті, напівзакриті, закриті) або в підшипники ковзання (тефлон, твердий сплав, напр. карбід Вольфрама. або інший спеціальний сплав). Реагує на обертання ротора індуктивний датчик,який розміщується на стінці корпусу турбінного витратоміра, у великих (номінальним діаметром 100 мм і понад) на маточину ротора монтується для передачі сигналу зубчастий диск. У першому виконанні індуктивне збудження викликають самі лопаті ротора, у другому - зубчастий диск. Індуктивний датчик складається: з котушки, якоря, розташованого усередині котушки, постійного магніту.

Застосування лінійного підсилювача необхідно в тих випадках, коли дуже велика відстань між вимірним датчиком і обробляючим сигнали електронним блоком (або через специфічні причини у турбінних витратомірів малого діаметра 6-15 мм). Тому,що в цих випадках передаючий сигнали кабель являє собою таку велику паразитную ємність, що поглинає проходящу по ньому сигнальну частоту і сигнали для обробляючого їх електронного приладу стають необробляючими. Вбудованим або окремим лінійним підсилювачем типу I А-6/А , втрачаюча в сполучному кабелі потужність може бути заповнена і цим може бути покращено відношення сигнал/шум.

Рис.3 Різні типи турбін.

Різновиди турбінних перетворювачів

Різні типи турбін:

• аксіальні при малому (а) і великому (б) діаметрах;
• тангенціальні зі світловідбивними пластинками (в),
• в багатоструменевих водолічильниках (г),
• в одноструменевих водолічильниках з напівциліндричними лопостями (е)
• і з лопостями напівшарової форми (ж)

Принцип роботи приладу

Турбінний витратомір є приладом, що приймає швидкість рідини (або пари, газу), яка протікає через трубопровід. На шляху рідини (яка протікає по витратоміру) розташовано ходове колесо (ротор), число оборотів ротора пропорційно швидкості потоку. Швидкість обертання лопостей ротора сприймається індуктивним датчиком. При протіканні по обмотці електричного струму виникає електромагнітне поле, яке посилюється металевим осердям. Коли лопості турбінного колеса пронизують електромагнітне поле індуктивного датчика, електромагнітне поле посилюється, з'являється електромагнітний імпульс, який по лініях електричного зв'язку передається на вторинний прилад. Чим частіше швидкість потоку рідини, тим частіше з'являється електромагнітний імпульс. Для створення гальмівного моменту застосовують постійний магніт. Вторинний прилад налаштований на частоту електромагнітних імпульсів, генерованих індуктивним датчиком. Частота напруги, що відображається на вторинному приладі, пропорційна швидкості потоку вимірюваного середовища.

Типовий с з трьох основних вузлів:

• аеродинамічно збалансованої турбіни;
• корпусу;
• відлікового пристрою;

Розміри отворів для подачі рідини (газу) до турбіни розраховані так, щоб забезпечити необхідні швидкості потоків рідини (газу) в трубопроводі за максимальної витрати лічильника. Таким чином втрати тиску на лічильнику мінімальні. Проте, оскільки енергія обертання лопатей турбіни – це кінетична енергія потоку, то конструктивно отвори виконуються як направляючі для збільшення швидкості рідини (газу) і її дії на лопатки турбіни. Турбіна виконується з великим радіусом лопаток, щоб створити максимальну рушійну силу. Для конкретних умов експлуатації окремо виготовляють та проектують турбінний лічильник, чим забезпечується необхідна висока точність і діапазон вимірювання для конкретних завдань.

Ідеальний турбінний лічильник не має сил опору, характеризується нескінченно тонкими лопатками турбіни, сумарна рушійна сила сконцентрована в середній точці радіуса, а також має рівномірний розподіл швидкості на лопаті в осьовому напрямку.

Витрата турбінного лічильника

Витратоміри (швидкісні лічильники рідини) характеризуються нижньою і верхньою межами вимірювання і номінальною витратою. Нижня межа вимірювання є мінімальною витратою, при якій прилад здатний вимірювати з допустимою похибкою. Верхня межа вимірювання є максимальною витратою, при якій забезпечується короткочасна робота лічильника (не більше однієї години на добу). Номінальна витрата є максимальна тривала витрата, при якій забезпечується допустима похибка, а втрата тиску не створює зусиль, що призводять до швидкого зносу деталей, які труться.

Мінімальна витрата турбінного лічильника зазвичай визначається серією випробувань при низькому тиску, щоб встановити витрату, при якій лічильник досягає прийнятних показів (мінімальних, коли він уже є працездатним). Мінімальна витрата для будь-якого іншого тиску може бути знайдена шляхом прирівнювання рушійних моментів при нових умовах до визначених при випробуваннях з врахуванням густини газу:

[math][{{\rho }_{B}}\cdot {{q}_{v}}_{B}^{2}(min)]=(\rho \cdot {{q}_{v}}_{\min }^{2})[/math] (1.1)

Оскільки [math]\rho ={{\rho }_{B}}\frac{P\cdot {{K}_{B}}}{{{P}_{B}}\cdot K}[/math] (1.2)

де [math]{{P}_{B}}[/math] , [math]P[/math],[math]{{K}_{B}}[/math] ,[math]K[/math] – значення абсолютного тиску газу та коефіцієнта стисливості для умов випробування та експлуатації (нові умови) відповідно; [math]{{q}_{vB}}(min)[/math] ,[math]{{q}_{v\min }}[/math] – робоча об’ємна витрата через турбінний лічильник для умов випробування та експлуатації (нові умови) відповідно.

Спільний розв’язок (1.1) і (1.2) дає [math]{{Q}_{\min }}={{Q}_{B}}(min)\sqrt{\frac{{{P}_{B}}}{P}}\cdot \sqrt{\frac{K}{{{K}_{B}}}}[/math] Таким чином бачимо, що мінімальна робоча об’ємна витрата через турбінний лічильник змінюється як корінь квадратний з відношення тисків. Максимальна вимірювана робоча об’ємна витрата через турбінний лічильник визначається механічними і міцнісними властивостями турбіни, а також максимально можливим ударним навантаженням на її опори.

Максимальна вимірювана робоча об’ємна витрата через турбінний лічильник визначається механічними і міцнісними властивостями турбіни, а також максимально можливим ударним навантаженням на її опори. Зазвичай, конструкція повинна забезпечувати необхідну градуювальну характеристику лічильника, що визначає його умови застосування та діапазон вимірювання.

Переваги та недоліки

Тахометричні (турбінні) витратоміри відносяться до найбільш точних приладів для вимірювання витрати рідини. Похибка цих приладів складає 0,5 1,0%.

До переваг приладів даного типу можна віднести:

• простоту конструкції;
• високу чутливість;
• можливість вимірювання великих і малих витрат.

Істотними недоліками таких приладів є:

• зношування;
• опір;
• необхідність індивідуальної градуйовки за допомогою градуйованих витратомірних установок.

Головна сфера застосування турбінних витратомірів :

• - в нафтовій промисловості сира нафта, рафіновані готові і напівготові продукти;
• - в хімічній промисловості фарби, лаки, розчинники, розчинники;
• - в машинобудівній промисловості і електроцентралях вода, паливна олія;
• - в харчовій промисловості пиво, вино, молоко, дистилятори, фруктові соки, рослинна олія, оцет і так далі.

Список використаної літератури

1)Вимірювання витрати та кількості газу: Довідник./М. П. Андріїшин, С. О. Канєвський, О. М. Капрпаш [та ін.] — Івано-Франківськ: ПП «Сімик». — 2004. — 160с.

2)Пістун Є. П., Лесовой Л. В.]] Нормування витратомірів змінного перепаду тиску. — Львів: Видавництво ЗАТ «Інститут енергоаудиту та обліку енергоносіїв», 2006. — 576 с. — ISBN 966-553-541-

3)Клочко Н.Б.,ВДОСКОНАЛЕННЯ МЕТОДІВ ОЦІНЮВАННЯ ТОЧНОСТІ ТУРБІННИХ ЛІЧИЛЬНИКІВ ГАЗУ - Івано-Франківськ :Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук , 2014 .