Рассмотрим следующие методы измерения расхода топлива: объемный, гидродинамический (переменного перепада давлений), метод постоянного перепада давлений, центробежный, турбинный, тепловой, ультразвуковой, электромагнитный (индукционный).
1. Объемный метод [16]
Метод основан на пропускании через трубопровод контролируемого потока жидкости порциями определенного объема. В качестве датчика объемного расходомера используются обратимые
жидкостные насосы — дисковые, чашечные, лопастные, зубчатые, винтовые и др. (рис. 9.3). Измерение расхода сводится к измерению числа порций, проходящих в единицу времени.
Достоинство объемного метода заключается в том, что вязкость жидкости не влияет на работу датчика; недостатком метода является возможность закупоривания магистрали при заклинивании датчика.
2. Гидродинамический метод [10], [11]
Метод основан на зависимости перепада давлений, возникающего на дросселирующем элементе, установленном в трубопроводе, от расхода топлива. В качестве дросселирующего элемента используются трубка Вентури или диафрагма (рис. 9.4, а, б). Зависящий от расхода топлива перепад давлений может быть получен также с помощью трубки полного давления p1 и приемника статического давления р2 (см. рис. 9.4,в).
|
|
Объемный расход топлива связан с перепадом
перепадо давлений зависимостью
,
где — коэффициент расхода, зависящий от типа и размеров дросселя, вязкости жидкости и условий истечения (от числа Рейнольдса);
F — сечение трубопровода;
Q - плотность жидкости,
р1- р2 – перепад давлений
Измерение перепада давлений p1 — р2 осуществляется с помощью дифференциального манометра.
Недостатком расходомеров дроссельного типа является квадратичная зависимость перепада давлений от расхода топлива. Гидродинамический метод измерения расхода топлива может быть реализован также с помощью расходомера пружинного типа (см. рис. 9.4, г), который отличается от предыдущих тем, что гидродинамическая сила, действующая на поворотную заслонку, уравновешивается силой упругости пружины при ее деформации. Профилируя трубу на участке, где перемещается подвижная часть, можно получить линейную зависимость перемещения заслонки от расхода. Для получения электрического сигнала заслонка должна быть связана с преобразователем перемещений (потенциометрическим, индуктивным или др.). В целях пожаробезопасности преобразователь выносят за пределы топливной магистрали; при этом перемещение заслонки передается через герметичную стенку, что осуществляется с помощью магнитной муфты.
3. Метод постоянного перепада давлений [10], [11]
|
|
Метод основан на уравновешивании веса подвижной части расходомера гидродинамическим давлением, оказываемым на эту систему потоком жидкости.
В зависимости от конструкции подвижной части, построенные по этому методу расходомеры делятся на ротаметрические, поршневые, дисковые (рис. 9.5).
При перемещении подвижной части кверху увеличивается проходное сечение трубы; с увеличением расхода жидкости подвижная часть перемещается вверх на такую величину, при которой действующая на нее подъемная сила будет равна ее весу. Мерой расхода
служит величина перемещения подвижной части. Недостатком метода, препятствующим его применению на летательных аппаратах, является влияние ускорений на подвижную часть расходомера.
4. Центробежный метод [16]
Метод основан на зависимости от расхода жидкости центробежной силы, возникающей при течении жидкости по криволинейной траектории. Построенный по этому методу расходомер состоит из согнутой по кольцу трубы, к которой подключен дифференциальный манометр (рис. 9.6).
Связь между объемным расходом q и перепадом давлений p1 — р2 выражается формулой
,
где А — постоянный коэффициент;
R — радиус кольца по средней линии;
r — внутренний радиус сечения трубы;
q — плотность жидкости.
5. Турбинный метод [8], [20]
Метод основан на зависимости скорости вращения расположенной в трубопроводе ненагруженной аксиальной или тангенциальной крыльчатки (турбины) от расхода жидкости (рис. 9.7).
Достоинством метода является пропорциональная зависимость скорости вращения крыльчатки от расхода жидкости. Мерой мгновенного расхода служит скорость вращения, а мерой суммарного расхода за некоторый интервал времени — общее число оборотов, которое совершит крыльчатка за это время.
Турбинные расходомеры рассматриваются в § 9.6.
6. Тепловой метод [8]
Метод основан на зависимости теплоты, теряемой нагретым телом, от скорости потока жидкости, обтекающей это тело. Чувствительным элементом расходомера служит нагреваемый электрическим током проводник, температура которого зависит от скорости потока. Измерение температуры можно осуществить по одной из двух схем, представленных на рис. 9.8.
В первом варианте (см. рис. 9.8, а) чувствительный элемент выполняется в виде нити, изготовленной из материала с малым температурным коэффициентом электрического сопротивления. По нити пропускания постоянный ток i0, нагревающий ее до некоторой температуры, зависящий от скорости потока V. Для измерения температуры к нити приварены электроды термопары.
Во втором варианте (см. рис. 9.8, б) токопроводящая нить изготовлена из материала с большим температурным коэффициентом , что позволяет судить о температуре нити по величине ее сопротивления r или по падению напряжения, создаваемого током i0 на сопротивлении R.
7. Ультразвуковой метод [16]
Метод основан на том, что скорость ультразвуковых колебаний, распространяющихся в потоке жидкости, относительно трубопровода равна векторной сумме скорости ультразвука относительно среды и скорости среды относительно трубопровода.
Измерение скорости потока может быть осуществлено путем измерения разности времен распространения ультразвуковых колебаний по потоку и против него с помощью двух пьезоэлементов, расположенных один за другим в потоке жидкости и являющихся одновременно излучателями и приемниками ультразвука.
Если расстояние между элементами равно l, то время прохождения звука от одного элемента к другому против потока и по потоку соответственно равно
и ,
где а — скорость распространения звука в жидкости;
V — скорость потока. Разность времени
Если в >>V, то разность времени пропорциональна V:
|
|
.
Измерение разности может осуществляться различными способами: непосредственным измерением времени распространения ультразвука; измерением сдвига фаз между колебаниями, направленными по потоку и против него; измерением разности частот повторения коротких импульсов, направляемых по потоку и против него, причем каждый последующий импульс возбуждается предыдущим, пришедшим на приемник ультразвука, и т. д,
8. Электромагнитный (индукционный) метод [15]
Метод основан на наведении в электропроводящей жидкости электродвижущей силы при течении жидкости по трубе, пересекаемой внешним магнитным полем (рис. 9.9).
Величина разности потенциалов между электродами, установленными в стенках трубопровода по линии, перпендикулярной направлению потока жидкости и магнитному потоку, пропорциональна расходу q:
u=ABbq,
где А — постоянный коэффициент;
В —магнитная индукция;
b — расстояние между электродами.
Для исключения поляризации используется переменное магнитное поле, создаваемое электромагнитом, расположенным вне трубы, отрезок которой, находящийся под полюсами магнита, должен быть немагнитным и токонепроводящим. Электроды выполняются из нержавеющей стали, платины, тантала, титана и специальных сплавов.
При наличии переменного магнитного поля, изменяющегося с частотой f, снимаемое напряжение будет синусоидальным; его мгновенное значение
u=ABmbq sin2 ft.
Компенсация паразитной э. д. с, возникающей при возбуждении системы переменным током, осуществляется по схеме, приведенной на рис. 9.9. Достоинством индукционных расходомеров является малая инерционность и отсутствие гидравлических потерь. Эти расходомеры применимы для измерения расходов электропроводящих жидкостей, обладающих проводимостью не менее 10-5-^-10-6 ом-1см-1.
Наибольшее распространение на летательных аппаратах получили турбинные расходомеры, которые рассматриваются более подробно в § 9.6.