8датчики измерения расхода топлива 1Назначение и классификация

• Название: 8датчики измерения расхода топлива 1Назначение и классификация
• Дата: 23.11.2018
• Размер: 219.5 Kb.
• Имя файла: 01.doc
• Тип: Документы; #57473

8ДАТЧИКИ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ТОПЛИВА

8.1Назначение и классификация

Приборы, предназначенные для измерения мгновенного или среднего расхода жидкостей и газов в единицу времени, называются расходомерами. На самолетах расходомеры применяются для измерения расхода топлива, потребляемого авиационными двигателями, а также для измерения расхода воздуха в двигателях и герметических кабинах.

Для измерения суммарного количества топлива за определенное время (например, за время полета) применяются суммирующие расходомеры. Эти приборы состоят из собственно расходомера, измеряющего расход в единицу времени, и интегрирующего устройства, обеспечивающего суммирование сигналов, пропорциональных расходам.

Суммирующие расходомеры в большинстве случаев показывают не израсходованное, а остающееся количество топлива, поэтому их показания дублируют показания топливомеров. По сравнению с топливомерами расходомеры более надежны и их показания не зависят от положения самолета в пространстве.

Из выражения для мгновенного объемного расхода



и мгновенного весового расхода W



жидкостей или газов весовой плотностью γ, протекающих через сечение S трубопровода со скоростью V, следует, что измерение расхода можно свести к измерению величин γ, S и V (или S и V). Во многих случаях одна из величин S или V остается постоянной, тогда измерение расхода можно свести к измерению величины V при постоянной S или наоборот.

Скорость потока жидкости может быть измерена непосредственно, например, при помощи крыльчатки. Расходомеры с непосредственным измерением скорости называются скоростными расходомерами. Они получили наибольшее распространение в качестве измерителей расхода топлива.

Скорость потока можно измерить и косвенными методами, например, измеряя динамическое давление жидкости (газа), связанное со скоростью уравнением Бернулли. На этом принципе основаны, в частности, дроссельные расходомеры, применяемые для измерения расхода воздуха в герметических кабинах самолетов.

Расход топлива необходимо измерять с большой точностью. Мощность поршневых и турбовинтовых двигателей и тяга турбореактивных двигателей пропорциональна расходу топлива в единицу времени. Поскольку для поддержания заданной скорости полета отклонение тяги двигателя не должно превышать ±2%, то погрешность измерения мгновенного расхода топлива должна быть не более ±2%. Примерно такие же требования предъявляются к точности измерения суммарного расхода.

Так как расходомеры топлива включаются в топливную магистраль, то к ним предъявляются жесткие требования в отношении гидравлического сопротивления при нормальной работе и при отказе прибора. В первом случае перепад давлений на датчике расходомера не должен превышать 0,15 кГ/см², а во втором – 0,20 кГ/см²

8.2Методы измерения расхода топлива

Существует ряд методов измерения расхода топлива. К наиболее распространенным, получившим распространение в авиации можно отнести:

• 
  объемный;
  
• 
  гидродинамический (переменного перепада давлений);
  
• 
  метод постоянного перепада давлений;
  
• 
  центробежный;
  
• 
  турбинный;
  
• 
  тепловой;
  
• 
  ультразвуковой;
  
• 
  электромагнитный (индукционный).
  

Объемный метод основан на пропускании через трубопровод контролируемого потока жидкости порциями определенного объема. В качестве датчика объёмного расходомера используются обратимые жидкостные насосы – дисковые, чашечные, лопастные, винтовые и др.

Достоинство объёмного метода заключается в том, что вязкость жидкости не влияет на работу датчика, а недостатком – возможность закупоривания магистрали при заклинивании датчика.

Гидравлический метод основан на зависимости перепада давлений, возникающего на дросселирующем элементе, установленном в трубопроводе, от расхода топлива. В качестве дросселирующего элемента используется трубка Вентури или диафрагма.

Метод постоянного перепада давлений основан на уравновешивании веса подвижной части расходомера гидравлическим давлением, оказываемым на эту систему потоком жидкости. В зависимости от конструкции подвижной части, построенные по этому методу расходомеры делятся, на ротаметрические. поршневые, дисковые. Недостатком метода препятствующим его применению на летательных аппаратах, является влияние ускорений на подвижную часть расходомера.

Центробежный 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.

Турбинный (скоростной) метод основан на зависимости скорости вращения расположенной в трубопроводе ненагруженной аксиальной или тангенциальной крыльчатки (турбины) от расхода жидкости.

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.

Тепловой 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.

Ультразвуковой 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.

Электромагнитный (индукционный метод) основан на наведении в электропроводящей жидкости электродвижущей силы при течении жидкости по трубе, пересекаемой внешним магнитным полем.

Наибольшее распространение на ВС получили турбинные или иначе скоростные расходомеры.

8.3Принцип действия и конструкция

В авиационных расходомерах измерение скорости потока топлива производится с помощью крыльчатки, помещаемой в топливную магистраль (рис. 8.3.1.). Скорость вращения ω ненагруженной крыльчатки пропорциональна скорости потока и, следовательно, величине расхода Q топлива






где к – коэффициент пропорциональности.


Рис. 8.3.1. К принципу действия скоростных расходомеров

Поэтому, измеряя скорость вращения крыльчатки, можно определить количество топлива, протекающего через трубопровод за единицу времени, т.е. принцип действия скоростных расходомеров основан на зависимости скорости вращения крыльчатки, помещенной в поток жидкости, от скорости потока.

Если крыльчатка не нагружена, то ее скорость вращения пропорциональна скорости потока и объемному расходу жидкости (рис. 8.3.3). Следовательно, в скоростных расходомерах измерение расхода сводится к измерению скорости вращения крыльчатки. Если вместо скорости вращения измерять угол поворота вала крыльчатки, то получим величину, пропорциональную суммарному расходу жидкости за время вращения крыльчатки.

Рис. 11.6. Крыльчатка скоростного расходомера

Н


аибольшее распространение в авиации получили скоростные расходомеры мгновенного расхода (рис. …), входящие в состав комбинированных расходомеров мгновенного и суммарного расхода серии РТМС.

Скорость вращения крыльчатки зависит не только от величины расхода, но также от вязкости жидкости, поэтому с изменением вязкости (при изменении температуры или сорта топлива) показания прибора будут меняться.

Так как для неискаженного показания прибора крыльчатка должна быть ненагруженной, непосредственное измерение скорости вращения механическими приборами невозможно. Обычно угловая скорость вращения преобразуется в электрический сигнал с помощью индуктивного датчика, прерывателя или специального тахогенератора. Полученный электрический сигнал в виде импульсов напряжения или тока подается на устройства индикации (указатель прибора) или в систему автоматического контроля и управления.

В
Рис. 8.3.3. Зависимость скорости вращения крыльчатки от объемного расхода жидкости
расходомерах мгновенного расхода в качестве указателей применяются сельсинные передачи и приборы магнитоэлектрической системы, а в расходомерах суммарного расхода – электромагнитные счетчики импульсов.

8.3.1Скоростные расходомеры мгновенного расхода.

Скорость вращения ненагруженной крыльчатки пропорциональна скорости потока, т. е.

ω = k₁ V,

г
де k₁ – коэффициент, зависящий от параметров крыльчатки.

Если воспользоваться формулами (11.1) и (11.2), получим

соответственно для расходомеров с градуировкой в объемных и весовых единицах



Рис. 8.3.4. Кинематическая схема расходомера:

1 – крыльчатка; 2 – магнит; 3 – термомагнитный шунт; 4 – кожух;

5 – чувствительный элемент – стакан; 6 – пружины; 7 – сельсин-датчик

Для построения приборов, измеряющих объемный или весовой расход, необходимо измерить скорость вращения крыльчатки ω и передать полученное значение на указатель, устанавливаемый на приборной доске. Другими словами, скоростной расходомер мгновенного расхода включает измеритель скорости вращения, дистанционную передачу и указатель.

Измерение угловой скорости осуществляется магнитоиндукционным тахометрическим узлом (рис. 8.3.4). Постоянный магнит 2 узла приводится во вращение крыльчаткой 1. Для уменьшения температурных погрешностей применен термомагнитный шунт 3. Герметичность датчика обеспечивается применением диамагнитного кожуха 4. При вращении магнита в чувствительном элементе 5 наводятся вихревые токи, взаимодействующие с полем магнита. Поворот чувствительного элемента (стакана) ограничивается противодействующей пружиной 6. Очевидно, угол поворота стакана пропорционален мгновенному расходу топлива. На оси стакана находится ротор сельсина-датчика 7 синхронной передачи. Сельсин-приемник помещен в указателе прибора, причем его ротор перемещает стрелку прибора в соответствии с изменением мгновенного расхода топлива.

С
Рис. 8.3.5. Схема сельсинной передачи скоростного расходомера мгновенного расхода
хема сельсинной передачи показана на рис. 8.3.5. Обмотки возбуждения 1 и 1^' обмотки синхронизации 2 и 2' размещены на статоре сельсина-датчика (С–Д) и сельсина-приемника (С–П). Цилиндрический ротор сельсина состоит из двух пакетов листовой электротехнической стали, впрессованных в пластмассу. Индуктируемые в синхронизирующих обмотках 2 и 2' э. д. с. зависят от углового положения роторов. При несинхронном положении роторов возникает синхронизирующий момент, устанавливающий ротор сельсина-приемника в положение, синхронное с ротором датчика.

Шкала мгновенного расхода градуируется в кГ/час.

8.3.2Скоростные расходомеры суммарного расхода.

Измерение суммарного расхода топлива сводится к интегрированию по времени сигналов о мгновенном расходе. Если шаг интегрирования достаточно мал, то операция интегрирования может быть дискретной. Дискретное интегрирование может быть просто реализовано в системах с импульсными преобразователями, при условии, что часто импульсов пропорциональна скорости вращения. В этом случае дискретное интегрирование сводится к подсчету числа импульсов.

Для преобразования сигналов скорости вращения в электрические импульсы в суммирующих расходомерах используется индуктивно-импульсное устройство (рис. 8.3.6), схема которого включает индуктивный мост, образованный индуктивностями L₁, L₂, L₃ и L₄, и тиратронный усилитель. Катушка L₂ имеет постоянную индуктивность, а индуктивность L₁ изменяется за счет вращающегося сердечника в зазоре магнитопровода. Скорость вращения сердечника пропорциональна скорости крыльчатки.

При изменении индуктивности L₁ равновесие моста нарушается и на его диагонали появляется напряжение, частота которого равна частоте питающего напряжения (400 Гц). Это напряжение через выпрямители Д₁ и Д₂ и фильтр R₂C₃ подается на сетку тиратронной лампы, при этом потенциал сетки становится отрицательным относительно катода.

Выпрямитель собран по двухполупериодной схеме и на его выходе происходит удвоение напряжения.

С
Рис. 8.3.6. Электрическая схема

индуктивно-импульсного

устройства
хема тиратронного усилителя работает следующим образом. В анодную цепь тиратрона, питаемую переменным напряжением 48В 400 Гц, включена обмотка электромагнита счетчика. Когда мост уравновешен, то выходное напряжение на его диагонали равно нулю, поэтому на сетке тиратрона потенциал тоже равен нулю. Анодное напряжение тиратрона 48В достаточно для его зажигания. Протекающий анодный ток вызывает



Рис. 11.14. Конструкция датчика суммарного расхода:

1 – корпус; 2, 3 – патрубки; 4 – направляющий аппарат; 5 – крыльчатка; 8 – защитный колпачок; 9 –катушки постоянной индуктивности; 10 –катушки переменной индуктивности; 11 и 12 – основания; 14 – защитный кожух; 15 – штепсельный разъем; 17 – соединительная гайка

схемы (см. рис. 11. 13), и на тиратронный усилитель подаются сигналы в виде импульсов напряжения.

В качестве указателя прибора (рис. 11.16) применен счетчик импульсов, состоящий из электромагнита 1, якорь 2 которого при помощи собачки 3 поворачивает храповое колесо 4 на один зуб при каждом замыкании цепи. Стопорная собачка 5 предохраняет колесо от проворачивания. Возвратная пружина 6 служит для регулирования усилия возврата якоря. Редуктор, состоящий из червяка 7, червячного колеса 8, шестерни 9, фиксатора 10, шестерен 11, 12 и 13, передает вращение храпового колеса 4 на стрелку 14. Стрелка перемещается в направлении к нулю шкалы 15 и в каждый момент времени показывает запас топлива в топливной системе одного двигателя. Перевод стрелки прибора на деление, соответствующее залитому запасу топлива, производится кремальерой 16, на оси которой укреплена шестерня 17. При перемещении кремальеры в осевом направлении шестерня 17 приходит в зацепление с шестерней 11.

Суммирующий расходомер топлива РТС-16А работает в диапазоне расходов от 900 до 16 000 кГ/час. Погрешности прибора при нормальных условиях не превышают ±2,5%. Шкала суммирующего расходомера градуируется в литрах.

В качестве примера комбинированного расходомера, изме­ряющего мгновенный и суммарный весовые расходы, рассмотрим прибор типа РТМС В7-25Д.

Датчик расходомера (рис. 11.17) включает крыльчатку /, приводящую во вращение тахогенератор переменного тока и маг­нитный коммутатор. Тахогенератор включает постоянный маг­нит 2 и статорную обмотку 8. Движение на коммутатор 5 пере­дается через червячную передачу 3. Скорость вращения комму

8.4Погрешности скоростных расходомеров.

Скоростные расходомеры являются ИУ косвенного метода измерения поэтому им свойственны методические погрешности. При градуировке в объемных единицах методические погрешности отсутствуют, так как в градуировочнои формуле (11.6) площадь сечения S постоянна. Однако при градуировке в весовых единицах в мгновенных и в суммирующих расходомерах методическая погрешность возникает, как следует из (11. 7), вследствие изменения весовой плотности γ при изменении температуры или сорта топлива.

Погрешности при замене сорта топлива могут достигать 5÷6%. Они учитываются поправочными графиками. На шкалах расходомеров обычно указывается значение градуировочной плотности топлива.

Методические температурные погрешности в диапазоне температур топлива ±60°С достигают +3÷4% и 5÷10%. Для автоматической компенсации этих погрешностей предложено применять чувствительные элементы, реагирующие на температуру топлива подающие компенсационные сигналы в схему прибора. В качестве таких чувствительных элементов могут применяться емкостные датчики, в которых диэлектрическая постоянная ε является функцией температуры топлива, и биметаллические компенсаторы, сигналы которых можно использовать для осевого перемещения крыльчатки.

Инструментальные погрешности скоростных расходомеров складываются из погрешностей датчика, измерительной схемы и указателя.

Погрешности датчика обусловлены главным образом моментом нагрузки М_н на крыльчатку, который определяется моментом трения М_тр в опорах, моментом жидкостного М_ж сопротивления и моментом от преобразователя сигналов М_пр:

М_н = М_т + М_ж + М_пр

Если момент нагрузки сравнить с моментом развиваемым крыльчаткой М_д, то нарушится пропорциональность. Для уменьшения этих погрешностей следует выбирать параметры датчика так, чтобы

М_д >> М_н.

Температурные инструментальные погрешности тахометрического измерителя в мгновенном расходе компенсируются термомагнитным шунтом.

Инструментальные погрешности схемы суммирующего расходомера практически отсутствуют, поскольку число импульсов пропорционально расходу.


Рис…. Кинематическая схема датчика суммарного расхода:

5 – крыльчатка; 6 – червячная передача; 7 – стальной сердечник; 9 – катушки постоянной индуктивности; 10 – катушки переменной индуктивности; 13 – магнитный шунт; 16 – подшипники; 18 – П-образные стальные сердечники катушки