Вихревой расходомер

 

Использование: для контр оля расхода жидкости и газов, преимущественно хими- . чески активных и агрессивных. Сущность изобретения: в вихревом расходомере, содержащем вихреобразующмй элемент, установленный в измерительном участке трубопровода, и обтекаемое тело, связанное с узлом съема сигнала через герметизатор , узел съема сигнала выполнен в виде корпуса, в котором размещены передающий элемент, связанный с обтекаемым телом в точке его соединения с герметизатором , два преобразователя, установленные на передающем элементе и электрически связанные с измерителем по дифференциальной схеме, и два жестких упора, соединяющие преобразователи с внутренними продольными стенками корпуса, а обтекаемое тело установлено в отвесной плоскости, проходящей через ось измерительного участка трубопровода, причем отношение ширины обтекаемого тела к диаметру измерительного участка трубопровода от 0,2 до 0,6, кроме того, обтекаемое тело удалено от вихреобразующего элемента на расстояние не меньше ширины обтекаемого тела, но не больше, чем утроенный диаметр трубопровода, а передающий элемент с размещенными на нем преобразователями и обтекаемое тело имеют одинаковый момент инерции относительно образующей трубопровода , проходящей через точку соединения герметизатора с обтекателем и передающим элементом. 2 з.п.ф-лы, 2 ил. (Л со

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 6 01 F 1/32

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ

ОР ъ (21) 4941809/10 (22) 03.06,91 (46) 23.04.93. Бюл. N. 15 (75) Л.А.Адамовский, Ю,П.Гребенкин, B.Н.Ромадов и В.К.Соколов (73) Ю.П.Гребенкин (56}Патент США % 4257277, кл. G 01 F 1/32, 1981.

Киясбели А.Ш., Перельштейн М,С. Вихревые измерительные приборы Библиотека приборостроения, M. Машийостроение, 1978, с. 69-70. (54) ВИХРЕВОЙ РАСХОДОМЕР (57) Использование: для контроля расхода жидкости и газов, преимущественно хими.чески активных и агрессивных, Сущность изобретения: в вихревом расходомере, содержащем вихреобразующий элемент, установленный в измерительном участке трубопровода, и обтекаемое тело, связанное с узлом съема сигнала через герметизатор, узел съема сигнала выполнен в виде корпуса, в котором размещены передаюИзобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля расхода жидкостей и газов, преимущественно химически активных и агрессивных.

Целью изобретения является повышение точности и чувствительности измерений путем вынесения преобразователя из контролируемого потока и снижение чувствительности к вибрациям трубопровода.

Поставленная цель достигается тем, что в вихревом расходомере, содержащем вихреобразующий элемент, установленный в

ЯЛ,, 1811582 АЗ щий элемент, связанный с обтекаемым телом в точке его соединения с герметизатором, два преобразователя, установленные на передающем элементе и электрически связанные с измерителем по дифференциальной схеме, и два жестких упора, соединяющие преобразователи с внутренними продольными стенками корпуса, а обтекаемое тело установлено в отвесной плоскости, проходящей через ось измерительного участка трубопровода, причем отношение ширины обтекаемого тела к диаметру измерительного участка трубопровода от

0,2 до 0,6, кроме того, обтекаемое тело удалено от вихреобразующего элемента на расстояние не меньше ширины обтекаемого тела, но не больше, чем утроенный диаметр трубопровода, а передающий элемент с размещенными на нем преобразователями и обтекаемое тело имеют одинаковый момент инерции относительно образующей трубопровода, проходящей через точку соединения герметизатора с обтекателем и передающим элементом. 2 э.п.ф-лы, 2 ил. измерительном участке трубопровода и обтекаемое тело, связанное с узлом съема сигнала через герметизатор и размещенное в плоскости, проходящей через оси измерительного участка и вихреобраэующего элемента", зел съема сигнала выполнен в виде корпуса, в котором размещены передающий элемент, связанный с обтекаемым телом в точке его соединения с герметизатором, два преобразователя, установленные на передающем элементе и электрически связанные с измерителем по дифференциальной схеме, и два жестких

1811582 упора, соединяющие преобразователи с внутренними стенками корпуса, а обтекаемое тело установлено консол ьно, причем отношение ширины обтекаемого тела к диаметру измерительного участка трубоп- 5 ровода лежит в диапазоне от 0.2 до 0,6, Снабжение узла сьема сигнала передающим элементом, соединение передающего элемента с обтекаемым телом в точке его соединения с герметизатором, соединение герметизатора по периметру с корпусом, при котором передающий элемент находится внутри корпуса, позволяют вынести преобразователь из измеряемого потока за стенку измерительного участка трубопровода, избавляют от необходимости установки герметичных электроизолированных выводов в посадочном гнезде и подвижного герметичного контакта для сьема сигнала преобразователя,, 20

Установка корпуса снаружи трубопровода позволяет сделать чувствительный элемент легкосменяемым. что упрощает его калибровку и эксплуатацию.

Консольное расположение обтекаемого тела внутри измерительного трубопровода вдоль его диаметра позволяет получать амплитуду сигнала большую, чем при использовании расходомера, изготовленного по. прототипу. Закрепление обтекаемого тела З0 за одну из узких сторон повышает чувствительность, поскольку при прочих равных условиях прохождение вихря создаст для обтекаемого тела больший крутящий момент, чем в устройстве по прототипу, следо- З5 вательно, большее усилие будет приложено через передающий элемент к преобразователю.

Ориентация профиля обтекаемого тела, соответствующая минимальному гидравли- 40 ческому сопротивлению для продольной составляющей потока и максимального — для поперечной составляющей, создаваемыми обтекаемым телом набегающему потоку, обеспечивает максимум сигнала, возбужда- 15 емого вихрями, и снижение чувствительности к пульсациям продольной составляющей потока, Снабжение узла сьема сигнала двумя преобразователями, установка преобразо- 50 вателей с противоположных сторон передающего элемента по линии его смещения. происходящего под воздействием вихрей . на обтекатель, и их электрическая связь с измерителем по дифференциальной схеме 55 позволит снизить уровень фоновых шумов, вызванных вибрациями трубопровода и пульсациями давления в потоке, и,,следовательно, повысить отношение сигнал/шум, Выбор отношения ширины обтекаемого . тела к диаметру измерительного участка трубопровода в пределах от 0,2 до 0,6 позволяет получить максимальную амплитуду колебаний обтекаемого тела, возбуждаемых проходящими вихрями. Оптимальной шириной обтекаемого тела является величина, равная половине отношения средней скорости потока в измерительном участке трубопровода к частоте образования вихрей на вихреобразующем элементе, и, следовательно, сравнимая с характерным размером вихреобразующего элемента, который всегда меньше диаметра трубопровода. Действительно, при ширине обтекаемого тела, выбранной больше указанного отношения, на противоположные стороны обтекаемого тела действуют два соседних вихря с результирующей отклоняющей силой. которая по абсолютной величине меньше отклоняющей силы одного из вихрей, В противном случае, при ширине обтекаемого тела, меньшей указаййого отношения, площадь, ограниченная контуром обтекаемого тела, видимым в направлении возбуждаемых колебаний, будет меньше, поскольку только часть проходящего вихря будет воздействовать на обтекаемое тело.

Наличие двух жестких упоров, каждый из которых расположен внутри корпуса на линии смещения передающего элемента, вызванного воздействием вихрей на обтекаемое тело, между одним иэ преобрэзователей и стенкой корпуса и соединен с ними, и выполнение каждого преобразователя жестким позволяют зафиксировать передающий элемент, снять часть нагрузки с гибкого герметизатора, увеличив тем самым ресурс работы расходомера. При этом амплитуда . сигнала будет пропорциональна деформации преобразователя, а не его перемещению, как это происходит в прототипе.

Укаэанная цель достигается также тем, что размещение обтекаемого тела на расстояниях от вихреобразующего элемента не меньше ширины обтекаемого тела, но не больших утроенного диаметра измерительного участка трубопровода, дает возмож- . ность получать максимальный сигнал при прочих равных условиях. Действительно, сближеййе обтекаемого тела и вихреобразующего элемента на меньшие расстояния, т.е, в зону формирования вихрей, приведет к биениям амплитуды сигнала и случайным изменениям частоты вихреобразования изза искажений формы образующегося вихря и возникновения более мелких вихрей и снизит точность измерений. Разнесение обтекаемого тела и вихреобразующего элемента на расстояния более трех диаметров

1811582 участка трубопровода 2. Второй конец обтекаемого тела 6 не соединен с противоположной стенкой измерительного. участка трубопровода 2 и может свободно колебаться в плоскости поперечного сечения этого участка, проходящего через диаметр, параллельный продольной оси вихреобразующего элемента 1, в направлении, перпендикулярном указанному диаметру, Кольцеобразная мембрана 7 размещена заподлицо с внутренней стороной стенки из50 измерительного участка трубопровода приводит к снижению амплитуды сигнала расходомера, вызванному постепенным разрушением вихря, сравнимому по величине с влиянием изменений других парамет- 5 ров на амплитуду этого сигнала, Обеспечение равенства моментов инерции обтекаемого тела и передающего элемента с присоединенными к нему преобразователями относительно образую- 10 щей измерительного участка трубопровода, проходящей через точку соединения герметизатора с обтекаемым телом и передающим элементом, приводит к снижению чувствительности вихревого расходомера к 15 вибрациям трубопровода, Нарушение равенства указанных моментов инерции приводит к модуляции полезного сигнала вибрационными составляющими, На фиг. 1 и 2 изображены продольный и 20 поперечный разрезы вихревого расходомера, Пример 1. Вихревой расходомер содержит вихреобразующий элемент 1, установленный по диаметру измерительного 25 участка трубопровода 2, посадочное гнездо

3, выполненное в стенке измерительного участка трубопровода 2 в виде сквозного отверстия, узел съема сигнала 4, установленный s посадочное гнездо 3 по диаметру 30 измерительного участкатрубопровода 2 параллельно вихреобразующему элементу 1.

Внутренний и наружный диаметры измерительного участка трубопровода 2 равны 40 и

45 мм. Узел съема сигнала 4 содержит кор- 35 пус 5, обтекаемое тело 6. герметизатор, выполненный гибким в виде кольцеобразной мембраны 7, первый и второй механоэлектрические преобразователи 8 и 9 передающий элемент 10, установленный внутри 40 корпуса 5 и соединенный с одним концом обтекаемого тела 6 через центр кольцеобразной мембраны 7, внутренняя кромка которой охватывает место соединения передающего элемента 10 и обтекаемого 45 тела 6 и соединена с ними. э наружная— соединена с нижним краем корпуса 5. Толщина кольцеобразной мембраны 7 (1 мм) меньше толщины стенки измерительного мерительного участка трубопровода 2, Такая конструкция узла съема сигнала 4 позволяет соединить его с измерительным участком трубопровода 2 с помощью сварки.

Обтекаемое тело 6 выполнено в форме пластины с заостренными боковыми кромками (ширина 15 мм, длина 35 мм) и размещено в плоскости осевого сечения измерительного участка трубопровода 2. проходящей через продольную ось вихреобразующего элемента 1. Обтекаемое тело 6 и передающий элемент 10 представляет собой два физических маятника, расположенных супротивно и жестко связанных между собой в точке соединения с кольцеобразной мембраной 7. Плоскость, в которой движутся маятники, совпадает с плоскостью поперечного сечения измерительного участка трубопровода 2. а ось вращения относитель- . но которой движутся маятники. совпадает с образующей этого участка, проходящей через центр кольцеобразной мембраны 7.

Первый и второй преобразователи 8 и 9 расположены на противоположных сторонах передающего элемента 10 по линии его смещения, происходящего под воздействием вихрей Кармана на обтекаемое тело 6, и соединены проводниками 13 и 14 через электрический разъем 15 с измерителем по дифференциальной схеме.

Жесткие упоры 11 и 12 расйоложены, внутри корпуса 5 на обращенных наружу поверхностях преобразователей 8 и 9 по указанной линии смещения передающего элемента 10 и оперты на противоположные стенки корпуса 5, Преобразователи 8 и 9 будучи выполнены жесткими, преобразовэтели 8 и 9 ограничивают амплитуду колебаний передающего элемента 1Î и обеспечивают его фиксированное положение в корпусе 5 через упоры 11 и 12, уменьшая тем самым возникающие в гибком герметиэаторе 7 механические напряжения и его износ, что приводит к увеличению ресурса работы расходомера.

Вихревой расходомер работает следующим образом. Вихри, возникающие в пото«е после вихреобразующего элемента 1, переносятся этим потоком по измерительному участку трубопровода 2 к узлу съема сигнала 4 и воздействуют на обтекаемое тело 6, вызывая его колебания, синхронные с прохождением этих вихрем, которые через передающий элемент 10 передаются нэ преобразователи 8 и 9, возбуждая в них равные ло амплитуде электрические колеба- . ния противоположной полярности. При дифференциальномсоединениилреобраэователей 8 и 9 с измерителем составляющие

1811582

7 8 сигналов, обусловленные колебаниями об- инерции передающего элемента 10 с разметекаемого тела 6 под действием вихрей, щенными на нем преобразователями 8 и 9 складываются,. в то время, как аддитивные равен моменту инерции обтекателя относисоставляющие этих сигналов, обусловлен- тельно оси вращения, совпадающей с обраные продольными пульсациями потока, вы- 5 зующей измерительного участка читаются. трубопровода 2, проходящей через центр

Описанное выше расположение узла кольцеобразной мембраны 7, а резонанссьема сигнала 4 позволяет в значительной ная частота соединенных кольцеобразной мере снизить чувствительность вихреаого мембраны 7, обтекаемого тела 6 и передаюрасходомера к вибрациям трубопровода. 10 щегоэлементасразмещенныминанемпреВибрации всех направлений кроме совпа- образователями составляет дающих с направлением воздействия вих- приблизительно 200 Гц, что превосходит рей на обтекаемое тело 6. возбужДают в максимальную частоту следования вихрей, преобразователях 8 и 9 синфазные сигналы, равную 100 Гц. которые компенсируются при дйфференци- 15 альномвключенииизмерителя.: . При вибрациях, направления которых

Оптимальная ширина об екаемого тела совпадают с направлением колебаний обте6 в направлении оси измерительного участ-... каемого тела 6 под действием проходящих ка трубопровода 2 равна wnoewe отноше- вихрей, преобразователи 8 и 9 работают как ния средней скорости потока в 20. акселерометры из-за равенства указанных измерительном участке трубопровода 2 к . моментов инерции, 8 противном случае, частоте образования вихрей на вихреобра- при неравенстве. этих моментов инерции, зующем элементе 1, Для трубопровода с преобразователи 8и9работают как датчики условным диаметром Oy = 40 мм при расхо- " давления и имеют более высокую чувствиде 20 мз/ч средняя скорость потока равна 25 тельность к указаннйм вибрациям, чем ак4,4 м/с, частота вихреобразования от вИхре-.,:.. : селерометры. образующего элемента 1 составила 10ОТц„ .-. :, Ф о р м у л а и з о б р е т е н и st а оптимальная ширина обтекаемого тела Ы -: " 1. Вихревой расходомер, содержащий мм. Силы воздействия на обтекаемое тело" вихреобразующий элемейт, установленный двух последовательных вихрей направлены 36 в измерительном участке трубопровода, и в противоположные стороны; поэтому ре-:; —:: обтекаемое тело, связанное с узлом съема зультируймщая их одновременного аоздей-:.;: сигнала через герметизатор, о т л и ч à ю ствияменьшелюбойиз них, Отклоненияот . "шийся тем, что, с целью повышения указанной выше ширины обтекаемого тела...: точности и. чувствительности, узел съема :

6 приводят к снижению амплитуды полезно- 35 сигнала выполнен в виде корпуса; в котором го сигнала расходомера, которое означает размещены передающий элемент, связанснижение чувСтвительности и отношения ный с.обтекаемым телом в точке его соедисигнал/шум.: нейия с .: герметизатором, два

Амплитуда полезной составляющейсиг- преобразователя, установленных на перенала растетсуаеличением площади проек- 40 дающем элементе и электрически связан, ции обтекаемого тела 6 йа плоскость, ных с измерителем по дифференциальной перпендикулярную направления его.коле-., схеме; и два жестких упора, соединяющих баний. до тех пор, пока линейный размер преобразователи с внутренними продольэтой проекции вдоль пбтока не превысйт ными стенками корпуса, а обтекаемое тело расстояния между центрами соседних вих- 45 установлено в отвесной плоскости, прохорей. дящей через ось измерительного участка

A ример 2. 8 вихревом расходомере, трубопровода, причем отношение ширины изготовлейном по примеру 1. обтекаемое обтекаемоготелакдиаметруизмерительнотело 6 удалено от вихреобразующего эле- го участка трубопровода от 0,2 до 0,6. мента 1 на расстояние, не меньше ширины 50 2. Расхадомер по и. 1, о т л и ч а ю щ и йобтекаемоготелаб,нонебольше,чемутро- с я тем, что обтекаемое тело удалено от енньФдиэметризмерительногоучасткатру- вихреобразующего элемента на расстоябопроеода 2, что.обеспечивает (при прочих йие, не меньшее ширины обтекаемого тела, равных условиях) наибольшие значения от- нонебольшееутроейногодиаметратрубопношения сигнал/шум. Для расстояний, пре- 55 ровода. вышающих указанный диапазон, амплитуда 3. Рэсходомер по пп. 1 и 2, о т л и ч а юполезиого сигнала стремится к амплитуде шийся тем, что, с целью снижения чувсттурбулентного шума. вительности к вибрациям трубопровода, пеО р и м е р 3. В вихревом расходомере, редающий элемент с размещенными на нем изготовленном по примерам 1, 2, момент преобразователями и обтекаемое тело име1811582

1О ют одинаковый момент инерции относительно образующей трубопровода, проходя щей через точку соединения герметизатора с обтекателем и передающим элементом.