Расходомер г.а.паутова

 

Использование: для измерения расхода жидкости или газа в трубопроводе. Сущность изобретения: расходомер содержит корпус 1, устройство отбора полного давления в виде тонкостенного кольца 2 каплевидного сечения с кольцевым пазом 3, соединительные каналы 4, дренажный штуцер 5, штуцер отбора проб, контрольный штуцер, стойку 8 обтекаемой формы, датчик 9 температуры, измерительный преобразователь 10, штуцер 11 отбора статического давления, преобразователь 12 статического давления, преобразователь 13 перепада давления, процессор 14. 4 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано, в частности, для измерения расхода потока газа или жидкости в трубопроводе по среднему динамическому напору.

Известен расходомер, содержащий трубку, помещенную в трубопровод и воспринимающую полное давление, приемная часть которой направлена навстречу потоку, и штуцер для отбора статического давления, установленный в трубопроводе, соединенные с дифманометром [1] Это устройство обладает недостаточной точностью измерения расхода, поскольку последний измеряется только в одной точке и сильно зависит от изменения эпюры скоростей и изменения плотности потока в радиальном направлении.

Наиболее близким к изобретению является устройство для измерения расхода, содержащее калиброванный по внутреннему диаметру участок трубопровода с штуцером отбора статического давления в виде напорных трубок с щелевыми отверстиями, установленных перпендикулярно друг другу и связанных с дифманометром [2] Недостатком данного устройства является низкая точность измерения расхода. Основой составляющей ошибки является зависимость точности измерения расхода от изменений характера потока. Основным конструктивным недостатком устройства является его дестабилизирующее воздействие на поток в центре трубопровода.

Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения и обеспечение постоянства величины коэффициента расхода. Постоянство последнего обеспечивает независимость измерения расхода и количества газа от изменения эпюры скоростей, которая может изменяться в зависимости от состава газа, его термодинамического состояния, шероховатости внутренних стенок трубы, аэродинамического сопротивления.

Технический результат достигается тем, что расходомер, содержащий калиброванный по внутреннему диаметру участок трубопровода, штуцер отбора статического давления, установленный в отверстии на стенке трубопровода, устройство отбора полного давления, имеющее щелевые входные измерительные отверстия, расположенные со стороны входа в участок трубопровода, связанные с входами измерителя разности давлений, снабжен датчиками давления и температуры, а также процессором, а щелевые входные измерительные отверстия соединены в замкнутый кольцевой паз, выполненный в центре лобовой части тонкостенного кольца, имеющего каплевидное сечение и размещенного в зоне средней скорости измеряемого потока, при этом выходы датчиков давления, температуры и измерителя разности давлений соединены соответственно с тремя входами процессора.

На фиг. 1 показан расходомер, разрез; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 эпюра скоростей измеряемого потока среды; на фиг. 4 разрез Б-Б на фиг. 2.

Расходомер содержит трубчатый корпус 1, внутри которого закреплено устройство отбора полного давления, состоящее из тонкостенного кольца 2 каплевидного сечения, в лобовой части которого выполнен кольцевой паз 3. Кольцевой паз 3 сообщен посредством соединительных каналов 4 с выходами штуцеров 5, 6, 7 соответственно дренажного отбора проб и контрольного. Каналы 4 выполнены в стойках 8 обтекаемой формы, с помощью которых кольцо 2 закреплено в корпусе 1. Размеры и форма кольца 2 выбираются, исходя из минимального аэродинамического сопротивления и коэффициента расхода α равного единице. Для выполнения заданных условий кольцо 2 размещено в зоне средней скорости потока.

В корпусе 1 выполнены отверстия, в которых заподлицо с его внутренней поверхностью установлены датчики 9 температуры, соединенные с измерительным преобразователем 10. В корпусе 1 выполнен штуцер 11 отбора статического давления, сообщенный с измерительным преобразователем 12 статического давления Р и с измерительным преобразователем 13 перепада давления Δ Р, который сообщен с выходом штуцера 6. Измерительные преобразователи 10, 12, 13 электрически соединены с процессором 14 (вычислителем расхода).

Как показали исследования, перепад давления Δ Р не зависит от толщины щели и является функцией средней скорости и величины α (фиг. 1), которая ориентировочно оценивается из выражения α D0,787 (1) где средняя скорость потока.

Диаметр кольцевого паза D_к рассчитывается, исходя из внутреннего диаметра D_вн корпуса 1, расхода Q и состава измеряемой среды D_к D_вн 2b, где b расстояние от внутренней стенки корпуса 1 до оси паза 3.

Расчет упомянутых размеров производится по специальной методике.

Данная конструкция реализует метод "площадь скорость", при этом объемный расход Q определяется простым аналитическим выражением Q S , (2) где S площадь внутреннего сечения трубопровода; средняя скорость.

Предлагаемая конструкция расходомера выбрана, исходя из газодинамики потока внутри трубопровода, который характеризуется эпюрой скоростей (фиг. 3).

Исходя из характера изменения скорости потока от стенки трубопровода, где v 0, до оси трубопроводов, где скорость максимальна, естественно предположить, что на участке кривой зависимости скорости от месторасположения v 0 до v v_max есть точка, соответствующая средней скорости .

При измерении скорости в этой точке в чистом виде реализуется аналитическое выражение (2).

Многочисленные исследования по нахождению точки средней скорости закончились ее теоретическим определением на расстоянии 0,242R от внутренней стенки трубопровода, где R радиус трубопровода, а и б точки средней скорости (Лобачев П.В. и Шевелев Ф.А. Измерение расхода жидкостей и газов в системах водоснабжения и канализации. М. Стройиздат, 1985, с.238). Уникальной особенностью этих точек, как показали исследования, является то, что через них проходит эпюра скоростей любой конфигурации и это значит, что местонахождение точек средней скорости не зависит от характера потока. Кроме того, анализ статистических данных показал, что при гомогенной среде и развитом турбулентном потоке в трубопроводе верхняя и нижняя ветви v_o v_maxсимметричны.

На основании двух этих факторов можно сделать основополагающий теоретический вывод: точки средней скорости а и б инвариантны относительно характера потока и продольного сечения трубопровода. Следовательно, если выполнить бесконечно большое число продольных сечений трубопровода, до точки а и б сформируют их местонахождение в виде правильной окружности в поперечном сечении трубопровода с радиусом 0,758R, при этом центр окружности совпадает с геометрическим центром поперечного сечения трубопровода (фиг. 3).

Отсюда следует, что для реализации аналитического выражения (1) необходимо осуществить замер средней скорости v, проинтегрированной по всем точкам от n_i до n_j, при этом будет осуществлено 100%-ное усреднение средней скорости по окружности.

Такому требованию удовлетворяет конструкция устройства для отбора полного давления, изображенного на фиг. 1 и 2.

Расходомер работает следующим образом.

Корпус 1 соединяется с трубопроводом, перекачивающим измеряемую среду, например газ. При прохождении потока среды, например газа, по трубопроводу в лобовой части кольца 2 создается повышенная плотность газа, которая передается через паз 3, каналы 4 и штуцер 6 на измерительный преобразователь 13. Одновременно статическое давление с помощью штуцера 11 передается на преобразователь 12. Унифицированные электрические сигналы с измерительных преобразователей 10, 12, 13 поступают на процессор 14.

Перепад давления Δ Р пропорционален скорости потока . Расход газа определяется по формуле Q_v= S α·K·S (3)
Q_m= S α·K·S·
(4) где Q_v объемный расход;
Q_m массовый расход;
α коэффициент расхода;
К коэффициент сжимаемости газа в зоне кольцевого преобразователя;
Δ Р перепад давления;
ρ рабочая плотность газа.

При этом K 1- · + (5), где κ показатель адиабаты измеряемой среды
κ
(6)
При ≅ κ·0,005-0,0015 K 1
Подставляя в формулу (4) значение ρ ρ_ном получаем выражение расхода в массовых единицах
Q_m= α·K·S· · · (7)
Учитывая, что К 1, можно написать
Q_m= α·γ· (8) где γ постоянный коэффициент, рассчитываемый по формуле
γ S· ·
При условии α ˙ γ 1 основное расчетное аналитическое выражение приобретает вид
Q (9)
Данное аналитическое выражение расчета расхода реализуется с помощью процессора 14, на который выводятся значения измеренных величин.

Учитывая исходные условия измерения непосредственно средней скорости и малую деформацию потока газа, допустимо считать коэффициент расхода α постоянным и близким к единице.

Для ревизии показаний полного давления используется контрольный штуцер 7.

Основным достоинством расходомера является то, что он не требует калибровки α и реализует прямой метод измерения. Конструкция расходомера позволяет установить его вместо диафрагмы без реконструкций и изменения фланцевых соединений. Расходомер прост в изготовлении, имеет низкую стоимость и высокую точность измерения расхода, причем при индивидуальной калибровке может использоваться как образцовое средство.

Устройство для отбора полного давления благодаря своей конструкции практически не изнашивается и в силу центробежных по отношению к кольцевому пазу 3 сил газового потока паз 3 не забивается механическими примесями и взвесями. Паз 3 вместе с каналами 4 можно легко промыть растворителями без разборки расходомера и разгерметизации трубопровода. Для этого промывочную среду подают через штуцер 7, а сброс ее производят через штуцер 5.

Конструктивное исполнение устройства для отбора полного давления исключает накопление жидкости или конденсата при резком понижении температуры, оно само является стабилизатором потока.

Формула изобретения

Расходомер, содержащий калиброванный по внутреннему диаметру участок трубопровода с входом и выходом, штуцер отбора статического давления, установленный в отверстии на стенке трубопровода, и устройство отбора полного давления, имеющее щелевые входные измерительные отверстия, расположенные со стороны входа в участок трубопровода, связанные с входами измерителя разности давлений, отличающийся тем, что он снабжен датчиками давления и температуры, а также процессором, а щелевые входные измерительные отверстия соединены в замкнутый кольцевой паз, выполнненный в центре лобовой части тонкостенного кольца, имеющего каплевидное сечение и размещенного в зоне средней скорости измеряемого потока, при этом выходы датчиков давления, температуры и измерителя разности давлений соединены соответственно с тремя входами процессора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4