Датчик давления для расходомера

 

Изобретение предназначено для использования в трубах большого диаметра, служащих для транспортировки текучей среды, содержащей включения и абразивные примеси. Датчик выполнен в форме трубчатого тела, имеющего расположенные последовательно друг за другом в направлении потока участок-диффузор, участок максимального диаметра и участок-конфузор. Отверстия для отбора давления в соответствующих поперечных сечениях трубчатого тела с его наружной стороны окружены осредняющими коллекторами. На внутренней поверхности участка-диффузора выполнены распределенные по периметру пазы, дно которых образует с линией уклона внутренней поверхности заданный угол. Секции пазов расположены друг за другом в продольном направлении. Заданная геометрия пазов позволяет изменять профиль скорости в потоке. Изобретение снижает шум и вибрацию в протяженных системах трубопроводов, исключает износ и кавитацию. 7 з.п. ф-лы, 7 ил.

Область техники Изобретение относится к измерению расхода текучих сред в закрытых трубопроводах, в частности к датчикам давления для используемых в таких случаях расходомеров.

Предшествующий уровень техники Обычно датчики давления, используемые для указанной выше цели, представляют собой расходомерные диафрагмы, измерительные сопла и трубки Вентури. Последние из перечисленных устройств выполнены в форме трубчатого тела, поперечное сечение которого постепенно, в направлении потока уменьшается от полного размера примерно до половинного значения, а затем снова увеличивается до первоначального значения. Измеряют разность давлений между точками, расположенными вверх по течению потока и отвечающими полному сечению, и точками, отвечающими минимальному сечению, при этом для отбора давления предусмотрено несколько отверстий, распределенных по периметру плоскости сечения и окруженных усредняющим коллектором, образующим кольцевую камеру.

Датчики давления описанного выше типа не вполне удовлетворительны, скажем, в отношении наблюдаемых при их работе потерь, пропускной способности и ввиду наступающих вибрации и шума.

В патенте США N 2573430 описан расходомер, который с целью снижения потерь в потоке выполнен без изменений поперечного сечения, при этом в стенке трубопровода выполнены косые отверстия; оси тех из них, которые расположены вверх по течению, направлены против потока, а оси тех из них, которые расположены вниз по течению потока, направлены по потоку. Разность давлений между этими отверстиями зависит в первую очередь от трения и включает компоненты динамического напора. Хотя в одном из вариантов такого расходомера сужение поперечного сечения потока и осуществляется по типу трубки Вентури, отверстия отбора давления размещены до и после самого узкого места, на одинаковом расстоянии от него и в местах одинакового сечения.

Трубка Вентури по патенту Германии N 305339, предназначенная для измерения скорости свободной газовой струи, имеет расположенный за самым узким местом участок с расширением, площадь поперечного сечения которого увеличивается ступенчато, что, по мысли заявителя, должно обеспечить нечувствительность к явлению косой обдувки.

Из патента Германии N 1022021 известно устройство для измерения разности давлений между двумя расположенными друг за другом участками канала; речь здесь идет о потоке газа, транспортирующего твердые материалы, когда на первом измерительном участке постоянного сечения измеряется разность давлений, являющаяся функцией количества перемещенного твердого материала, а на втором, расширяющемся наподобие диффузора измерительном участке измеряется разность давлений, на основании которой вычисляют расход транспортируемого газа.

Известен также датчик давления для расходомера, предназначенного для измерения расхода сильно загрязненных жидкостей, содержащих твердые частицы. Известный датчик давления выполнен в форме трубчатого тела с отверстиями для отбора давления в соответствующих поперечных сечениях трубчатого тела, имеющего последовательно расположенные участки: конус-диффузор, участок максимального диаметра и конус- конфузор (Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. Л. , Машиностроение, 1989, с. 101). Перепад давления для расчета расхода текучей среды определяют на участке конуса-конфузора. В этом случае повышение измеряемого перепада давления и, следовательно, повышение точности определения расхода достигается за счет увеличения максимального диаметра и связанных с этим длин участков конуса-диффузора и конуса-конфузора при сохранении угла конусности последнего. Это приводит к увеличению веса и габаритов датчика давления, а также к увеличению потерь энергии текучей среды, что является существенными недостатками известного датчика давления.

Раскрытие изобретения Задачей настоящего изобретения является создание усовершенствованного датчика давления для расходомера.

Решение поставленной задачи достигается благодаря тому, что у датчика в форме трубчатого тела, имеющего участок-диффузор, следующий за ним участок максимального сечения и участок-конфузор, согласно изобретению в области участка-диффузора, на его внутренней стенке выбраны пазы, которые обладают определенной геометрической конфигурацией и способны изменять профиль скоростей потока в желательную сторону, а участок максимального сечения имеет отверстия для отбора максимального давления.

Краткое описание фигур чертежей Изобретение детально поясняется с привлечением чертежей, на которых представлены: фиг. 1 - продольный разрез датчика давления с тремя точками отбора давления и тремя секциями пазов на участке-диффузоре; фиг. 2 - поперечный разрез по линии 1-1 на фиг. 1; фиг. 3 - детали выполнения паза диффузора; фиг. 4 - датчик давления, вид сбоку; фиг. 5 - поперечный разрез по линии 1-1 для варианта выполнения диффузора, снабженного следующими друг за другом пазами трех секций;
фиг. 6 - распределение скоростей в пристеночной области потока на начальном участке диффузора в отсутствии пазов;
фиг. 7 - распределение скоростей в пристеночной области потока на начальном участке диффузора при наличии пазов.

Варианты осуществления изобретения
Датчик давления, через который слева направо протекает поток текучей среды, выполнен в форме трубчатого тела, состоящего из входного патрубка (1) (для соединения с подводящей линией), следующего за патрубком диффузора (4), участка (5) максимального сечения, конфузора (8) и выходного патрубка (9). Одно из мест отбора давления (2) образовано на входном патрубке (1) отверстиями (3), которые распределены по периметру поперечного сечения и с внешней стороны (12) сообщаются с усредняющим коллектором (13); к коллектору присоединен штуцер (16) для отбора давления, равного давлению (P₁) в плоскости сечения (2).

Аналогично на участке (5) максимального сечения, имеющем длину (l₁) (фиг. 4), образован участок (6) с отверстиями (7) для отбора давления, которые снаружи окружены усредняющим коллектором и благодаря которым в штуцере (17) создается максимальное давление (P₂). На выходном патрубке (9) отверстия (11) образуют третий участок (10) для отбора давления (P₃), который с внешней стороны сообщается с усредняющим коллектором (15) со штуцером (18). На внутренней поверхности (19) участка-диффузора (4) выполнены пазы (20) в виде трех расположенных друг за другом секций с распределением пазов по периметру; дно пазов (21) образует с линией уклона внутренней поверхности (19) угол (α₁) ; угол уклона внутренней поверхности (α₂) равен половине угла при вершине конуса-раствора диффузора (α_o), который может составлять от 10^o до 90^o, а угол (α₁) больше угла уклона внутренней поверхности или равен ему; иными словами, дно паза параллельно оси трубчатого тела или ориентировано в направлении потока расходящимся образом. Переход от внутренней поверхности (19) в начало паза (20) образован торцевой поверхностью паза (23), которая ориентирована по нормали к оси трубчатого тела.

Согласно примеру выполнения, три секции пазов следуют друг за другом без промежутков между ними. Возможен, впрочем, и вариант лишь с одной секцией пазов, расположенных по периметру, и вариант с несколькими секциями пазов, когда между соседними секциями сохраняется промежуток, т.е. остается беспазовая поверхность в виде усеченного конуса.

В случае варианта с несколькими следующими друг за другом секциями пазы в отдельных секциях могут располагаться друг за другом, как представлено на (фиг. 2); они могут быть также смещенными друг относительно друга, как показано на (фиг. 5), причем, согласно (фиг. 5), пазы первой и третьей секций располагаются по образующей боковой поверхности конуса, а пазы второй секции занимают место посредине.

Боковые поверхности (22) пазов на представленных примерах выполнены параллельными друг другу; они вместе с тем могут расходиться или сходиться в направлении движения потока.

Размеры пазов следующие:
h/δ < 1,0; b/h≅ 3; l₂/l₃ ≅ 1,0; l₄/b≅2,0,
где h - максимальная глубина пазов;
δ - толщина стенок участка-диффузора (4);
b - ширина паза;
l₂ - длина паза;
l₃ - длина участка-диффузора;
l₄ - расстояние между соседними пазами в одной секции при обходе по наружному периметру.

Участок (5) с максимальным сечением может ограничиваться плоскостью сечения с отверстиями (7) для отбора давления, то есть практически иметь нулевую длину, так что участок диффузора непосредственно переходит в участок конфузора. На (фиг.4) длина участка (5) равна (l₁); максимальная длина (l₁) соответствует максимальному диаметру (d_max) участка максимального сечения;
l₁/d_max ≅ 1,0.

Конфузор (8) выполнен в форме коноидального сопла.

Описанный датчик давления работает по следующему принципу. Текучая среда поступает из подводящего трубопровода через входной патрубок (1) равного диаметра на участок диффузора (4). В пазах (20) возникают продольные вихревые потоки с разрежением внутри, в то время как в остальном течении в диффузоре создается положительный градиент давления. Эффект заключается в ускорении в сечении (2) течения в приграничном слое и в уменьшении сопротивления потоку вдоль внутренней поверхности (19).

На (фиг. 6) представлено распределение скоростей в пристеночном потоке в начале участка-диффузора (что соответствует плоскости сечения 2) при угле наклона α₂ внутренней поверхности (19) для варианта без пазов, причем вектор средней скорости (V₁) оказывается лежащим вне приграничного слоя. На (фиг.7) показаны характеристики потока с пазами (20), которые, образуя торцевые поверхности (23) и дно (21), приводят ко взаимной угловой ориентации; в данном случае (α₁= α₂), то есть дно (21) каждого паза параллельно оси. Угол наклона (α₂) внутренней поверхности (19) меньше, чем угол отрыва (α_sep(α_sep>α₂)); все же на кромке торцевой поверхности (23) происходит локальный отрыв и образование продольных вихрей между боковыми поверхностями (22) пазов, следствием чего является падение давления внутри продольных вихрей и уменьшение сопротивления потоку вдоль внутренней поверхности диффузора (19). Образуется такой профиль скоростей, при котором в приграничном слое имеет место увеличение скорости на ( Δ V) до значения (V₂). Эти процессы повторяются во всех секциях пазов, следующих друг за другом в направлении потока.

В результате пазы оказывают такое действие, что уже в сечении (2) скорость жидкости больше, а давление меньше, чем в подводящем трубопроводе, и в штуцере (16) через отверстия (3) для отбора давления создается минимальное давление (P₁).

В плоскости (6) с максимальным сечением текучая среда достигает своей самой низкой скорости, и, следовательно, в штуцере (17) через отверстия (7) создается максимальное давление (P₂).

В конфузоре (8) поток снова ускоряется и поступает в выходное сечение (10) с большей скоростью и более низким давлением, чем в трубопроводе, так что в результате в отверстиях (11) для отбора давления и соответственно штуцере (18) создается минимальное давление (P₃).

К штуцерам (16, 17, 18) присоединены приборы для измерения величины падения давления, например дифференциальные манометры, благодаря показаниям которых появляется возможность определять расход (объем/время) в плоскостях поперечного сечения (2 и 10) по нижеследующим формулам:


Q = Q₂ = Q₁₀
где D - диаметр трубопровода, в котором измеряют расход Q;
P₁, P₂, P₃ - давление в местах отбора давления (2, 6 или 10);
β - постоянный множитель:

α₃, α₄ - поправочные коэффициенты:


где kc₁, kc₂, kc₃ - поправочные члены, учитывающие неравномерность распределения скоростей в соответствующих сечениях (2, 6 и 10);
ε_D коэффициент уширения потока в диффузоре между плоскостями сечения (2 и 6):)
ε_D W₂/W₆ (W₂₍₆₎ - площади поперечного сечения в плоскостях (2 или 6);
ε_C - коэффициент сужения потока в плоскости сечения (10):
ε_C= W_c/W₁₀,
где W_с и W₁₀ - площадь суженного потока в сечении (10) и площадь сечения (10) выходного патрубка;
m=W₁₀/W₆;
ζ_1-2 коэффициент, учитывающий потери вследствие трения между плоскостями сечений (2 и 6);
ζ_2-3 коэффициент, учитывающий потери вследствие трения между плоскостями сечений (6 и 10).

Предлагаемый датчик давления для расходомеров за счет образования продольных вихрей в пазах позволяет уменьшить потери при прохождении текучей среды и увеличить коэффициенты пропускной способности, а также разность давлений, в частности в протяженных или разветвленных системах трубопроводов, состоящих из труб большого диаметра и служащих для транспортировки жидкостей или газов. Существенно улучшаются виброакустические свойства таких систем, а именно значительно снижается шум и вибрация. Удается полностью избежать износа измерительного участка, обусловленного его истиранием абразивными примесями в потоке. Датчик можно надежно эксплуатировать даже и тогда, когда в текучей среде содержатся включения, размер которых по порядку величины сопоставим с диаметром трубы. Наконец, здесь отсутствуют какие- либо ограничения, касающиеся максимальной скорости жидкости, поскольку на измерительном участке отсутствует опасность кавитации.

Промышленная применимость
Предлагаемый датчик давления для расходомера может найти применение в напорных газогидравлических системах различного назначения с условным диаметром трубопроводов от 10 до 2500 мм для измерения расхода одно- и многофазных текучих сред, содержащих включения различного физико-механического или химического состава. Особенно перспективным использование датчика представляется в трубопроводах среднего и большого диаметра (250-2500 мм), а также в трубопроводах с повышенным гидроабразивным или кавитационным коррозионно-эрозионным износом. Среди возможных областей использования датчика можно назвать следующие:
- водоснабжение и водоотведение населенных мест и промышленных предприятий;
- газовая и нефтяная промышленность;
- теплогазоснабжение и вентиляция населенных мест и промышленных предприятий;
- химическая и нефтехимическая промышленность;
- разработка месторождений полезных ископаемых гидравлическим способом;
- гидротранспорт хвостов обогатительных фабрик;
- системы транспортировки и распределения жидкого и газообразного топлива в энергетике;
- системы гидротранспорта строительных растворов и смесей;
- оросительные системы в сельском хозяйстве (гидромелиорация);
- технологические газогидравлические системы пищевой промышленности, например, в виноделии при перекачке деликатесных вин, в молочной промышленности, при перекачке соков и т.д.

Формула изобретения

1. Датчик давления для расходомера, выполненный в форме постепенно изменяющего свое поперечное сечение трубчатого тела с отверстиями для отбора давления в следующих друг за другом точках, которые распределены по периметру плоскостей сечения, а с наружной стороны трубчатого тела, имеющего в направлении потока последовательно друг за другом участок-диффузор (4), участок (5) максимального сечения и участок-конфузор (8), окружены усредняющим коллектором (13, 14, 15), отличающийся тем, что в области участка-диффузора на его внутренней поверхности (19) выполнены распределенные по периметру пазы (20), дно которых образует с линией уклона внутренней поверхности (19) угол α₁, больший или равный углу наклона α₂ внутренней поверхности, причем α₂≥ 1/2α_o, где α_o - угол раствора диффузора, при этом переход от внутренней поверхности (19) в начало паза образован торцевой поверхностью (23) паза, ориентированной по нормали к оси трубчатого тела, а участок (5) максимального сечения имеет отверстия (7) для отбора максимального давления (P₂).

2. Датчик давления по п.1, отличающийся тем, что угол раствора диффузора составляет от 10 до 90^o.

3. Датчик давления по п.1, отличающийся тем, что пазы (20) выполнены в виде секций, расположенных одна за другой.

4. Датчик давления по п.3, отличающийся тем, что секции пазов (20) расположены с образованием промежутка между ними.

5. Датчик давления по п.3 или 4, отличающийся тем, что пазы последовательно расположенных секций смешены друг относительно друга.

6. Датчик давления по любому из пп.1 - 5, отличающийся тем, что боковые стенки (22) пазов (20) параллельны одна другой.

7. Датчик давления по п.6, отличающийся тем, что пазы имеет следующие размеры:




где h - максимальная глубина пазов;
δ - толщина стенок участка-диффузора;
b - ширина пазов;
l₂ - длина пазов в одной секции;
l₃ - длина участка-диффузора;
l₄ - расстояние между соседними пазами по наружному периметру.

8. Датчик давления по любому из пп.1 - 7, отличающийся тем, что длина l₁ участка максимального сечения принимает значения между нулем и величиной, равной диаметру d_max участка максимального сечения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7

MM4A - Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 18.11.2008

Извещение опубликовано: 27.08.2009        БИ: 24/2009

QB4A Регистрация лицензионного договора на использование изобретения

Лицензиар(ы): Бычков Юрий Максимович

Вид лицензии*: НИЛ

Лицензиат(ы): Закрытое акционерное общество "Глоб Мера"

Договор № РД0055565 зарегистрирован 14.10.2009

Извещение опубликовано: 27.11.2009        БИ: 33/2009

* ИЛ - исключительная лицензия        НИЛ - неисключительная лицензия

---