Датчик давления для расходомера

 

Изобретение предназначено для использования на трубопроводах большого диаметра при измерении расхода среды, содержащей абразивные включения. Датчик в форме трубчатого тела имеет входной патрубок, участок-диффузор, участок с максимальным сечением, участок-конфузор и выходной патрубок. В области перехода от входного патрубка к диффузору размещен первый ряд продольных ребер, а в выходном патрубке - второй ряд продольных ребер. Конфигурация ребер может быть прямолинейной или волнообразной. Ребра имеют заданные размеры и расположены в диаметральных плоскостях. Изобретение обеспечивает высокую точность измерения за счет снижения суммарных потерь давления в потоке. 7 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к измерению расхода текучих сред в закрытых трубопроводах, в частности к датчикам давления для расходомеров. Более конкретно, речь идет о датчике давления для трубопроводов и систем трубопроводов, имеющих большой диаметр.

Обычно датчики давления представляют собой расходомерные диафрагмы, измерительные сопла и трубки Вентури. Последние из названных устройств представляют собой трубчатые тела, сечение которых постепенно, в направлении движения потока, уменьшается от полного размера примерно до половинного значения площади и затем снова увеличивается до полного значения. Измеряют разность давлений между точкой, лежащей вверх по движению потока и соответствующей полному сечению, и точкой, соответствующей минимальному сечению, при этом давление отбирается в нескольких точках, распределенных по периметру сечения и окруженных усредняющим коллектором.

При протекании текучей среды через такие датчики давления неизбежны потери энергии; пропускная способность датчиков ограничена, а полученные с их помощью результаты измерений далеко не всегда надежны, в особенности в случае трубопроводов большого диаметра.

Сказанное выше справедливо и в отношении известного из патента Германии N 454409 измерительного сопла, которое может быть преобразовано в трубку Вентури и которое удерживается на месте лишь благодаря зажиманию между двумя фланцами. Поперечное сечение канала на всем протяжении трубы представляет собой круг.

Из патента Германии N 1022021 известно устройство для измерения разности давлений между двумя следующими друг за другом участками канала, при этом речь идет о газах, транспортирующих твердые материалы; на первом измерительном участке постоянного сечения измеряют разность давлений, которая является функцией количества переносимого газом твердого материала; на втором, расширяющемся наподобие диффузора измерительном участке измеряют разность давлений, которую кладут в основу расчета производительности транспортирующего газа. И в этом случае любое поперечное сечение канала представляет собой круг, а измерительный участок выполнен в виде сужения.

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 точках, которые расположены по периметру поперечного сечения 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 существенным недостатком датчика давления.

Задача настоящего изобретения заключается в создании такого датчика давления, который можно было бы использовать на трубопроводах и системах трубопроводов большого диаметра для достижения хорошей точности измерений за счет сокращения потерь энергии также в случае больших величин расходов.

Поставленная задача решается благодаря тому, что в датчике давления, выполненном в форме трубчатого тела со входным патрубком и, последовательно: участком-диффузором, участком с максимальным сечением, участком-конфузором и выходным патрубком, согласно изобретению в области перехода от входного патрубка к участку-диффузору, а также на выходном патрубке размещены два ряда продольных ребер, которые от внутренней поверхности датчика выступают внутрь по радиусу и определенным образом спрофилированы, при этом участок с максимальным сечением имеет отверстия для отбора максимального давления.

Изобретение детально поясняется чертежами, на которых представлены: фиг. 1 - датчик давления, вид сбоку, с половинным разрезом; фиг. 2 - разрез по линии 1-1 на фиг. 1; фиг. 3 - разрез по линии 2-2 на фиг. 2; фиг. 4 - разрез по линии 3-3 на фиг. 3; фиг. 5 - различные формы ребра (в продольном направлении).

Варианты осуществления изобретения Датчик давления, через который слева направо протекает текучая среда, выполнен в форме трубчатого тела, состоящего из входного патрубка 1, присоединенного к подводящему трубопроводу; за патрубком расположены участок-диффузор 3, участок 4 с максимальным поперечным сечением, участок-конфузор 6 и выходной патрубок 7. Поперечное сечение измерительного канала 21 изменяется постепенно, предпочтительно без резких изгибов и, по крайней мере, при обеспечении плавного течения.

Отверстия 18 для отбора давления располагаются в плоскости поперечного сечения 2 и распределены по периметру сечения; с внешней стороны 9 отверстия сообщаются с усредняющим коллектором, который снабжен штуцером 11 для отбора давления (P₁), равного давлению в сечении 2.

Аналогично, на участке 4 с максимальным сечением отверстия 14 отбора давления располагаются в плоскости 5 и с внешней стороны 12 окружены усредняющим коллектором 13; в отверстиях создается максимальное давление (P₂), равное давлению в штуцере 14. На выходном патрубке 7 по периметру в плоскости сечения 8 размещены отверстия 20 для отбора давления (P₃), которые окружены усредняющим коллектором 16 со штуцером 17.

В измерительном канале 21 от внутренней поверхности трубчатого тела выступают продольные ребра, при этом первый ряд ребер 24 распределен по периметру в области перехода от входного патрубка 1 к началу участка-диффузора 3 по течению потока от отверстий 18 для отбора давления; второй ряд ребер 26 расположен на выходном патрубке 7 по течению потока от отверстий 20 для отбора давлений. Ребра 24 в своей передней части отходят от внутренней поверхности 22 входного патрубка 2, а в задней части - от внутренней поверхности 23 участка-диффузора 3.

На (фиг. 1-4) ребра являются плоскими и идущими в продольном направлении, то есть они располагаются в диаметральных плоскостях. Внутренний край ребер параллелен оси трубчатого тела, так что своей максимальной высоты (h₁) они достигают на заднем крае.

Возможен и вариант выполнения ребер 24, 26 с наклоном к направлению потока; то есть с плоскостями поперечного сечения они образуют некоторый угол, отличный от 90^o. Ребра могут равномерно распределяться по периметру, как показано на (фиг. 1-4); впрочем, не исключено и неравномерное распределение их.

Ребра чаще всего прямолинейны, как показано на (фиг. 1-4) и на (фиг. 5). Вместе с тем, на своем протяжении ребра могут быть зубчатыми, как на позиции 28, иметь периодический прерывистый характер, как на позиции 29, или быть волнообразными, как на позиции 30.

Вариант выполнения согласно (фиг. 1-4) изображает ребра 24 первого ряда и ребра 26 второго ряда расположенными на совпадающих участках периметра; вместе с тем, ребра могут располагаться по периметру со смещением относительно друг друга. Число ребер в рядах может быть одинаковым или различным.

Передний край ребер 24 первого ряда расположен предпочтительно в направлении течения потока позади (то есть ниже по течению) отверстий 18 для отбора давления на входном патрубке 1, где создается давление (P₁), а передний край ребер 26 второго ряда расположен предпочтительно в направлении течения потока позади отверстий 20 для отбора давления (P₃) на выходном патрубке. Места размещения ребер и соседних с ним отверстий для отбора давления, лежащих выше по течению, могут совпадать или быть смещенными друг относительно друга, как показано на (фиг. 2-4).

Размеры ребер 24 первого ряда удовлетворяют следующим условиям: h₁/d₁ ≅ 0,5; l₁/l₂ ≅ 1,0; l₃/δ₁≅ 1,0, где h₁ - максимальная высота ребер; d₁ - внутренний диаметр входного патрубка;
l₁ - длина ребер;
l₂ - длина участка-диффузора;
δ₁ - толщина стенки ребер;
l₃ - расстояние между обращенными друг к другу поверхностями смежных ребер при их равномерном распределении при обходе по периметру, измеренное в точках основания на внутренней поверхности входного патрубка.

Это означает, что

где n₁ - число ребер первого ряда. В свою очередь, размер ребер 26 второго ряда удовлетворяет следующим условиям:
h₂/d₂ ≅ 0,5; l₄/l₅ ≅ 1,0; l₆/δ₂≥ 1,0,
где h₂ - высота ребер;
d₂ - внутренний диаметр выходного патрубка;
l₄ - длина ребер;
l₅ - расстояние между задним краем выходного патрубка и плоскостью 8 с отверстиями 20 для отбора давления;
δ₂ - толщина стенки ребер;
l₆ - расстояние между обращенными друг к другу поверхностями смежных ребер при их равномерном распределении при обходе по периметру, измеренное в точках основания на внутренней поверхности выходного патрубка.

Это приводит к выражению:

где n₂ - число ребер второго ряда.

Принцип действия описанного датчика давления следующий. Текучая среда проходит через входной патрубок, где регистрируется давление (P₁), участок-диффузор 3, участок 4 с максимальным сечением, где регистрируется давление (P₂), конфузор 6 и выходной патрубок 7, в плоскости сечения 8 которого регистрируется давление (P₃).

В месте нахождения ребер первого ряда начинается действие диффузора, следствием чего является возникновение положительного градиента давления в направлении потока, в то время как между стенками ребер преобладает постоянный перепад давления, благодаря чему в каждом из каналов, образованных внутренней поверхностью 23 диффузора 3 и смежными ребрами 24, возникают вихревые потоки с созданием разряжения внутри них. Эти вихревые потоки снижают сопротивление, которое жидкость испытывает вдоль внутренних поверхностей 22 и 23, и обуславливают ускорение в плоскости сечения 2. В результате скорость проходящей текучей среды в сечении 2 становится больше, а давление - меньше, чем в подающем трубопроводе, а в отверстиях 18 для отбора давления и, следовательно, в ускоряющем коллекторе 10 и патрубке 11 создается минимальное давление (P₁).

Течение достигает в максимальном сечении 5 своей минимальной скорости, и, таким образом, в штуцере 14, через отверстие 19 отбора давления и усредняющий коллектор 13, создается максимальное давление (P₂). Вслед за этим поток снова ускоряется на сужающемся участке-конфузоре 6 и попадает в выходной патрубок 7 с сечением 8. В этом месте на внешнюю область потока воздействует второй ряд продольных ребер 26, что приводит к появлению вихревых потоков с разрежением, в то время как между обращенными друг к другу стенками смежных ребер 26 создаются условия для безотрывного потока, а на границе суженного сечения выполнены условия для отрыва потока. В результате уменьшается сопротивление потоку при движении вдоль внутренней поверхности 25 выходного патрубка, и текучая среда ускоряется в сечении 8. Через отверстие 20 отбора давления и усредняющий коллектор 16 в штуцере 17 устанавливается минимальное давление (P₃).

К штуцерам для отбора давления 11, 14, 17 присоединены соответствующие измерительные приборы, в частности дифференциальные манометры; на основании измеренного перепада давлений можно рассчитать расход по следующей формуле (единица измерения - объем в единицу времени):


Q = Q = Q₈, (3)
где D - диаметр трубопровода, в котором измеряется расход Q;
P₁ - давление в сечении 2;
P₂ - давление в сечении 5;
P₃ - давление в сечении 8;
k₂, k₈ - поправочные коэффициенты, учитывающие неравномерность распределения скоростей, потери вследствие трения и соотношение между площадями сечений 2, 5 и 8.

Описанный датчик давления для расходомеров позволяет существенно снизить (особенно в случае трубопроводов большого диаметра) суммарные потери давления, повысить пропускную способность и точность измерений.

Промышленная применимость
Предлагаемый датчик давления 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 датчиков 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.

Формула изобретения

1. Датчик давления для расходомера, выполненный в форме трубчатого тела, постепенно изменяющего свое поперечное сечение и имеющего отверстия для отбора давления по меньшей мере в двух следующих друг за другом точках, которые расположены по периметру поперечного сечения и с внешней стороны трубчатого тела окружены осредняющим коллектором, при этом трубчатое тело состоит из входного и выходного патрубков (1, 7) и расположенных между ними друг за другом в направлении потока участка-диффузора (3), участка (4) максимального сечения и участка-конфузора (6), отличающийся тем, что в область перехода от входного патрубка (1) к участку-диффузора (3) размещен первый ряд продольных ребер (24), а в выходном патрубке (7) - второй ряд продольных ребер (26), при этом ребра каждого ряда выступают от внутренней поверхности трубчатого тела и расположены в диаметральных плоскостях, а участок максимального сечения имеет отверстия (19) для отбора максимального давления (P₂).

2. Датчик давления по п.1, отличающийся тем, что ребра (24, 26) равномерно распределены по периметру.

3. Датчик давления по п.1 или 2, отличающийся тем, что ребра имеют прямолинейную конфигурацию.

4. Датчик давления по п.1 или 2, отличающийся тем, что ребра имеют волнообразную конфигурацию.

5. Датчик давления по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что передний край ребер (24) первого ряда расположен по течению ниже отверстий (16) для отбора давления, выполненных во входном патрубке (1), а передний край ребер (26) второго ряда расположен ниже по течению отверстий (20) для отбора давления, выполненных в выходном патрубке (7).

6. Датчик давления по любому из пп.1 - 5, отличающийся тем, что ребра (24, 26) смещены по периметру относительно отверстий для отбора давления (18, 20).

7. Датчик давления по любому из пп.1 - 6, отличающийся тем, что края ребер (24) первого ряда параллельны оси трубчатого тела и размеры ребер удовлетворяют следующим условиям:
h₁/d₁ ≅ 0,5,
l₁/l₂ ≅ 1,0,
l₃/δ₁≥ 1,0,
где h₁ - максимальная высота ребер первого ряда;
d₁ - внутренний диаметр входного патрубка;
l₁ - длина ребер;
l₂ - длина участка-диффузора;
l₃ - расстояние между обращенными друг к другу поверхностями соседних ребер первого ряда при их равномерном распределении по периметру;
δ₁ - толщина стенки ребер.

8. Датчик давления по любому из пп.1 - 7, отличающийся тем, что размеры ребер (26) второго ряда удовлетворяют следующим условиям:
h₂/d₂ ≅ 0,5,
l₄/l₅ ≅ 1,0,
l₆/δ₂≥ 1,0,
где h₂ - высота ребер;
d₂ - внутренний диаметр выходного патрубка;
l₄ - длина ребер;
l₅ - расстояние между задним краем выходного патрубка и его плоскостью (8) с отверстиями для отбора давления;
l₆ - расстояние между обращенными друг к другу поверхностями ребер второго ряда при равномерном их распределении по периметру;
δ₂ - толщина стенки ребер.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5

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

---