Вихревой расходомер (варианты)

Изобретение относится к устройствам для измерения объемного расхода, весового расхода или скорости течения потока среды. Сущность: расходомер содержит подпорное тело, вихревой датчик. Подпорное тело расположено вдоль диаметра измерительной трубы и соединено с ее стенкой. Вихревой датчик установлен по потоку ниже подпорного тела в отверстии стенки измерительной трубы. Вихревой датчик содержит мембрану, флажок датчика, чувствительный элемент, закрепленный на поверхности флажка, температурный датчик. При этом один вариант конструкции расходомера предполагает размещение температурного датчика на дне глухого отверстия флажка датчика. Другой вариант - размещение температурного датчика в глухом отверстии подпорного тела. Технический результат: расширение функциональных возможностей устройства. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к вихревому расходомеру для измерения объемного расхода, весового расхода или скорости течения протекающей в измерительной трубе в одном направлении потока среды, содержащему расположенное по диаметру измерительной трубы подпорное тело, которое служит для создания вихря Кармана.

Объемный расход, соответственно весовой расход определяется как проходящий за единицу времени через поперечное сечение измерительной трубы объем среды, соответственно как проходящая за единицу времени через поперечное сечение измерительной трубы масса среды.

При работе такого вихревого расходомера возникает, как известно, по потоку ниже подпорного тела вихревая дорожка Кармана, колебания давления в которой вихревой датчик преобразует в электрический сигнал, частота которого пропорциональна объемному расходу, соответственно, скорости потока.

В US-A-6003384 описан обычно применяемый в настоящее время вихревой расходомер для измерения объемного расхода или скорости потока среды, которая проходит в имеющей стенку трубы измерительной трубе в одном направлении потока, при этом вихревой расходомер содержит:

- расположенное вдоль диаметра измерительной трубы подпорное тело, которое служит для создания вихрей Кармана и соединено в первом и втором местах фиксации, которые лежат противоположно друг другу, со стенкой трубы внутри измерительной трубы,

- реагирующий на создаваемые вихрями колебания давления вихревой датчик, который установлен по потоку ниже подпорного тела в отверстии стенки измерительной трубы и герметично закрывает это отверстие, при этом вихревой датчик содержит:

- закрывающую отверстие мембрану с обращенной к среде первой поверхностью и противоположной среде второй поверхностью,

- закрепленный на первой поверхности мембраны клиновидный флажок датчика, который короче диаметра измерительной трубы, а также имеет находящиеся на одной линии с образующей измерительной трубы основные поверхности, а также переднюю кромку и закрепленный на второй поверхности чувствительный элемент.

Если измеряется еще и температура среды с помощью температурного датчика, то можно определять весовой расход, например, вычислять с помощью микропроцессора, на основании массового расхода, типа среды и ее свойств, а также моментальной температуры.

Этот принцип действия вихревых расходомеров с различными типами вихревых датчиков уже давно известен. Так, например, в US-A 4048854 и US-A 4404858 показан температурный датчик, который расположен на стенке трубы внутри измерительной трубы так, что по нему проходит протекающая среда.

В JP-A 2000-2567 описан вихревой расходомер для измерения весового расхода, объемного расхода и скорости потока среды, которая протекает в имеющей стенку трубы измерительной трубе в одном направлении потока, при этом вихревой расходомер содержит:

- закрепленную с одной стороны на стенке трубы изнутри с помощью нижней пластины лопатку, которая во время работы создает вихри Кармана, короче диаметра измерительной трубы и имеет расположенные перпендикулярно направлению потока параллельные основные поверхности, а также округленную переднюю поверхность, на которой расположен температурный датчик,

- закрепленные вблизи места фиксации первые чувствительные элементы для создаваемых вихрями Кармана колебаний давления протекающей среды и

- закрепленные вблизи места фиксации вторые чувствительные элементы для создаваемых протекающей средой отклонений лопатки.

По этому температурному датчику также проходит протекающая среда, и тем самым, как установлено изобретателями, он является неустойчивым ко всем встречающимся во время работы средам, т.е. некоторые среды вызывают коррозию расположенных таким образом температурных датчиков.

Поэтому эти корродирующие температурный датчик среды должны исключаться изготовителем для использования вихревого расходомера. Однако такое исключение сужает область применения таких вихревых расходомеров, т.е. универсальность их применения и тем самым привлекательность на рынке.

Положенная в основу изобретения задача состоит в создании вихревого расходомера, содержащего подпорное тело и закрепленный в стенке измерительной трубы вихревой датчик, а также температурный датчик, который расположен так, что соответствующий вихревой расходомер можно использовать для сред, которые вызывают коррозию температурного датчика.

Эта задача решена с помощью вихревого расходомера для измерения весового расхода, объемного расхода или скорости потока среды, которая протекает в имеющей стенку трубы измерительной трубе в одном направлении потока, при этом вихревой расходомер, согласно первому варианту выполнения изобретения, содержит:

- расположенное вдоль диаметра измерительной трубы подпорное тело, которое служит для создания вихрей Кармана и соединено в первом и втором местах фиксации, которые лежат противоположно друг другу, со стенкой трубы внутри измерительной трубы,

- реагирующий на создаваемые вихрями колебания давления вихревой датчик, который установлен по потоку ниже подпорного тела в отверстии стенки измерительной трубы и герметично закрывает это отверстие, при этом центр отверстия вместе с центром первого места фиксации лежит на одной образующей измерительной трубы, и при этом вихревой датчик содержит:

- закрывающую отверстие мембрану с обращенной к среде первой поверхностью и противоположной среде второй поверхностью,

- закрепленный на первой поверхности мембраны флажок датчика, который короче диаметра измерительной трубы, а также имеет находящиеся на одной линии с образующей измерительной трубы основные поверхности, а также, по меньшей мере, одну переднюю кромку, и снабжен глухим отверстием, дно которого лежит вблизи, по меньшей мере, одной передней кромки, температурный датчик, который закреплен на дне глухого отверстия, и закрепленный на второй поверхности чувствительный элемент.

Для решения этой задачи создан также вихревой расходомер для измерения весового расхода, объемного расхода или скорости потока среды, которая протекает в имеющей стенку трубы измерительной трубе в одном направлении потока, при этом вихревой расходомер, согласно второму варианту выполнения изобретения, содержит:

- расположенное вдоль диаметра измерительной трубы подпорное тело, которое служит для создания вихрей Кармана и соединено в первом и втором местах фиксации, которые лежат противоположно друг другу, со стенкой трубы внутри измерительной трубы,

- реагирующий на создаваемые вихрями колебания давления вихревой датчик, который установлен по потоку ниже подпорного тела в первом отверстии стенки измерительной трубы и герметично закрывает это отверстие, при этом центр отверстия вместе с центром первого места фиксации лежит на образующей измерительной трубы, подпорное тело снабжено глухим отверстием, которое находится на одной линии со вторым отверстием в стенке трубы и в котором установлен температурный датчик, и при этом вихревой датчик содержит:

- закрывающую первое отверстие мембрану с обращенной к среде первой поверхностью и противоположной среде второй поверхностью,

- закрепленный на первой поверхности мембраны флажок датчика, который короче диаметра измерительной трубы и имеет находящиеся на одной линии с образующей измерительной трубы основные поверхности, а также, по меньшей мере, одну переднюю кромку, и закрепленный на второй поверхности чувствительный элемент.

В обоих вариантах выполнения изобретения основные поверхности флажка датчика предпочтительно образуют клин с единственной передней кромкой.

Преимущество изобретения состоит в том, что температурный датчик не имеет возможности соприкосновения с протекающей средой и поэтому не подвергается с ее стороны коррозии. Несмотря на это температурный датчик расположен так близко к среде, что он практически без задержки измеряет ее; а именно, он отделен от среды лишь тонкой стенкой вихревого датчика, соответственно, подпорного тела, и эти части, также как остальные части вихревого расходомера, выполнены из металла, предпочтительно нержавеющей стали, и тем самым имеют хорошую теплопроводность.

Другое преимущество изобретения заключается в том, что расположенный во флажке датчика, соответственно, в подпорном теле температурный датчик, согласно книге Ф.П.Инкропера и Д.П.Девитта "Основы переноса тепла и массы", 4-е издание, 1996, ISBN 0-471-30460-3, страницы 114-119 и 407, может работать совместно со вторым температурным датчиком, который закреплен, предпочтительно снаружи, на измерительной трубе, т.е. также не приходит в соприкосновение со средой. Когда предусмотрен второй температурный датчик, то обеспечивается, как известно, более точное измерение температуры, чем с помощью единственного температурного датчика.

Ниже приводится подробное описание изобретения и дополнительных преимуществ на основе примеров выполнения, которые показаны на чертежах. Одинаковые части на различных фигурах обозначены одинаковыми позициями, которые, однако, опускаются, когда это необходимо для наглядности. На фигурах изображено:

фиг.1 - частичный разрез вихревого расходомера, согласно первому варианту выполнения изобретения, в изометрической проекции в направлении потока;

фиг.2 - частичный разрез вихревого расходомера, согласно фиг.1, в изометрической проекции в направлении против потока;

фиг.3 - вихревой расходомер, согласно фиг.1 и 2, в изометрической проекции на виде снизу;

фиг.4 - продольный разрез вихревого расходомера, согласно фиг.3, в изометрической проекции;

фиг.5 - частичный разрез вихревого расходомера, согласно второму варианту выполнения изобретения, в изометрической проекции в направлении против потока.

Описание фиг.1-4 приводится совместно, поскольку все подробности не показаны на всех фигурах. Показанный на фиг.1 и 2 в изометрической проекции, с одной стороны, в направлении потока (фиг.1) и, с другой стороны, в направлении против потока, в качестве примера в частичном разрезе вихревой расходомер, согласно первому варианту выполнения изобретения, содержит закрепленный на стенке 21 измерительной трубы 2 и выступающий из отверстия 22 вихревой датчик. Он предпочтительно является динамически компенсированным вихревым датчиком с емкостным чувствительным элементом, как это описано в US-A 6003384, полное содержание которого включается в данное описание.

Внутри измерительной трубы 2 вдоль ее диаметра расположено подпорное тело 4^*, которое неподвижно соединено с измерительной трубой 2 с образованием изображенного первого места 41 фиксации и не изображенного второго места 41^* фиксации. Центр отверстия 22 и центр места 41 фиксации лежат на одной образующей измерительной трубы 2.

Подпорное тело 4 имеет отражающую поверхность 42, на которую во время работы набегает подлежащая измерению среда, например, жидкость, газ или пар. Кроме того, подпорное тело 4 имеет две боковые поверхности, из которых на фиг.1 и 2 изображена лишь одна (передняя) боковая поверхность 43. Отражающая поверхность 42 и боковые поверхности образуют две кромки отрыва, из которых на фиг.1 полностью изображена лишь одна (передняя) кромка 44 отрыва, а другая (задняя) кромка 45 отрыва лишь обозначена.

Подпорное тело 4, показанное на фиг.1 и 2, имеет по существу форму прямой треугольной колонны, т.е. колонны с треугольным поперечным сечением. Однако в изобретении можно использовать также другие обычные формы подпорного тела.

За счет набегания среды на отражающую поверхность 42 по потоку ниже подпорного тела 4 образуется в потоке вихревая дорожка Кармана за счет того, что на каждой кромке отрыва попеременно срываются вихри и увлекаются протекающим потоком среды. Эти вихри создают местные колебания давления в среде, повторяемость отрыва которых, отнесенная ко времени, т.е. их так называемая вихревая частота является мерой скорости потока и/или объемного расхода среды.

Колебания давления преобразуются с помощью вихревого датчика 3 в электрический сигнал, который подается в электронную схему оценки, которая вычисляет обычным образом скорость потока и/или объемный расход среды.

Вихревой датчик 3 установлен по потоку ниже подпорного тела 4 в отверстии 22 стенки 21 измерительной трубы 2 и герметизирует отверстие 22 относительно боковой поверхности измерительной трубы 2, для чего вихревой датчик 3 привинчен к стенке 21 трубы. Для этого служат четыре винта, из которых на фиг.1 и 2 изображены винты 5, 6 и 7, в то время как на фиг.3 показаны соответствующие отверстия 50, 60, 70, 80.

На фиг.1 и 2 показан выступающий внутрь измерительной трубы 2 через отверстие 22 стенки 22 трубы клиновидный флажок 31 и крышка 32 корпуса вихревого датчика 3. Крышка 32 корпуса переходит через тонкостенный промежуточный элемент 323 в удлинение 322, смотри указанный выше US-A 6003384.

Флажок 31 датчика имеет основные поверхности, из которых на фиг.1 и 2 изображена лишь основная поверхность 311. Главные поверхности находятся на одной линии с образующей измерительной трубы 2 и образуют переднюю кромку 313. Флажок 31 датчика может также иметь другие пространственные формы, например, может иметь две параллельные основные поверхности, которые образуют две параллельные передние кромки.

Флажок 31 датчика короче диаметра измерительной трубы 2; кроме того, он является жестким на изгиб и имеет глухое отверстие 314 (изображено лишь на фиг.4). Для того, чтобы глухое отверстие 314 имело достаточный диаметр, из основных поверхностей выступают части стенки, из которых на фиг.2 обозначена часть 315 стенки. Глухое отверстие 314 заканчивается вблизи передней кромки 313 и имеет там дно.

Кроме того, к вихревому датчику 3 относится закрывающая отверстие 22 мембрана 33 с обращенной к среде первой поверхностью 331 и противоположной среде второй поверхностью 332, смотри фиг.3 и 4. На поверхности 331 закреплен флажок 31 датчика, а на поверхности 332 - чувствительный элемент 35. Флажок 31 датчика, мембрана 33, ее кольцевой край 333 и закрепленная на мембране 33 часть 351 чувствительного элемента 35 предпочтительно выполнены в виде одной детали, например, из металла, в частности, из нержавеющей стали. Чувствительный элемент 35 создает указанный выше сигнал, частота которого пропорциональна объемному расходу протекающей среды.

Вблизи дна глухого отверстия 314 закреплен температурный датчик 34. Проводники 341, 342 температурного датчика 34 проходят по центру вверх через вихревой датчик 3.

От одного из проводников 341, 342 можно отказаться, когда температурный датчик 34 с одной стороны имеет электрический контакт с флажком 31 датчика и тем самым лежит на точке нулевого потенциала схемы. Температурный датчик 34 предпочтительно является датчиком с платиновым сопротивлением.

Поскольку флажок 31 датчика и, в частности, его часть 315 стенки можно выполнять достаточно тонкой, и, кроме того, они состоят из металла, то температурный датчик 34 практически имеет моментальную температуру протекающей у флажка 31 датчика среды и за счет небольшой теплоемкости системы в состоянии достаточно быстро и практически без задержки следовать за изменениями температуры. Таким образом, из измеряемой температурным датчиком 34 температуры среды и из сигнала вихревого датчика 3 можно обычным образом вычислять весовой расход.

На фиг.5, аналогично фиг.2, показан в изометрической проекции и в частичном разрезе расходомер 1' вихревого потока, согласно второму варианту выполнения изобретения. Части, одинаковые с показанными на фиг.2 частями, не обозначены на фиг.5, однако их позиции на фиг.2 снабжены апострофом.

Отличие второго варианта выполнения изобретения по сравнению с первым вариантом выполнения состоит, с одной стороны, в том, что подпорное тело 4' снабжено глухим отверстием 46, которое находится на одной линии со вторым отверстием 24 в стенке 2' трубы и в котором установлен температурный датчик 34', а также, с другой стороны, в том, что клиновидный флажок 31' имеет вторую плоскую основную поверхность 311'. Температурный датчик 34' имеет один проводник 341'.

Глухое отверстие 46 может быть предусмотрено с любой глубиной в подпорном теле 4', предпочтительно его дно 461 расположено так, что температурный датчик 34' находится в середине подпорного тела 4'.

Поскольку подпорное тело 4' в зоне глухого отверстия 46 может быть выполнено достаточно тонким и, также как флажок 31 датчика 31 на фиг.1-4, предпочтительно состоит из металла, в частности, нержавеющей стали, то температурный датчик 34' практически имеет моментальную температуру протекающей у подпорного тела 4' среды и за счет небольшой теплоемкости системы в состоянии достаточно быстро и практически без задержки следовать за быстрыми изменениями температуры. Таким образом, из измеренной температурным датчиком 34' температуры среды и из сигнала вихревого датчика 3' можно снова обычным образом вычислять весовой расход.

1. Вихревой расходомер (1) для измерения весового расхода, объемного расхода или скорости потока среды, которая протекает в измерительной трубе (2), снабженной стенкой (21), в одном направлении потока, при этом вихревой расходомер содержит расположенное вдоль диаметра измерительной трубы (2) подпорное тело (4), которое служит для создания вихрей Кармана и соединено в первом и втором местах (41, 41^*) фиксации, которые лежат противоположно друг другу, со стенкой трубы внутри измерительной трубы, реагирующий на создаваемые завихрениями колебания давления вихревой датчик (3), установленный по потоку ниже подпорного тела в отверстии (22) стенки (21) измерительной трубы и герметично закрывающий это отверстие, при этом центр отверстия (22) вместе с центром первого места (41) фиксации подпорного тела (4) лежит на одной образующей измерительной трубы (2), при этом вихревой датчик (3) содержит закрывающую отверстие (22) мембрану (33) с обращенной к среде первой поверхностью (331) и противоположной среде второй поверхностью (332), закрепленный на первой поверхности мембраны флажок (31) датчика, который короче диаметра измерительной трубы и имеет находящиеся на одной линии с образующей измерительной трубы основные поверхности (311), а также, по меньшей мере, одну переднюю кромку (313), и снабжен глухим отверстием (314), дно которого лежит вблизи, по меньшей мере, одной передней кромки (313), закрепленный на второй поверхности (332) чувствительный элемент (35), отличающийся тем, что температурный датчик (34) закреплен на дне глухого отверстия (314) флажка датчика.

2. Вихревой расходомер по п.1, отличающийся тем, что основные поверхности флажка датчика образуют клин с единственной передней кромкой (313, 313').

3. Вихревой расходомер (1') для измерения весового расхода, объемного расхода или скорости потока среды, которая протекает в измерительной трубе (2'), снабженной стенкой (21'), в одном направлении потока, при этом вихревой расходомер содержит расположенное вдоль диаметра измерительной трубы (2') подпорное тело (4'), которое служит для создания вихрей Кармана и соединено в первом и втором местах (41') фиксации, которые лежат противоположно друг другу, со стенкой трубы внутри измерительной трубы, реагирующий на создаваемые завихрениями колебания давления вихревой датчик (3'), установленный по потоку ниже подпорного тела в первом отверстии (22') стенки (21') измерительной трубы и герметично закрывает это отверстие, при этом центр первого отверстия (22') вместе с центром первого места (41') фиксации подпорного тела (4') лежит на одной образующей измерительной трубы (2'), подпорное тело (4') снабжено глухим отверстием, которое находится на одной линии со вторым отверстием (24) в стенке (21') трубы и в котором установлен температурный датчик (34'), при этом вихревой датчик (3) содержит закрывающую первое отверстие (22') мембрану с обращенной к среде первой поверхностью и противоположной среде второй поверхностью, закрепленный на первой поверхности мембраны флажок (31') датчика, который короче диаметра измерительной трубы (2') и имеет находящиеся на одной линии с образующей измерительной трубы основные поверхности (311'), а также, по меньшей мере, одну переднюю кромку (313'), и закрепленный на второй поверхности чувствительный элемент.

4. Вихревой расходомер по п.3, отличающийся тем, что основные поверхности флажка датчика образуют клин с единственной передней кромкой (313, 313').