Устройство для измерения расхода газа

Изобретение относится к устройствам для измерения расхода газа диафрагменного типа и может быть использовано для измерения расхода газа, транспортируемого по магистральным и технологическим трубопроводам. Сущность: устройство содержит корпус с проходным каналом круглого сечения радиусом R_о. В проходном канале с допустимым отклонением от соосности [е] симметрично торцам корпуса и перпендикулярно его оси размещена диафрагма с проходным отверстием r_о<R_о. Отклонение от соосности определяется по формуле [e]=R₀ε², где ε - допустимая относительная погрешность измерения расхода газа, вызванная отклонением от соосности проходного отверстия в диафрагме и проходного канала круглого сечения. Разность давлений с разных сторон диафрагмы измеряется дифференциальным манометром. С корпусом соединены патрубки круглого сечения и, по крайней мере, один съемный патрубок, установленный со стороны выхода газа. Причем внутренние поверхности проходного канала и патрубков круглого сечения выполнены способом растачивания за один установ на длину более 4 R_о в каждом направлении от среднего поперечного сечения диафрагмы. Технический результат: повышение точности измерений. 2 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике, а точнее к устройствам диафрагменного типа для измерения расхода газа, транспортируемого по магистральным и технологическим трубопроводам в газовой промышленности.

Известно устройство для измерения расхода газа /А.с. №951075, кл. G01F 1/34, 1976 г./.

Известное устройство содержит корпус с камерами для отбора давлений, разделенными между собой съемной измерительной диафрагмой и поперечным щелевидным окном для извлечения диафрагмы, герметизирующую крышку, уплотнительные элементы и накладку.

Недостатком данного устройства является отсутствие свойства реверсивности, так как конструкция уплотнения не позволяет использовать его при изменении направления движения газа, что снижает диапазон применения устройства.

Другим недостатком аналога является искажение величины отбираемого давления от диафрагмы в виде отложений твердых включений и невозможности качественной очистки глухого паза в корпусе устройства.

Известно устройство для измерения расхода газа /Каталог фирмы «Daniel Flow Products», 1994, с.9/. Это устройство содержит корпус с отверстиями отбора давления, разделенными между собой съемным держателем с диафрагмой и поперечным щелевидным глухим пазом для извлечения держателя с диафрагмой посредством зубчато-реечной передачи, уплотнительные элементы и герметизирующую крышку, а также механизм подъема держателя.

Недостатком известной конструкции устройства для измерения расхода газа является то, что оно не позволяет производить качественную очистку околодиафрагменной зоны от твердых отложений из-за глухого паза в нижней части корпуса.

Это также снижает точность отбора давления и последующего измерения газа.

Известно сужающее устройство для измерения расхода газа /патент РФ №2129701, МПК G01F 1/42/, содержащее закрытый крышкой корпус с отверстиями для отбора давления газа, держатель с диафрагмой, зубчато-реечную передачу, съемный механизм подъема для извлечения из корпуса держателя с диафрагмой, а также патрубки подвода и отвода газа.

Выполнение паза сквозным под держателем диафрагмы позволяет облегчить обслуживание, так как возможно, сняв крышку снизу, провести ревизию и очистить устройство от накопившихся твердых отложений. Кроме того, это позволяет повысить точность отбора давления и последующего измерения газа за счет исключения дополнительного возмущения газового потока на входе диафрагмы от механических отложений.

Однако известная конструкция не позволяет провести ревизию внутренней полости устройства без разборки самого устройства, что также снижает точность измерения расхода газа, так как при значительных накоплениях механических отложений ось газового потока смещается относительно оси диафрагмы.

Наиболее близким по технической сущности решением - прототипом заявляемого решения является сужающее устройство для измерения расхода газа /Патент №48221, МПК G01F 1/34, опубл.2005 г./, содержащее корпус с проходным каналом радиусом Ro, в котором с допустимым отклонением от соосности «е» симметрично торцам корпуса и перпендикулярно его оси размещена диафрагма с проходным отверстием «r_o»<R_o, a также, по крайней мере, один съемный патрубок и дифференциальный манометр, измеряющий разность давлений с разных сторон диафрагмы.

Недостаток прототипа - неравномерность распределения скорости потока газа, вызванная неравномерностью распределения скорости потока газа по сечению проходного канала, так как сборочные единицы, из которых образовано отверстие для прохода газа: корпус с диафрагмой, патрубки для отвода и подвода газа выполнены раздельно, т.е. не за один установ, что при сборке этих единиц способствует появлению уступов и сочленений, что в свою очередь приводит к изменению распределения скорости потока газа по сечению проходного канала и способствует вихреобразованию потока газа вблизи места сопряжения внутренних поверхностей проходного канала и патрубков и увеличивает таким образом относительную погрешность измерения расхода газа.

Техническая задача, стоящая перед авторами, - уменьшить относительную погрешность измерения расхода газа.

Технический результат достигается тем, что в известном устройстве для измерения расхода газа, содержащем корпус с проходным каналом круглого сечения радиусом Ro, в котором с допустимым отклонением от соосности - «е» симметрично торцам корпуса и перпендикулярно его оси размещена диафрагма с проходным отверстием «r_o»<R_o, а также, по крайней мере, один съемный патрубок, установленный со стороны выхода газа и дифференциальный манометр, измеряющий разность давлений с разных сторон диафрагмы, внутренние поверхности проходного канала и патрубков выполнены способом растачивания за один установ на длину более 4 R_o в каждом направлении от среднего поперечного сечения диафрагмы, а отклонение от соосности определяется по формуле е=R_o ε², где ε - допустимая относительная погрешность измерения расхода газа, вызванная отклонением от соосности проходного отверстия в диафрагме и проходного канала круглого сечения.

Заявляемое устройство для измерения расхода газа представлено на чертежах, где

На фиг.1 показан общий вид устройства.

На фиг.2 показаны расположение проходного отверстия в диафрагме относительно оси проходного канала и эпюра касательного напряжения в поперечном сечении трубы.

Заявляемое устройство для измерения расхода газа содержит корпус 1 с проходным каналом 2 круглого сечения радиусом Ro, в котором с допустимым отклонением от соосности «е» симметрично торцам корпуса и перпендикулярно его оси размещена диафрагма 3 (Фиг.2) с проходным отверстием 4 радиусом (r_о)<R_o. При этом внутренние поверхности проходного канала 2 и патрубков 5 выполнены способом растачивания за один установ на длину более 4 R_o в каждом направлении от среднего поперечного сечения диафрагмы 3. Со стороны выхода газа установлен съемный патрубок 6, а также дифференциальный манометр 7.

Устройство для измерения расхода газа работает следующим образом.

При прохождении газа по проходному каналу 2 круглого сечения радиусом R_o, который выполнен способом расточки за один установ, через проходное отверстие в диафрагме вследствие торможения потока перед диафрагмой по ходу его движения и образования циркуляционной области за диафрагмой давление с разных сторон диафрагмы оказывается разным. Разность этих давлений Р₂-P₁ измеряется дифференциальным манометром 7. По разности давлений судят о расходе газа. С увеличением расхода газа разность давлений увеличивается. Однако разность давлений зависит не только от расхода газа, но и от расположения проходного отверстия в диафрагме относительно оси проходного канала. Это иллюстрируется фиг.2 и объясняется неравномерным распределением скорости потока по сечению проходного канала, которое в свою очередь существенно зависит от режима течения, который может быть ламинарным или турбулентным. Наиболее неравномерным по сечению является поток в случае ламинарного режима /Гидравлика, гидромашины и гидроприводы. Учебник для машиностроительных вузов. Т.М.Башта, С.С.Руднев, Б.Б.Некрасов и др., 2-е издание, перераб. М., Машиностроение, 1982 г., стр.84/, поэтому далее рассматривается именно этот режим. По данным /Гидравлика, гидромашины и гидроприводы. Учебник для машиностроительных вузов. Т.М.Башта, С.С.Руднев, Б.Б.Некрасов и др., 2-е издание, перераб. М., Машиностроение, 1982 г., стр.70-72/ распределение скорости в таком потоке в цилиндрической трубе определяется законом:

где V - скорость потока газа по окружности радиусом R;

V _max - максимальная скорость, имеющая место в центре сечения при R=0.

Если ось проходного отверстия в диафрагме смещена относительно оси проходного канала на величину «е», то справедливо полученное из (1) выражение:

Принимая во внимание, что радиус проходного отверстия в диафрагме r_o<R_o, можно пренебречь изменением скорости потока газа по сечению этого отверстия и определить расход через диафрагму следующим образом:

где r=0...R_o - текущая координата

Суммарная допустимая относительная погрешность измерения расхода газа с применением предлагаемого устройства, которая обычно задается техническими требованиями на измерительную систему, в которой будет работать устройство, определяется по известной из математической статистики формуле:

где, εi-другие случайные относительные погрешности измерения;

εj - систематические относительные погрешности измерения.

Допустимая относительная погрешность измерения расхода газа, вызванная отклонением от соосности проходного отверстия в диафрагме и проходного канала круглого сечения, определяется по формуле:

Подставив в формулу (6) значения расходов из (3) и (4) и упростив, имеем:

ε=(e/R_o)².

Откуда, ограничив значение «е», получена формула для определения допустимого отклонения от соосности проходного отверстия в диафрагме и проходного канала круглого сечения:

Например, при допустимой относительной погрешности измерения расхода газа, вызванной отклонением от соосности проходного отверстия в диафрагме и проходного канала круглого сечения, ε=0,05 и при радиусе проходного канала R_o=200 мм допустимое отклонение от соосности, рассчитанное по формуле (7), составляет:

[е]=0,5 мм.

Таким образом, новая совокупность существенных признаков изобретения позволила уменьшить относительную погрешность измерения расхода газа путем определения допустимого отклонения от соосности проходного отверстия в диафрагме и проходного канала для газа круглого сечения, а также за счет исключения возможности вихреобразования потока газа вблизи места сопряжения внутренних поверхностей проходного канала и патрубков приводящего к изменению распределения скорости потока газа по сечению проходного канала.

Устройство для измерения расхода газа, содержащее корпус с проходным каналом круглого сечения радиусом R₀, в котором с допустимым отклонением от соосности [е] симметрично торцам корпуса и перпендикулярно его оси размещена диафрагма с проходным отверстием r_o<R_o, разность давлений с разных сторон которой измеряется дифференциальным манометром, с корпусом соединены патрубки круглого сечения и, по крайней мере, один съемный патрубок, установленный со стороны выхода газа, отличающийся тем, что внутренние поверхности проходного канала и патрубков круглого сечения выполнены способом растачивания за один установ на длину более 4 R_o в каждом направлении от среднего поперечного сечения диафрагмы, а отклонение от соосности определяется по формуле [e]=R₀ε², где ε - допустимая относительная погрешность измерения расхода газа, вызванная отклонением от соосности проходного отверстия в диафрагме и проходного канала круглого сечения.