Устройство для измерения расхода транспортируемой среды в трубопроводах
Изобретение предназначено для установки на трубопроводах большого диаметра. Расходомер содержит установленную в трубопроводе коаксиальную вставку заданного диаметра и длины, между которой и стенкой трубопровода выполнены радиальные перегородки, образующие продольные каналы одинакового сечения. В трех из этих каналов установлены датчики давления цилиндрической формы, имеющие приемники давлений, выполненные в виде трех прорезей в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, проходящих через ось трубопровода. Прорези связывают полость трубопровода с двумя внутренними камерами датчика давления и через импульсные трубки - с дифференциальным манометром. Две прорези сообщены с первой внутренней камерой. Третья прорезь, соединенная со второй внутренней камерой, выполнена со стороны набегающего потока. Изобретение обеспечивает повышение точности измерения, имеет малые габаритные размеры и значительно уменьшенное сопротивление потоку. 5 ил.
Изобретение относится к измерительной технике, используемой для определения расхода транспортируемой среды (жидкость, пар и газ) в трубопроводах, и найдет применение для автоматизации процессов регулирования в различных отраслях промышленности, энергетики, транспорта, коммунального хозяйства и т.п.
Известно устройство измерения расхода транспортируемой среды (Кремлевский П.П. «Измерение расхода и количества жидкости, газа и пара» М., 1980 г., стр.10-11). Оно представляет собой установленное в трубопроводе сужающее устройство, с заданными конструктивно-технологическими параметрами, и соединительные трубки, передающие статическое давление в трубопроводе перед сужающим устройством и в узком месте сужающего устройства на дифференциальный манометр. Разность (перепад) указанных давлений зависит от количества транспортируемой среды в трубопроводе и является мерой расхода. В качестве сужающего устройства используют диафрагмы, сопла, сопла и трубы Вентури и др. Известны также расходомеры с напорными устройствами, в которых создается перепад давления в зависимости от расхода в результате местного перехода кинетической энергии струи в потенциальную. К ним относятся дифференциальные трубки Пито и интегрирующие напорные трубки.
Недостатком данного устройства измерения расхода транспортируемой среды являются его большие габаритные размеры при установке в трубопроводах, вследствие обязательного наличия прямых участков до и после сужающего устройства. Другим недостатком данного устройства является низкая точность измерения при малых динамических напорах в трубопроводе, которые наблюдаются при малой скорости и плотности транспортируемой среды.
Ближайшим аналогом предлагаемого устройства является расходомер текучей среды, протекающей в трубопроводе от вышерасположенного по потоку места до нижерасположенного по потоку места, содержащий зонд для измерения перепада давления (датчик давления), имеющий расположенную против течения потока поверхность и выполненный с возможностью диаметрального расположения в трубопроводе, средства детектирования давления, расположенные снаружи трубопровода, средство для передачи первого давления текучей среды, сообщающее зонд средствами детектирования давления и выполненное по крайней мере с одним проводящим текучую среду отверстием, имеющим поперечную и продольную стороны, причем протяженность продольной стороны больше протяженности поперечной (RU №2263882 С2, МПК G01F 1/46, 2001 г.). Устройство содержит приемники полного и статического давления, которые соединены каждый со своей внутренней камерой, расположенной в теле зонда (датчике давления), а также импульсные трубки и дифференциальный манометр.
Основным недостатком этого расходомера текучей среды являются большие габаритные размеры зонда при установке в трубопроводе, поскольку для получения усредненных результатов зонды должны устанавливаться поперек потока диаметрально. Этот недостаток особенно проявляется с увеличением диаметра трубопровода.
Задачей изобретения является создание устройства измерения расхода транспортируемой среды с малыми габаритными параметрами, высокой точностью измерения и низким гидравлическим сопротивлением.
Из уровня техники не выявлено решений, имеющих признаки, совпадающие с отличительными признаками изобретения. Поэтому можно считать, что предложенное техническое решение соответствует условию изобретательского уровня.
Сущность изобретения заключается в установке в плоскости проходного сечения трубопровода перпендикулярно его оси датчика давления цилиндрической формы, имеющего приемники давления, выполненные в виде трех прорезей в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, проходящих через его ось и соединяющих полость трубопровода с двумя внутренними камерами, имеющимися в датчике давления, и связанными через импульсные трубки с дифференциальным манометром, причем две прорези выполнены в плоскости сечения датчика давления, нормального к оси трубопровода, и сообщены с первой внутренней камерой, а третья прорезь, сообщенная со второй внутренней камерой, выполнена в плоскости, проходящей через продольную ось трубопровода со стороны набегающего потока. В проходном сечении трубопровода установлена коаксиальная вставка, между ней и стенкой трубопровода выполнены радиальные перегородки, образующие продольные каналы одинакового сечения, в трех из этих продольных каналов, равномерно расположенных по окружности, установлены радиально и по центру датчики давления, первая и вторая камеры которых связаны через импульсные трубки с дифференциальным манометром, при этом диаметр коаксиальной вставки равен 0,75-0,85 внутреннего диаметра трубопровода, а ее длина равна 8 диаметрам круга площадью, равной площади проходного сечения одного продольного канала.
На фиг.1 представлено поперечное сечение трубопровода в месте установки устройства для измерения расхода транспортируемой среды и показана принципиальная схема его соединений, на фиг.2 - продольное сечение части трубопровода в месте установки того же устройства, на фиг.3 - продольной разрез датчика давления цилиндрической формы, на фиг.4 - поперечное сечение датчика давления по А-А.
Устройство для измерения расхода транспортируемой среды устанавливают в трубопроводе 1. Оно содержит коаксиальную вставку 2, которая закреплена в трубопроводе 1 посредством радиальных перегородок 3, равномерно расположенных по окружности. Эти радиальные перегородки 3, коаксиальная вставка 2 и участок трубопровода 1 образуют продольные каналы 4 одинакового сечения. В совокупности все продольные каналы 4 представляют собой наружный коаксиальный канал. Внутренняя часть коаксиальной вставки 2 образует центральный канал 5. В трех продольных каналах 4, равномерно расположенных по окружности, в районе середины вставки 2 радиально установлены датчики давления 6 цилиндрической формы. На поверхности датчика давления 6 выполнены три приемника давлений прорези 7 и 8, лежащие в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, причем длина всех прорезей равна рабочей длине датчика давлений 6, т.е. радиусу наружного коаксиального канала. Датчики давления 6 установлены таким образом, чтобы две прорези 7 лежали в плоскости, перпендикулярной оси трубопровода 1, совпадающей с плоскостью наибольшего перекрытия проходного сечения продольного канала 4 цилиндрическим телом датчика давления 6. Третья прорезь 8 выполнена в плоскости, проходящей через продольную ось трубопровода 1 со стороны набегающего потока. Внутри датчика давления 6 выполнены две независимые внутренние камеры 9 и 10, которые служат для выравнивания пульсаций и осреднения измеренного в продольном канале 4 давления. Камера 9, посредством прорезей 7, и камера 10, посредством прорези 8, сообщаются с поверхностью датчика давления 6. Длину датчиков давления 6 выбирают из условия, чтобы один их торец касался коаксиальной вставки 2, а другие торцы были расположены вне трубопровода 1. К этим торцам присоединены штуцера отбора давлений 11 и 12, связанные одним концом с камерами, соответственно 9 и 10, а другим концом через импульсные трубки 13 и 14 с усредняющими коллекторами, соответственно 15 и 16. При этом камеры 9 всех трех датчиков давления 6 соединяются с коллектором 15, а камеры 10 всех датчиков - с коллектором 16. Усредненные сигналы коллекторов 15 и 16 по соединительным трубкам, соответственно 17 и 18, подаются на дифференциальный манометр 19. Диаметр коаксиальной вставки 2 равен 0,75-0,85 внутреннего диаметра трубопровода 1. Эта величина обуславливается тем, что при диаметре коаксиальной вставки 2 меньше 0,75 внутреннего диаметра трубопровода 1 растут размеры датчика давления 6, а при диаметре больше 0,85 начинается снижение динамического напора, за счет перераспределения потоков транспортируемой среды между наружным коаксиальным каналом и центральным каналом 5. Длина коаксиальной вставки 2 выбирается так же, как и для стандартных расходомерных сопел, т.е. четыре калибра до и столько же после расходомера. Под калибром понимается не диаметр трубопровода 1, а диаметр круга площадью, равной площади проходного сечения продольного канала 4, где установлены датчики давления 6. Количество продольных каналов 4 в трубопроводе 1 определяется его диаметром, чем он больше, тем больше продольных каналов 4 может быть. Число продольных каналов 4, в которых устанавливаются датчики давлений 6, должно быть не менее трех, из расчета установки трех датчиков давлений 6, равномерно расположенных по окружности, т.е. через 120°.
Ширина (b) прорезей 7 и 8 на цилиндрической поверхности датчика давления 6 может быть принята равной рекомендованной правилами для ширины прорези кольцевых камер на стенке трубопровода сужающих диафрагм, т.е. не выше чем 0,03 диаметра датчика давления (dд) при:
(fд)2/(fк)2>0,55 или 0,01 dд<b<0,02 dд при (fд)2/(fк)2<0,45.
Но при этом рекомендуется, чтобы ширина прорези 7 и 8 находилась в пределах 3 мм<b<10 мм.
Устройство работает следующим образом. Поток транспортируемой среды в трубопроводе 1 разделяется коаксиальной вставкой 2 на центральный поток, который беспрепятственно проходит через центральный канал 5, и на продольные потоки, которые проходят мимо радиальных перегородок 3 через продольные каналы 4. В трех продольных каналах 4 установлено по датчику давления 6, которые омываются потоком транспортируемой среды и создают градиент давления на их поверхности. Давление через прорези 7 и 8, расположенные в местах минимального и максимального давления, передается в камеры, соответственно 9 и 10, затем через штуцера отбора давлений, соответственно 11 и 12, и импульсные трубки, соответственно 13 и 14, передается на коллекторы 15 и 16, при этом внутренние камеры 9 всех трех датчиков 6 соединяются с коллектором 15, а камеры 10 всех датчиков 6 - с коллектором 16. Усредненные сигналы коллекторов 15 и 16 по соединительным трубкам, соответственно 17 и 18, подаются на дифференциальный манометр 19. Величина разности давлений пропорциональна величине расхода транспортируемой среды.
Сопротивление такого расходомера, установленного в трубопроводе 1, ничтожно мало, так как проходное сечение центрального канала 5 совсем не меняется, а проходное сечение продольных каналов 4, где установлены датчики давления 6, составляет всего несколько процентов от общего сечения трубопровода 1. Даже полное перекрытие одного или нескольких продольных каналов 4 не приведет к заметному увеличению сопротивления трубопровода 1.
Конструкция устройства для измерения расхода транспортируемой среды в трубопроводах 1 позволяет заметно уменьшить длину прямых участков до и после расходомера. Фактически достаточно длины коаксиальной вставки 2, чтобы устранить влияние радиальных перегородок 3 на показания датчиков давления 6, а размещение датчиков давления 6 позволяет учесть все неравномерности распределения расхода транспортируемой среды в месте установки датчиков.
При измерении расхода транспортируемой среды в трубопроводах прямоугольного сечения в него вставляют измерительный участок круглого сечения и стыкуют с обеих сторон посредством переходников с фланцами. При этом происходит некоторое увеличение общей длины участка установки устройства для измерения расхода транспортируемой среды.
По надежности и ремонтопригодности предлагаемое устройство превосходит существующие устройства, поскольку размеры датчика давления значительно меньше. Так, для диаметра трубопровода 1000 мм длина известного датчика давления составит (с учетом его крепления) 1150-1200 мм. Длина трубопровода, необходимая для установки известного устройства, составит 8 м. Для этого же диаметра трубопровода 1000 мм предлагаемое устройство имеет коаксиальную вставку диаметром 750 мм, 12 продольных каналов, количество датчиков давления 3, их длина (с учетом крепления) 300-320 мм. Длина трубопровода, необходимая для установки предлагаемого устройства, составит всего 1,5 м. При увеличении числа продольных каналов до 18, или диаметра коаксиальной вставки до 0,8 диаметра трубопровода, длина коаксиальной вставки может быть уменьшена, так как площадь сечения продольного канала будет меньше.
Предлагаемое устройство для измерения расхода транспортируемой среды позволит установить его на трубопроводах, расположенных в стесненных условиях, особенно на трубопроводах большого диаметра. Оно имеет меньшие габаритные размеры, повышает точность измерений и имеет значительно меньшее сопротивление, чем известные расходомерные устройства.
Устройство для измерения расхода транспортируемой среды в трубопроводах, содержащее установленный в плоскости проходного сечения трубопровода перпендикулярно его оси датчик давления цилиндрической формы, имеющий приемники давления, выполненные в виде трех прорезей в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, проходящих через его ось и соединяющих полость трубопровода с двумя внутренними камерами, имеющимися в датчике давления и связанными через импульсные трубки с дифференциальным манометром, причем две прорези выполнены в плоскости сечения датчика давления, нормального к оси трубопровода, и сообщены с первой внутренней камерой, а третья прорезь, сообщенная со второй внутренней камерой, выполнена в плоскости, проходящей через продольную ось трубопровода со стороны набегающего потока, отличающееся тем, что в проходном сечении трубопровода установлена коаксиальная вставка, между ней и стенкой трубопровода выполнены радиальные перегородки, образующие продольные каналы одинакового сечения, в трех из этих продольных каналов, равномерно расположенных по окружности, установлены радиально и по центру датчики давления, первая и вторая камеры которых связаны через импульсные трубки с дифференциальным манометром, при этом диаметр коаксиальной вставки равен 0,75-0,85 внутреннего диаметра трубопровода, а ее длина равна 8 диаметрам круга площадью, равной площади проходного сечения одного продольного канала.
