Расходомер

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к усовершенствованному конструктивному исполнению кориолисова расходомера, т.е. расходомера, использующего эффект Кориолиса для измерения параметров потока жидкостей, газов. Расходомер содержит взрывозащитную наружную оболочку, корпус в виде продольной трубы 1, заглушенной по концам входным и выходным рассекателями потока перекачиваемой среды, из которых входной рассекатель имеет патрубок 2 для соединения фланцем 3 с входной гидролинией и два канала, соединенных с двумя U-образными трубками 4, 5 вибросистемы, подключенными к двум каналам выходного рассекателя, имеющего с другой стороны патрубок 6 для соединения фланцем 7 с выходной гидролинией. К трубкам 4, 5 в средней их части закреплен привод 8 возбуждения, подключенный к средствам подачи электропитания, а с каждой стороны от привода 8 закреплен индукционный датчик-преобразователь 9, подключенный к средствам обработки сигналов, принимаемых с датчиков-преобразователей 9. Входной и выходной рассекатели потока выполнены в виде полых втулок 10, 11 с торцами, заглушенными герметичными сварными швами пластинами 12. Втулки 10, 11 закреплены герметичными сварными швами по концам трубы 1 поперечно ее оси. Каждая из втулок 10, 11 с одной стороны боковой поверхности герметично закреплена сварным швом на конце трубы 1, а со стороны боковой поверхности, противоположной указанной трубе 1, выполнена с отверстием для соединения герметичным сварным швом с одним из патрубков 2 или 6. Для соединения каждого рассекателя с U-образными трубками 4, 5 вибросистемы каждая его втулка 10 и 11 снабжена двумя штуцерами 13, 14, герметично смонтированными на ее боковой поверхности между трубой 1 и патрубком 2 или 6 герметичными сварными швами. Втулки 10, 11 рассекателей глухой боковой поверхностью герметично соединены сварными швами с концами трубы 1 и выполнены с отверстиями на боковой поверхности для соединения герметичными сварными швами с патрубками 2, 6. Технический результат - упрощение конструкции и технологии изготовления, повышение точности измерений параметров, обеспечение высокой надежности и долговечности. 8 з.п. ф-лы, 25 ил.

 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности, к усовершенствованному конструктивному исполнению кориолисова расходомера, т.е. расходомера, использующего эффект Кориолиса для измерения параметров потока жидкостей, газов. Заявляемый расходомер представляет собой первичный преобразователь вибрационный (ППВ) измеряемого параметра текучей среды, преимущественно, расхода текучей среды [далее по тексту: «расходомер (ППВ)» или «расходомер»] - жидкости или газа, транспортируемой по трубопроводу.

Заявляемый расходомер может использоваться, в частности, в составе счетчика-расходомера «ШТРАЙ-МАСС».

Принцип кориолисовых расходомеров (счетчиков-расходомеров) состоит в обнаружении движения вибрирующей трубки, которая содержит текучую среду. Свойства, связанные с веществом в трубке, например массовый расход, плотность и т.п., можно определять путем обработки сигналов измерения, поступающих от датчиков движения, связанных с трубкой. Расходомер (ППВ) производит прямые измерения частоты и фазового смещения колебаний измерительных трубок и преобразует соответствующие значения расхода и/или плотности перекачиваемой среды в электрические сигналы.

Из патентной литературы известны расходомеры US №№ 4109524, 4491025, 5796011, RU №№ 2219502, 2222782, 2358242, 2522130, 2533332, 2571174, 2581428.

Известные кориолисовы расходомеры, как правило, включают в себя одну или несколько трубок, которые установлены последовательно в трубопроводе или другой транспортной системе, которая переносит текучую среду, например жидкости, газы, суспензии и пр., в системе. Предполагается, что каждая трубка имеет набор собственных типов колебаний, включая, например, простые изгибные, торсионные, радиальные и связанные типы. Применительно к обычному измерению массового расхода по принципу Кориолиса в трубке возбуждаются колебания, когда вещество течет по трубке, и движение трубки измеряется в точках, разнесенных по трубке. Возбуждение вибросистемы обычно обеспечивается активатором, например электромеханическим приводом, который действует на трубки с периодически изменяющейся силой. Массовый расход можно определять путем измерения задержки по времени или разности фаз между движениями в местах размещения датчиков-преобразователей. Два таких датчика-преобразователя (или датчика) обычно применяются для измерения колебательного отклика измерительной трубки или трубок и обычно располагаются в положениях до и после активатора. Два датчика-преобразователя и привод подключены к электронному блоку-преобразователю кабельной линией. Блок-преобразователь принимает сигналы от двух датчиков и обрабатывает сигналы для получения измерения массового расхода.

Наиболее близким к заявляемому является расходомер, действующий с использованием эффекта Кориолиса, содержащий взрывозащитную наружную оболочку (кожух), корпус в виде продольной трубы, заглушенной по концам входным и выходным рассекателями потока перекачиваемой среды, из которых входной рассекатель имеет патрубок для соединения с входной гидролинией перекачиваемой среды и два канала, соединенных с двумя параллельно установленными U-образными трубками вибросистемы, подключенными к двум каналам выходного рассекателя, имеющего с другой стороны патрубок для соединения с выходной гидролинией перекачиваемой среды, при этом к U-образным трубкам в средней их части закреплен привод возбуждения, подключенный к средствам подачи электропитания, а с каждой стороны от привода закреплен индукционный датчик-преобразователь, подключенный к средствам обработки сигналов, принимаемых с датчиков-преобразователей.

В процессе работы устройства кожух (наружная оболочка) изделия может входить в резонанс при частоте, которая по существу равна частоте требуемого режима колебаний U-образных трубок. По этому желательно изменить частоту резонансных колебаний кожуха для того, чтобы предотвратить неправильные показания колебаний U-образных трубок. Одно из решений состоит в прикреплении к трубками скрепляющих пластин и/или массы к по существу плоскому участку кожуха (RU 2237869, прототип)

Конструкции известных расходомеров (ППВ) в части разделения рассекателями измеряемого потока на две приблизительно равные части и поворота этих частей имеют сложную технологически конструкцию и допускают наличие погрешностей измерений.

Входной и выходной монолитные рассекатели потока в известных устройствах не позволяют осуществлять эффективный контроль и достаточно точное равенство размеров каналов, и, как правило, изготавливаются методом литья, что существенно усложняет технологию и увеличивает трудоемкость изготовления в части использования специализированного литейного производства, тем более, что требуется не обычное машиностроительное литье, а технологически сложное и дорогостоящее точное литье.

Неизбежно, имеет место отсутствие или, по меньшей мере, усложнение объективного инструментального контроля таких литых изделий в части скрытых действительных характеристик проточной части: чистоты и формы внутренней поверхности, отсутствия на ней производственных и случайных загрязнений, сколов в местах сопряжений, поворотов и изменения диаметров внутренних каналов, а также в части обеспечения равенства диаметров параллельных каналов и, следовательно, баланса массовых расходов параллельных потоков перекачиваемой среды в трубках вибросистемы.

Различие диаметров каналов и, следовательно, разное их сопротивление не позволяет обеспечить равенство скоростей (обратно пропорциональны квадрату диаметра) и массовых расходов текучей среды в обеих параллельных трубках, находящихся под воздействием силы Кориолиса. Такое несбалансированное разделение и протекание потоков в трубках снижает точность измерений кориолисова расходомера.

Кроме того, дополнительные погрешности измерений вызываются следующим. Наружная оболочка расходомера крепится, как правило, только с противоположных сторон у концов трубок или к рассекателям, воздействует на режимы колебаний трубок в зоне установки датчиков-преобразователей с внесением погрешностей измерения.

Одновременно усложняется трассировка и может нарушаться баланс электрических характеристик (сопротивлений и др.) электрических кабелей.

В результате усложнена настройка вибросистемы при изготовлении расходомера и вводе его в эксплуатацию, при этом необходимая компенсация возникающих погрешностей измерений требует наличия специального измерительного инструмента и высокой квалификации персонала, достаточно трудоемка и может производиться недостоверно, а также требует соответствующего усложнения средств формирования сигналов на привод возбуждения и обработки сигналов, получаемых с датчиков–преобразователей.

В связи с этим в известных технических решениях не обеспечиваются достаточная точность и надежность измерений и обработки результатов измерений, а также усложнена технология изготовления и настройки расходомера.

Техническая проблема, разрешение которой положено в основу изобретения, состоит в создании эффективного расходомера (ППВ), а также расширении арсенала кориолисовых расходомеров.

Технический результат, обеспечивающий решение поставленной задачи, состоит в упрощении конструкции, повышении точности и надежности настройки расходомера (ППВ) и выполняемых с его помощью измерений, преимущественно, за счет обеспечения баланса массовых расходов потоков перекачиваемой среды в трубках вибросистемы и снижения погрешностей, вносимых ограждающей конструкцией (наружной оболочкой), а также в снижении трудоемкости изготовления расходомера и его настройки при вводе в эксплуатацию.

Входной и выходной рассекатели потока собираются с помощью сварки из деталей, полученных механической обработкой, что существенно упрощает технологию и уменьшает трудоемкость изготовления деталей и конструкции расходомера в целом. В связи с этим имеет место упрощение и повышение точности производственного контроля качества изготовления рассекателей, причем исключено наличие мало доступных для инструментального контроля дефектов в местах сопряжений, поворотов и разброса диаметров внутренних каналов (в рамках полей их допусков), соединяемых с трубками вибросистемы, а также метрологического контроля геометрической формы параллельных каналов рассекателя влияющей на обеспечение баланса массовых расходов потоков перекачиваемой среды в трубках вибросистемы. Контроль качества изготовления и измерения размеров могут производиться, преимущественно, с использованием стандартного измерительного инструмента.

При этом за счет простого и безошибочного контроля геометрии втулок рассекателей и их штуцеров, обеспечена возможность селективной попарной подборки штуцеров по внутреннему диаметру и, при необходимости, по его геометрической форме, для каждого рассекателя.

При исполнении рассекателей, предусмотренном настоящим изобретением, на них дополнительно формируются внешние поверхности, обеспечивающие замкнутую силовую схему крепления наружной оболочки расходомера всеми ее стенками. Это влечет за собой снижение амплитуды колебаний оболочки и, тем самым, минимизация погрешностей измерения параметров колебаний вибросистемы и потока текучей среды. Одновременно существенно улучшаются взрывозащитные качества оболочки, т.е. прочность, устойчивость к трещинообразованию и разгерметизации.

Благодаря созданной в заявляемой конструкции возможности использования внутреннего пространства корпуса упрощается трассировка электрических кабелей и обеспечивается баланс электрических характеристик (сопротивлений и др.) кабелей, с соответствующим снижением помех. Достижение указанных преимуществ конструктивно-силовой схемы заявляемого изделия может быть еще более эффективным в его исполнении с дополнительным соединением продольных стенок оболочки стяжкой в виде отрезка трубы.

Сущность изобретения заключается в том, что расходомер (ППВ) содержит взрывозащитную наружную оболочку, корпус в виде продольной трубы, заглушенной по концам входным и выходным рассекателями потока перекачиваемой среды, из которых входной рассекатель имеет патрубок для соединения с входной гидролинией перекачиваемой среды и два канала, соединенных с двумя параллельно установленными U-образными трубками вибросистемы, подключенными к двум каналам выходного рассекателя, имеющего с другой стороны патрубок для соединения с выходной гидролинией перекачиваемой среды, при этом к U-образным трубкам в средней их части закреплен привод возбуждения, подключенный к средствам подачи электропитания, а с каждой стороны от привода закреплен индукционный датчик-преобразователь, подключенный к средствам обработки сигналов, принимаемых с датчиков-преобразователей, причем входной и выходной рассекатели потока выполнены в виде полых втулок с заглушенными торцами, закрепленных по концам трубы корпуса поперечно ее продольной оси, каждая из втулок с одной стороны боковой поверхности герметично закреплена на конце трубы корпуса, а со стороны боковой поверхности, диаметрально противоположной указанной трубе, выполнена с отверстием для соединения с одним из патрубков, при этом для соединения каждого рассекателя с U-образными трубками вибросистемы каждая его втулка снабжена двумя штуцерами, герметично смонтированными на ее боковой поверхности между трубой корпуса и патрубком.

Предпочтительно, втулки рассекателей герметично соединены с трубой корпуса и патрубками сварными швами, торцы втулок заглушены пластинами, а штуцеры каждого рассекателя смонтированы на боковой поверхности его втулки с помощью сварных швов в отверстиях, выполненных в боковой поверхности этой втулки

Предпочтительно, каждый рассекатель выполнен с двумя штуцерами, выбранными из условия минимального различия диаметров их каналов в поле допуска.

Предпочтительно, канал каждого из штуцеров выполнен с участком, плавно расширяющимся по направлению внутрь втулки, и с кольцевой проточкой со стороны соединения с концом U-образной трубки вибросистемы.

Предпочтительно, продольная труба корпуса выполнена со сквозным диаметральным отверстием, расположенным симметрично относительно входного и выходного рассекателей потока, с возможностью прокладывания кабелей наружного подключения к средствам подачи электропитания и к средствам обработки сигналов, принимаемых с датчиков-преобразователей.

Предпочтительно, привод и датчики-преобразователи снабжены направляющими, закрепленными на U-образных трубках вибросистемы технологическими операциями из группы: сварка, пайка.

Предпочтительно, взрывозащитная наружная оболочка выполнена с крышкой и донышком, связанными продольными и боковыми стенками, при этом в боковых стенках выполнены отверстия для их установки на патрубки с помощью сварных швов, а в продольных стенках выполнены отверстия для их установки с помощью сварных швов на заглушенные торцы втулок рассекателей, при этом продольные стенки жестко соединены между собой стяжкой в виде отрезка трубы, установленной с помощью сварных швов симметрично между U-образными трубками вибросистемы.

Предпочтительно, донышко взрывозащитной наружной оболочки выполнено со сквозным отверстием, в котором симметрично относительно входного и выходного рассекателей потока установлена с помощью сварного шва бобышка со сквозным каналом для прокладывания кабелей наружного подключения к средствам подачи электропитания и к средствам обработки сигналов, принимаемых с датчиков-преобразователей

Предпочтительно, взрывозащитная наружная оболочка выполнена в форме прямоугольного параллелепипеда с крышкой и донышком, связанными продольными и боковыми стенками из соединенных герметичными сварными швами пластин нержавеющего материала.

На чертеже фиг.1 изображен расходомер (ППВ) - внешний вид в аксонометрической проекции; на фиг.2 – расходомер, вид спереди; на фиг.3 – вид слева по фиг.2; на фиг.4 - вид А-А по фиг.1; на фиг.5 - вид Б-Б по фиг.1; на фиг.6 – вид В по фиг.4; на фиг.7 – вид Г-Г по фиг.1; на фиг.8 – вид Д-Д по фиг.1; на фиг. 9 – вид Е-Е по фиг.1; на фиг. 10 – вид Ж по фиг.5; на фиг.11 – корпус расходомера в аксонометрической проекции; на фиг.12 – корпус, вид спереди; на фиг.13- вид сверху по фиг.12; на фиг.14 – вид А-А по фиг.12; на фиг.15 – вид Б-Б по фиг.13; на фиг.16 - вид В-В по фиг.12; на фиг.17 - вид Г по фиг.16; на фиг.18 – заготовка корпуса расходомера в аксонометрической проекции до монтажа штуцеров и патрубков; на фиг.19 – вид спереди заготовки корпуса; на фиг.20 – вид сверху по фиг.19; на фиг 21 - вид А-А по фиг.19; на фиг.22 - вид Б-Б по фиг.19; на фиг.23 - вид В-В по фиг.20; на фиг.24 - вид Г по фиг.22; на фиг.25 – вид Д-Д по фиг. 20.

Расходомер (ППВ), представляющий собой измерительное устройство счетчика-расходомера «ШТРАЙ-МАСС», содержит взрывозащитную наружную оболочку, корпус в виде продольной трубы 1, заглушенной по концам входным и выходным рассекателями потока перекачиваемой среды, из которых входной рассекатель имеет патрубок 2 для соединения фланцем 3 с входной гидролинией перекачиваемой среды и два канала, соединенных с двумя параллельно установленными U-образными трубками 4,5 вибросистемы, подключенными к двум каналам выходного рассекателя, имеющего с другой стороны патрубок 6 для соединения фланцем 7 с выходной гидролинией перекачиваемой среды. К U-образным трубкам 4,5 в средней их части закреплен привод 8 возбуждения, подключенный к средствам подачи электропитания, Привод 8 включает закрепленные соосно на разных U-образных трубках 4,5 постоянный магнит и катушку индуктивности (не изображены), подключенную к средствам электропитания и формирования сигналов электронного блока преобразователя (ЭБП) (не изображен) на указанную катушку привода.

С каждой стороны от привода 8 к U-образным трубкам 4,5 закреплен считывающий индукционный датчик-преобразователь 9, подключенный к средствам обработки сигналов, принимаемых с датчиков-преобразователей 9. Каждый датчик-преобразователь 9 включает закрепленные на разных U-образных трубках 4,5 постоянный магнит и катушку индуктивности (не изображены), подключенную к средствам обработки сигналов электронного блока преобразователя (ЭБП), принимаемых ими с катушек индукционных датчиков-преобразователей 9.

Патрубки 2,6 и фланцы 3,7 установлены, предпочтительно, вдоль одной геометрической оси, совпадающей с геометрической осью трубы 1, т.е. соосно трубе 1.

Входной и выходной рассекатели потока выполнены в виде полых кольцевых (цилиндрических или иных) втулок 10,11 с торцами, заглушенными пластинами 12, которые приварены герметичными сварными швами по периметру. Втулки 10,11 рассекателей закреплены по концам трубы 1 корпуса поперечно (например, перпендикулярно) ее продольной геометрической оси. Каждая из этих втулок 10,11 с одной стороны своей боковой поверхности герметично закреплена сварным швом на конце трубы 1 корпуса, а со стороны своей боковой поверхности, диаметрально противоположной указанной трубе 1, выполнена с отверстием для соединения герметичным сварным швом с одним из патрубков 2 (или 6). Для соединения каждого рассекателя с U-образными трубками 4,5 вибросистемы каждая его втулка 10 и 11 снабжена двумя штуцерами 13,14. Штуцеры 13,14 каждого рассекателя смонтированы на боковой поверхности его втулки 10,11 с помощью герметичных сварных швов в отверстиях 15, выполненных в боковой поверхности каждой цилиндрической втулки 10, 11 между зонами соединения с трубой 1 корпуса и с патрубком 2 или 6.

Внутренние каналы штуцеров 13,14 могут изготавливаться, например, с допуском по диаметру 20 мкм (±10 мкм). Для сборки каждого из рассекателей в партии штуцеров 13,14 могут быть селективно подобраны пары с отклонением по диаметру, например, 4 мкм (±2 мкм) в паре. Таким образом, без ужесточения допусков на изготовление и механическую обработку штуцеров 13,14 обычным измерением диаметров их каналов обеспечивается существенное уменьшение различия диаметров каналов пары штуцеров 13,14 в каждом рассекателе. Таким образом, пары штуцеров 13,14 каждого рассекателя выбраны из условия минимального различия диаметров их каналов.

Внутренний канал каждого из штуцеров 13,14 выполнен с участком (например, коническим), плавно расширяющимся по направлению внутрь втулки, и с кольцевой проточкой со стороны соединения с концом U-образной трубки 4 или 5 вибросистемы.

Продольная труба 1 корпуса выполнена со сквозным диаметральным отверстием 16, расположенным симметрично относительно входного и выходного рассекателей потока, с возможностью прокладывания через ее внутренний объем и отверстие 16 кабелей подключения внешнего электронного блока преобразователя к средствам подачи электропитания к приводу 8 и к датчикам-преобразователям 9.

Привод 8 и датчики-преобразователи 9 снабжены обеспечивающими соосность их катушек индуктивности и постоянных магнитов направляющими, закрепленными на U-образных трубках 4,5 вибросистемы технологическими операциями из группы: сварка, пайка.

Взрывозащитная наружная оболочка (идентично – наружный кожух) образована крышкой 17 и донышком 18, связанными продольными стенками 19,20 и боковыми стенками 21,22. В боковых стенках 21,22 выполнены отверстия для их установки на патрубки 2,6 с помощью герметичных сварных швов, а в продольных стенках 19,20 выполнены отверстия для их установки с помощью герметичных сварных швов на заглушенные пластинами 12 торцы всех втулок 10,11 рассекателей, при этом продольные стенки 19,20 жестко соединены между собой стяжкой 23, например, в виде отрезка трубы, установленной с помощью герметичных сварных швов симметрично в пространстве между U-образными трубками 4,5 вибросистемы.

Донышко 18 взрывозащитной наружной оболочки выполнено со сквозным отверстием, в котором симметрично относительно втулок 10,11 входного и выходного рассекателей потока установлена с помощью герметичного сварного шва проходная бобышка 24 со сквозным каналом для герметичного прокладывания (с уплотнением) кабелей наружного подключения к средствам подачи электропитания на привод 8 и к средствам обработки сигналов, принимаемых с датчиков-преобразователей 9, внешнего электронного блока преобразователя.

Взрывозащитная наружная оболочка выполнена в форме прямоугольного параллелепипеда с крышкой 17 и донышком 18, связанными продольными и боковыми стенками 19-22 из соединенных герметичными сварными швами пластин нержавеющего материала.

Сварные швы обозначены на чертежах согласно ГОСТ 14771-76.

Конструктивно счетчик-расходомер «ШТРАЙ-МАСС» построен по блочному принципу и включает в себя базовый комплект – первичный вибрационный преобразователь ППВ (расходомер) и наружный (вне взрывозащитной наружной оболочки расходомера) легко сменный электронный блок-преобразователь (не изображен). Электронный блок-преобразователь (ЭБП) в свою очередь включает средства подачи электропитания и средства обработки сигналов, принимаемых с датчиков-преобразователей, а также средства отображения информации - дисплей (монитор) и, при необходимости, клавиатуру.

Прокладывание кабелей наружного подключения к средствам подачи электропитания на привод 8 возбуждения и к средствам обработки сигналов, принимаемых с датчиков-преобразователей 9, осуществляется через внутренний объем продольной трубы 1 корпуса, сквозное отверстие 16 трубы 1, а далее – наружу через сквозной уплотныемый канал бобышки 24 в донышке 18 взрывозащитной наружной оболочки.

Расходомер (ППВ) в составе счетчика-расходомера «ШТРАЙ-МАСС» работает следующим образом

Расходомер (ППВ) используется для измерения параметров потока бензина, сжиженного газа, керосина, дизельного топлива, нефти, нефти с водой, мазута, других жидкостей и агрессивных сред при рабочем давлении и рабочей температуре на предприятиях химической, нефтехимической, нефтяной, пищевой, фармацевтической, других отраслях промышленности и объектах коммунального хозяйства.

Расходомер (ППВ) может устанавливаться фланцами 3,7 на горизонтальном, вертикальном или наклонном участках трубопровода. При этом оптимальным является монтаж на горизонтальном участке. При горизонтальной установке рекомендуется установка расходомера U-образных трубками 4,5 вниз для полного их заполнения и исключения скапливания газа. При вертикальной установке необходимо обеспечить восходящий поток жидкости.

Расходомер (ППВ) не требует обеспечения прямых участков до и после места установки, а также установки дополнительных устройств, выравнивающих профиль потока (струевыпрямителей и пр.).

Счетчик-расходомер ШТРАЙ-МАСС используют в различных технологических процессах для автоматического контроля и учета массового количества (потока) жидких или газообразных продуктов, транспортируемых по трубопроводу, с вязкостью от 0,6 до 4600 мм²/с, плотностью от 0,5 до 1,9 г/см³, температурой от минус 60 до плюс 350°С, при давлении от 0,1 до 25,0 МПа (от 1 до 250 кгс/см²) в диапазоне расхода от 0,01 до 200 т/ч.

Ближайшие источники электромагнитных колебаний должны находиться не ближе 5 м от расходомера (ППВ).

В процессе работы расходомер (ППВ) преобразует возникающие при движении текучей среды колебания и температуру измерительных трубок 4,5 в электрические сигналы и передает их в ЭБП. Электронный блок преобразователя (ЭБП) пересчитывает величину фазового сдвига и частоты колебаний измерительных трубок и конвертирует полученную от расходомера информацию в цифровой сигнал и в стандартные выходные сигналы. ЭБП совместно с расходомером (ППВ) образует базовый комплект счётчика.

После подачи напряжения питания на привод 8 и подключения цепей датчиков-преобразователей 9 электронный блок преобразователя (ЭБП) производит самодиагностику расходомера (ППВ) и счетчика-расходомера в целом и, в случае ее успешного завершения, расходомер (ППВ) начинает измерять массу (или объем) жидкости, генерировать выходные сигналы и отображать измеренные значения на дисплее.

Поток текучей среды поступает из входного трубопровода в патрубок 2 рассекателя во втулки 10,11, где разделяется в них по штуцерам 13,14 на равные части, протекающие через U-образные трубки 4,5. Поток текучей среды поступает через такой же другой рассекатель в выходной трубопровод. При этом текучая среда, поступающая в расходомер (ППВ), разделяется на две практически равные части, протекающие через U-образные трубки 4,5 благодаря обеспеченному равенству каналов штуцеров 13,14. За счет движения в U-образных трубках 4,5 потоков текучей среды с определенной массой, формируется Кориолисова сила (одна из сил инерции, воздействующая при движении относительно вращающейся системы отсчёта.), которая сопротивляется колебаниям U-образных трубок 4,5 вибросистемы.

Процедура измерения основана на изменениях фаз механических колебаний U-образных трубок 4,5, по которым движется текучая среда. Привод 8 создает непрерывно колебания U-образных трубок 4,5. Как только жидкость начинает перемещаться по U-образным трубкам 4,5 на имеющуюся вибрацию, возбуждаемую приводом, накладываются дополнительные колебания в результате инерции текучей среды (жидкости). При этом текучей среде, проходящей через трубки 4 и 5, придается вертикальная составляющая движения вибрирующей трубки. Поступательное движение текучей среды при движении каждой U-образной трубки 4 и 5 приводит к возникновению кориолисового ускорения, которое, в свою очередь, приводит к появлению кориолисовой силы. Эта сила направлена против движения трубки 4 и 5, приданного ей задающей приводом 8. Когда U-образная трубка 4 или 5 движется вверх во время первой половины ее собственного цикла колебаний, то для жидкости, поступающей внутрь (втекающей в трубку), создается сопротивление движению вверх, в результате сила Кориолиса направлена на трубку 4 или 5 вниз.

Как только жидкость проходит изгиб трубки 4 или 5, поглотив вертикальный импульс при движении вокруг изгиба трубки, направление действия силы меняется на противоположное, поскольку жидкость, вытекающая из трубки 4 или 5, сопротивляется уменьшению вертикальной составляющей движения, в результате сила Кориолиса направлена на трубку вверх.

Таким образом, во входной половине каждой трубки 4 и 5 сила, действующая со стороны жидкости, препятствует смещению трубки 4 и 5, а в выходной – способствует. Это изменение направления изгиба во второй фазе вибрационного цикла приводит к закручиванию трубки. Это закручивание называется эффектом Кориолиса.

Вследствие эффекта Кориолиса вибрация трубок 4 и 5 на входе и выходе каждой из трубок отличается друг от друга. Исходя из второго закона Ньютона, угол закручивания трубки 4 и 5 прямо пропорционален количеству жидкости, проходящей через трубку в единицу времени. Поскольку скорость и массовый расход текучей среды в обеих параллельных трубках 4,5, находящихся под воздействием силы Кориолиса, практически одинаковы, углы закручивания трубок 4,5 также одинаковы (симметричны).

Таким образом, в условиях движущегося потока текучей среды U-образные трубки 4 и 5 практически симметрично колеблются в противоположных направлениях. Колебания U-образных трубок 4 и 5 подобны колебаниям камертона и имеют амплитуду менее 1 мм и частоту около 100 Гц. Сдвиг фаз (фазовые смещения) колебаний U-образных трубок 4 и 5 друг относительно друга влечет за собой разность по времени в поступлении сигналов датчиков-преобразователей 9. Эта разница во времени измеряется в микросекундах и прямо пропорциональна величине массового расхода, протекающего через расходомер. Чем больше разница во времени, тем больше массовый расход.

Индукционные датчики (датчики–преобразователи) 9 осуществляют преобразование скорости линейных и угловых перемещений U-образных трубок 4 и 5 в ЭДС. Они относятся к датчикам генераторного типа. Принцип действия индукционных датчиков 9 основан на явлении электромагнитной индукции. Катушка каждого датчика движется сквозь однородное магнитное поле постоянного магнита (не изображено). Сгенерированное напряжение от каждой катушки имеет форму синусоидальной волны. Эти сигналы отражают движение одной трубки 4 относительно другой трубки 5.

Выходным сигналом индукционных датчиков 9 является синусоидальная волна или импульсная ЭДС, которая пропорциональна скорости изменения магнитного потока, пронизывающего витки его катушки (не изображена). Это изменение происходит за счет перемещения его катушки в постоянном магнитном поле постоянного магнита датчика 9.

Индукционные датчики 9 отмечают изменение в вибрации трубок 4 и 5 в условиях времени и пространства. Данное явление служит для измерения того, сколько жидкости или газа перемещается по трубке в настоящий момент. Чем выше скорость потока и таким образом общий поток, тем больше вибрация измерительных U-образных трубок 4 и 5.

Электромагнитные катушки индукционных датчиков 9, расположенные с каждой стороны трубки 4 и 5, снимают сигнал, соответствующий колебаниям (фазовым смещениям) трубок 4 и 5. Поскольку U-образные трубки 4 и 5 практически симметрично колеблются в противоположных направлениях с одинаковым массовым расходом, возможность возникновения погрешностей, обусловленных неравенством массовых расходов в них, минимальна. Массовый расход текучей среды определяется программным вычислителем в электронном блоке-преобразователе счетчика-расходомера как результат измерения временной задержки между сигналами датчиков 9.

Кроме того, датчики 9 также фиксируют частоту вибрации U-образных трубок. 4 и 5. Программным вычислителем счетчика-расходомера учитывается частота колебательного движения каждой трубки 4 и 5 вперед и назад за 1 секунду. Трубка, заполненная, например, водой, вибрирует чаще, чем трубка, заполненная медом, например, плотность которого намного выше. Таким образом, измерение частоты вибрации служит прямым измерением плотности жидкости.

Программным вычислителем электронного блока преобразователя (ЭБП) фиксируется разность задающей частоты привода 8 и фактической частоты колебаний U-образных трубок 4 и 5, измеренной датчиками 9. Указанная разность частот пропорциональна плотности продукта проходящего через измерительные U-образные трубки 4 и 5.

И плотность, и расход определяются программным вычислителем электронного блока преобразователя (ЭБП) одновременно, но независимо друг от друга при наличии вибрации U-образных трубок 4 и 5.

Дисплей счетчика-расходомера может отображать следующие параметры:

• массовый расход;

• объемный расход;

• плотность среды;

• температуру среды;

• накопленную массу жидкости;

• накопленный объем жидкости;

• калибровочные коэффициенты, все основные настройки и конфигурацию счетчика-расходомера.

При отсутствии потока текучей среды через расходомер закручивания трубки 4 и 5 не происходит, и между сигналами датчиков 9 нет временной разности.

При измерениях массового расхода и плотности возможен сдвиг нуля расходомера (ППВ) и сдвиг показаний плотности, возникающие вследствие влияния температуры рабочей среды от значения температуры, при которой была выполнена установка на нуль и калибровка измерения плотности. Влияние давления определяется изменением чувствительности при измерении расхода и плотности при давлении рабочей среды отличном от давления калибровки нуля счетчика-расходомера.

Для недопущения возникновения погрешностей, обусловленных температурой текучей среды в составе электронного блока преобразователя (ЭБП) производится соответствующая корректировка результатов измерений.

Измерение температуры выполняется при помощи встроенного платинового чувствительного элемента Pt100 (не изображен). Измеренная температура среды позволяет проводить автоматическую коррекцию данных расхода и плотности посредством коэффициента компенсации расхода и плотности от температуры, записываемые в программу программного вычислителя электронного блока преобразователя (ЭБП).

Влияние величины рабочего давления текучей среды на погрешность расходомера (ППВ) может быть скорректировано внесением в настройки вычислителя коэффициента компенсации расхода и плотности от давления. При этом измеренные значения расхода и плотности корректируются процессором (модуль процессора) пропорционально отклонению рабочего давления от величины, при которой проводилась последняя калибровка нуля.

Влияние температуры и давления может быть скорректировано через электронный блок преобразователя путем проведения калибровки нуля расходомера (ППВ) при текущем значении температуры и давления измеряемой среды на месте эксплуатации. При реализации функции корректировки расхода и плотности по давлению (если калибровка нуля была проведена не на рабочем давлении) дополнительная погрешность равна нулю

Расходомер (ППВ) и счетчик-расходомер в целом не имеет вращающихся частей, и результаты измерений не зависят от плотности, вязкости, наличия твердых частиц и режимов течения измеряемой среды.

Заявляемый расходомер (ППВ) с помощью программного вычислителя в составе электронного блока преобразователя (ЭБП) формирует следующие выходные сигналы:

• частотно-импульсный масштабируемый;

• аналоговый токовый;

• дискретный;

• цифровой, стандарта RS-485 Modbus RTU (HART).

Скорость обмена данными от 1200 до 38400 бит/сек, один стоповый бит, нечетный.

По цифровому интерфейсу электронного блока преобразователя (ЭБП) могут передаваться следующие измеренные параметры: массовый (объемный) расход, масса (объем), плотность, температура измеряемой текучей среды.

По цифровому интерфейсу электронного блока преобразователя (ЭБП) может осуществляться настройка параметров счетчика-расходомера и его калибровка.

Пределы допускаемых погрешностей счетчика-расходомера:

– пределы основной относительной погрешности измерений массового расхода и массы, не превышают ± 0,1 (± 0,2)* %;

– пределы основной относительной погрешности измерений объемного расхода и объема, не превышают ± 0,1 (± 0,2)* %;

– пределы основной абсолютной погрешности измерений плотности, не превышают ± 2 кг/м³;

– пределы основной абсолютной погрешности при измерении температуры жидкости, не превышают ± 1,0 ⁰С;

– пределы допускаемой приведенной погрешности токового выхода от полной шкалы, не более ± 0,1 %.

Преимущества предлагаемого расходомера определяются тем, что входной и выходной рассекатели потока собираются с помощью сварки из деталей, полученных механической обработкой, что существенно упрощает технологию и уменьшает трудоемкость изготовления расходомера (по сравнению с использованием специализированного литейного производства).

В связи с этим имеет место повышение производительности при изготовлении партий расходомеров, упрощение и повышение точности производственного контроля качества изготовления рассекателей, причем исключено наличие мало доступных для инструментального объективного контроля дефектов в местах сопряжений, поворотов и изменения диаметров внутренних каналов, а также метрологического контроля в части обеспечения равенства диаметров параллельных каналов рассекателя и, следовательно, баланса парциальных параллельных потоков перекачиваемой среды в трубках вибросистемы.

Также на обеспечение более точных измерений с помощью заявляемой конструкции расходомера положительно влияют, как возможность простого и безошибочного контроля геометрии втулок рассекателей и их штуцеров, так и возможность селективной попарной подборки штуцеров по внутреннему диаметру (в рамках полей их допусков) и, при необходимости, по его геометрической форме, для каждого рассекателя и, тем самым, обеспечения наиболее точного равенства проходных сечений на входе и/или на выходе каждой пары U-образных трубок.

Обеспечение наиболее более точного равенства диаметров каналов, особенно, селективным подбором штуцеров рассекателей и, следовательно, практически равное их сопротивление позволяет обеспечить равенство скоростей и массовых расходов текучей среды в обеих параллельных трубках, находящихся под воздействием силы Кориолиса. Такое сбалансированное разделение и протекание потоков в трубках существенно повышает точность измерений кориолисова расходомера.

Чем больше серийность расходомера (размер партии), тем выше экономическая эффективность селективного подбора штуцеров рассекателей

При исполнении рассекателей, предусмотренном настоящим изобретением, на них формируются поверхности, обеспечивающие крепление наружной оболочки (ограждающей конструкции) расходомера (предпочтительно, из материала, имеющего практически одинаковую характеристику демпфирования колебаний, как и материал трубок вибросистемы) на все стенки наружной оболочки по ее периметру, т.е. как на ее продольные стенки, закрепленные на торцах обеих втулок рассекателей, так и на ее боковые стенки, закрепленные на патрубках рассекателей и, тем самым, жестко скрепленные со всех сторон с корпусом и между собой.

Таким образом, в заявляемом исполнении наружной оболочки и корпуса расходомера реализуется уравновешенная несущая конструкция с замкнутой конструктивно-силовой схемой. В ней обеспечивается, в частности, рациональное изменение собственных частотных характеристик в направлении максимально возможного несовпадения с частотой колебаний U-образных трубок вибросистемы. ограждающей конструкции (оболочки). Также это влечет за собой снижение амплитуды колебаний оболочки и, тем самым, минимизация погрешностей измерения параметров колебаний вибросистемы и потока текучей среды. Уменьшается возможность возникновения опасных резонансных явлений при наличии вибрации трубопроводов входной и выходной гидролиний.

Одновременно за счет реализации выбранной конструктивно-силовой схемы установки наружной оболочки существенно улучшаются ее взрывозащитные качества, т.е. прочность, устойчивость к трещинообразованию и разгерметизации.

Благодаря использованию внутреннего пространства корпуса (объема его продольной трубы) для симметричного размещения, по меньшей мере, части электрооборудования упрощается трассировка электрических кабелей и обеспечивается баланс электрических характеристик (сопротивлений и др.) кабелей, с соответствующим снижением помех.

Достижение указанных преимуществ конструктивно-силовой схемы заявляемого изделия может быть еще более эффективным в его исполнении с дополнительным соединением продольных стенок оболочки стяжкой в виде отрезка трубы.

При этом взрывонепроницаемость (взрывобезопасность) оболочки расходомера (ППВ) обеспечивается следующими средствами:

- сварные швы выполнены по ГОСТ 14771-76;

– оболочка выдерживает испытание на взрывоустойчивость при значении испытательного давления, равного четырехкратному давлению взрыва;

– осевая длина резьбы и число полных витков в зацеплении резьбовых взрывонепроницаемых соединений оболочки соответствуют требованиям ГОСТ IEC 60079-1-2011;

– величины зазоров и длин плоских и цилиндрических взрывонепроницаемых соединений соответствуют требованиям ГОСТ IEC 60079-1-2011;

– конструкция защитной оболочки соответствует высокой степени механической прочности по ГОСТ 31610.0-2014;

– максимальная температура нагрева поверхности счетчика-расходомера в условиях эксплуатации не должна превышать значений, установленных в ГОСТ 31610.0-2014 для соответствующих температурных классов.

Предлагаемый расходомер (ППВ) разработан для ввода в эксплуатацию в составе устройства счетчик-расходомер «ШТРАЙ-МАСС» с обозначением "Счетчик-расходомер жидкости массовый, ШМ-Х-ХХХ-Х-ХХХ-Х-ХХХХ, ТУ 4213-001-30265144-2015“, где состав обозначения Х-ХХХ-Х-ХХХ-Х-ХХХХ отражает с помощью цифр и символов следующие сведения:

- специальные исполнения прибора;

- исполнение размещения ЭБП;

- исполнение фланцев (патрубков);

- материал трубок расходомера (ППВ);

- диаметр условного прохода;

- код модели прибора.

Функциональные преимущества заявляемого расходомера (ППВ):

• наиболее высокая точность измерений параметров благодаря оптимальной конструкции и технологии изготовления;

• высокая надежность (высокая вероятность безотказной работы) работы благодаря оптимальной конструкции и технологии изготовления, в том числе, работы при наличии вибрации трубопровода, при изменении температуры и давления рабочей среды;

• долговечность - длительный срок службы и простота обслуживания благодаря практическому исключению несоосностей в сопряжении магнитов с катушками и отсутствию движущихся и изнашивающихся частей;

• одинаковая точность измерений вне зависимости от направления потока;

• не требует прямолинейных участков трубопровода до и после расходомера;

• измерение расхода сред с широким диапазоном значения вязкости.

Все указанные преимущества обеспечивают высокую эффективность работы в составе счетчика-расходомера «ШТРАЙ-МАСС» в различных областях промышленности.

1. Расходомер, содержащий взрывозащитную наружную оболочку, корпус в виде продольной трубы, заглушенной по концам входным и выходным рассекателями потока перекачиваемой среды, из которых входной рассекатель имеет патрубок для соединения с входной гидролинией перекачиваемой среды и два канала, соединенных с двумя параллельно установленными U-образными трубками вибросистемы, подключенными к двум каналам выходного рассекателя, имеющего с другой стороны патрубок для соединения с выходной гидролинией перекачиваемой среды, при этом к U-образным трубкам в средней их части закреплен привод возбуждения, подключенный к средствам подачи электропитания, а с каждой стороны от привода закреплен индукционный датчик-преобразователь, подключенный к средствам обработки сигналов, принимаемых с датчиков-преобразователей, отличающийся тем, что входной и выходной рассекатели потока выполнены в виде полых втулок с заглушенными торцами, закрепленных по концам трубы корпуса поперечно ее продольной оси, каждая из втулок с одной стороны боковой поверхности герметично закреплена на конце трубы корпуса, а со стороны боковой поверхности, диаметрально противоположной указанной трубе, выполнена с отверстием для соединения с одним из патрубков, при этом для соединения каждого рассекателя с U-образными трубками вибросистемы каждая его втулка снабжена двумя штуцерами, герметично смонтированными на ее боковой поверхности между трубой корпуса и патрубком.

2. Расходомер по п.1, отличающийся тем, что втулки рассекателей герметично соединены с трубой корпуса и патрубками сварными швами, торцы втулок заглушены пластинами, а штуцеры каждого рассекателя смонтированы на боковой поверхности его втулки с помощью сварных швов в отверстиях, выполненных в боковой поверхности этой втулки.

3. Расходомер по любому из пп.1, 2, отличающийся тем, что каждый рассекатель выполнен с двумя штуцерами, выбранными из условия минимального различия диаметров их каналов в поле допуска.

4. Расходомер по любому из пп.1, 2, отличающийся тем, что канал каждого из штуцеров выполнен с участком, плавно расширяющимся по направлению внутрь втулки, и с кольцевой проточкой со стороны соединения с концом U-образной трубки вибросистемы.

5. Расходомер по любому из пп.1, 2, отличающийся тем, что продольная труба корпуса выполнена со сквозным диаметральным отверстием, расположенным симметрично относительно входного и выходного рассекателей потока, с возможностью прокладывания кабелей наружного подключения к средствам подачи электропитания и к средствам обработки сигналов, принимаемых с датчиков-преобразователей.

6. Расходомер по любому из пп.1, 2, отличающийся тем, что привод и датчики-преобразователи снабжены направляющими, закрепленными на U-образных трубках вибросистемы технологическими операциями из группы: сварка, пайка.

7. Расходомер по любому из пп.1, 2, отличающийся тем, что взрывозащитная наружная оболочка выполнена с крышкой и донышком, связанными продольными и боковыми стенками, при этом в боковых стенках выполнены отверстия для их установки на патрубки с помощью сварных швов, а в продольных стенках выполнены отверстия для их установки с помощью сварных швов на заглушенные торцы втулок рассекателей, при этом продольные стенки жестко соединены между собой стяжкой в виде отрезка трубы, установленной с помощью сварных швов симметрично между U-образными трубками вибросистемы.

8. Расходомер по п.7, отличающийся тем, что донышко взрывозащитной наружной оболочки выполнено со сквозным отверстием, в котором симметрично относительно входного и выходного рассекателей потока установлена с помощью сварного шва бобышка со сквозным каналом для прокладывания кабелей наружного подключения к средствам подачи электропитания и к средствам обработки сигналов, принимаемых с датчиков-преобразователей.

9. Расходомер по п.7, отличающийся тем, что взрывозащитная наружная оболочка выполнена в форме прямоугольного параллелепипеда с крышкой и донышком, связанными продольными и боковыми стенками из соединенных герметичными сварными швами пластин нержавеющего материала.