ТУРБИННЫЙ РАСХОДОМЕР Российский патент 1995 года по МПК G01F1/10 

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для измерения расходов жидкостей и газов в нефтяной, химической промышленности, энергетике.

Известен датчик турбинного расходомера, содержащий корпус с входным и выходным струенаправляющими аппаратами, первый из которых выполнен в виде сопла, снабженного шнеком, первичный тахометрический преобразователь расхода в виде тангенциальной крыльчатки, размещенной в корпусе, и узел съема сигнала [1]. Благодаря турбулизации потока на нижнем пределе измерений (при прохождении его через шнек) расширяется диапазон измерений и повышается точность измерения расхода. Расширение диапазона измерений на нижнем пределе измерений может достигать 20%, при этом стабильность показаний прибора в диапазоне малых расходов значительно возрастает. Однако шнек вызывает лишь пассивную турбулизацию потока, зависящую лишь от его геометрии.

Известен также турбинный расходомер [2], содержащий корпус с калиброванным каналом для контролируемой среды, чувствительный элемент в виде тангенциальной турбинки, узел съема сигнала и турбулизирующий элемент, выполненный в виде конической упругой спирали, максимальный виток которой закреплен на входе в калиброванный канал по его периметру, а сужающаяся часть ориентирована в направлении потока среды, который является наиболее близким по своей технической сути к предложению и принят за прототип.

Недостатком известного турбинного расходомера является то, что он может работать в измеряемой среде, которая содержит твердые включения, превышающие по своим размерам зазоры, образованные витками конической упругой спирали в статическом положении. При превышении твердыми выключениями указанных размеров упругая спираль служит ловушкой и накопителем твердых включений, так как под воздействием потока деформируются только ее витки с максимальным диаметром. Витки меньшего диаметра образуют карман накопитель твердых включений, при этом происходит резкое повышение сопротивления гидравлического тракта. Это объясняется тем, что под воздействием скоростного напора контролируемой среды упругая коническая спираль, изготовленная из проволоки постоянного диаметра, будет деформироваться только за счет витков с максимальным диаметром, имеющих меньшую жесткость. Сужающаяся часть спирали практически деформироваться не будет ввиду меньшего диаметра витков и соответственно гораздо большей их жесткости. Таким образом, коническая часть известной упругой спирали будет карманом-накопителем твердых частиц, которые самопроизвольно удаляться не могут ввиду практического постоянства зазоров между витками кармана. При отсутствии механических включений, ввиду малой степени деформации спирали, мало изменяются и ее геометрические размеры, что вызывает дополнительные гидравлические потери и в квадратичной зоне сопротивления, т.е. там, где ее присутствие излишне, поскольку поток уже является турбулентным. Кроме того, поскольку поток измеряемой среды приобретает на спирали некоторое вращательное движение, то в случае использования турбулизатора в турбинном расходомере аксиального типа происходит искажение его частотной характеристики и требуется дополнительная тарировка расходомера после снабжения его турбулизатором потока.

Целью изобретения является расширение сферы использования, уменьшение гидравлических потерь и упрощение обслуживания.

Цель достигается благодаря тому, что турбинный расходомер, содержащий корпус с калиброванным каналом для контролируемой среды, турбинку, размещенную в корпусе с возможностью вращения, узел съема сигнала, вторичную измерительную аппаратуру и турбулизатор потока в виде упругой конической спирали, размещенной в калиброванном канале перед турбинкой, турбулизатор потока состоит по крайней из двух соосных упругих конусообразных спиралей с противоположной навивкой, размещенных концентрично, которые выполнены в виде усеченных конусов, внешний из которых закреплен к внутренней поверхности калиброванного канала за максимальный виток, а внутренний закреплен за минимальный виток на оси калиброванного канала, причем внешняя спираль ориентирована наибольшим основанием, а внутренняя ориентирована меньшим основанием навстречу потоку и образуют своими последними свободными витками кольцевой зазор.

Сопоставительный анализ предложенного турбинного расходомера с прототипом показывает, что он отличается тем, что турбулизатор потока состоит по крайней мере из двух соосных упругих конусообразных спиралей с противоположной навивкой, размещенных концентрично, которые выполнены в виде усеченных конусов, внешний из которых закреплен к внутренней поверхности калиброванного канала за максимальный виток, а внутренний закреплен за минимальный виток на оси калиброванного канала, причем внешняя спираль ориентирована наибольшим основанием, а внутренняя ориентирована меньшим основанием навстречу потоку и образуют своими последними свободными витками кольцевой зазор.

На основании вышеизложенного можно заключить, что предложенный тахометрический расходомер обладает "новизной". Другие аналогичные технические решения в данной отрасли техники не имеют сходных признаков, отличающих предложенный расходомер от прототипа. На основании вышеизложенного можно сделать вывод о соответствии предложения критерию "существенные отличия".

На фиг.1 и 2 схематически изображен предложенный турбинный расходомер.

Турбинный расходомер содержит корпус 1 с калиброванным каналом 2 для контролируемой среды, турбинку 3, узел 4 съема сигнала, вторичную измерительную аппаратуру 5 и турбулизатор потока в виде упругой конической спирали 6, размещенной в калиброванном канале 2, а также второй упругой конусообразной спирали 7, размещенной концентрично и соосно первой спирали 6, но имеющей обратный шаг навивки. Спираль 7 выполнена в виде усеченного конуса, закрепленного к внутренней поверхности калиброванного канала 2 за максимальный виток. Спираль 6 выполнена в виде усеченного конуса, закрепленного за минимальный виток к поверхности обтекателя 8 турбинки 3 на оси калиброванного канала 2. Спираль 7 ориентирована наибольшим основанием навстречу потоку. Спираль 6 ориентирована вершиной навстречу потоку. Спирали 6, 7 своими свободными последними витками образуют кольцевой зазор (см. фиг.2) и могут быть изготовлены из упругой ленты, ширина которой увеличивается от вершины к юбке конуса. Ребра ленты могут быть снабжены заостренными кромками и ориентированы по потоку. На витках спиралей, имеющих значительную ширину, могут быть выполнены перфорированные отверстия 9. Крепление спиралей 6, 7 может быть осуществлено с помощью потайных шурупов и канавок на поверхности калиброванного канала 2 и поверхности обтекателя 8 турбинки 3.

Устройство работает следующим образом. Поток контролируемой среды проходит через спирали 6 и 7 турбулизатора, при этом, если режим течения был ламинарным, то в датчике расходомера и в корпусе 1 он становится турбулентным, что вызывает расширение нижнего предела измерений в сторону малых расходов до 20%. Благодаря тому, что спирали 6 и 7 имеют обратный шаг навивки, поток приобретает два встречных вращательных движения, которые сталкиваются в зоне кольцевого зазора последних витков спиралей 6, 7, что, во-первых, вызывает дополнительную турбулизацию потока и, во-вторых, исключает его одностороннее закручивание. Последнее исключает дополнительную подкрутку (или торможение) вращающейся турбинки 3 и искажение первоначальной тарировочной зависимости расходомера. Таким образом, исключается дополнительная тарировка расходомера после оборудования расходомера турбулизатором потока, что значительно упрощает его обслуживание.

По мере повышения скорости течения контролируемой среды скоростной напор воздействует на витки упругих спиралей 6 и 7 и вызывает их равномерное растяжение. Тем самым уменьшается сопротивление турбулизатора на режиме квадратичного сопротивления контролируемой среды, когда его присутствие становится уже излишним.

В случае наличия в измеряемой среде инородных включений и их попадания в турбулизатор происходит растяжение спиралей 6, 7 и их смещение в радиальном направлении. Это ведет к одностороннему увеличению части кольцевого зазора и автоматическому удалению включений. Поскольку радиальное смещение спиралей 6 и 7 не требует больших усилий, значительно улучшается очистка турбулизатора от инородных включений, которые теперь могут быть и более значительных размеров. Тем самым исключается увеличение гидравлического сопротивления расходомера.

Кроме того, благодаря наличию двух упругих спиралей, закрепленных консольно и имеющих противоположный шаг навивки, обеспечиваются их радиальные колебания и соударение потоков, что дает интенсификацию турбулизации потока и позволяет выполнить спирали 6 и 7 с более значительными межвитковыми расстояниями. Тем самым уменьшаются гидравлические потери и дополнительно улучшается прохождение механических включений через спирали 6, 7 турбулизатора потока.

В остальном работа расходомера и его узлов принципиально не меняется, а именно сигнал, воспринимаемый турбинкой 3 и пропорциональный расходу контролируемой среды, фиксируется узлом 4 съема сигнала, который может быть выполнен в виде катушки, регистрирующей скорости вращения лопастей турбинки 3, которые имеют ферромагнитные вставки или выполнены из магнитомягкого материала. Сигнал с узла 4 поступает во вторичную измерительную аппаратуру 5, где имеется счетчик суммарного количества контролируемой среды и индикатор мгновенного значения расхода. Ввиду того, что расходомер при предложенном турбулизаторе потока имеет более широкий диапазон измерения (до 20% в сторону малых расходов), турбинка 3 и усилитель 5 измерительной аппаратуры должны быть настроены на прием сигнала меньшей частоты, а индикатор мгновенного значения расхода вторичной аппаратуры должен иметь расширенный нижний предел измерений (на 20-30%).

Использование: в нефтяной и химической промышленности, а также в энергетических системах. Сущность изобретения: перед турбинкой установлен турбулизатор из двух коаксиально установленных упругих спиральных элементов: первый закреплен первым витком на обтекателе, совмещенном с осью канала, а второй закреплен первым витком на стенке канала. 2 ил.

ТУРБИННЫЙ РАСХОДОМЕР, содержащий корпус, в котором выполнен калиброванный канал для контролируемой среды, турбулизатор, включающий первый упругий спиральный элемент, первый виток которого закреплен в корпусе, а последний виток размещен свободно в калиброванном канале, узел съема сигнала, вторичную измерительную аппаратуру и турбинку, установленную на валу с возможностью вращения, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона измерений, в него введены второй упругий спиральный элемент и обтекатель, при этом первый и второй упругие спиральные элементы выполнены с образованием одинаковой длины и установлены концентрично между собой, обтекатель совмещен с центром сечения калиброванного канала, первый виток второго упругого спирального элемента закреплен на обтекателе, последний виток его установлен свободно с образованием зазора между ним и последним витком первого упругого спирального элемента, а направления навивки первого и второго упругих спиральных элементов противоположны.