ТУРБИННО-ТАНГЕНЦИАЛЬНЫЙ ДАТЧИК РАСХОДА Российский патент 1995 года по МПК G01F1/06 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам расходомеров жидких и газообразных продуктов, транспортируемых при их приемке или выдачи.

Известно устройство для измерения расхода жидкого продукта, содержащее тангенциальный канал, камеру, в которой установлена соосно ей турбинка с лопастями, средняя окружность которой пересекается в одной точке с продольной осью тангенциального канала, входной и выходной патрубки и узел съема сигнала [1].

Недостатком известного устройства является соединение оси лопастного колеса с электродвигателем малой мощности, снабженным муфтовым соединением, которое с помощью реостата изменяет число оборотов.

Кроме того, на другом конце оси электродвигателя имеется фрикционная передача, соединяемая для производства отсчета по приборам - счетчика оборотов и секундомера, включаемых на фиксированное время счета числа оборотов лопастного колеса, снабженного в патрубке по обеим сторонам его отверстиями для присоединения трубопроводов коленчатого ртутного манометра.

Однако такое устройство для определения скорости течения газа или жидкости в трубах при измерении малых расходов продуктов приводит к значительным искажениям результатов измерения скорости и не обеспечивает требуемой точности.

Цель изобретения - повышение точности измерений.

Цель достигается тем, что турбинно-тангенциальный датчик расхода тангенциальный канал, камеру, в которой установлена соосно ей турбинка с лопатками, причем средняя окружность лопаток пересекается в одной точке с продольной осью тангенциального канала, входной и выходной патрубки и узел съема сигнала. Внешний радиус R лопатки определяется по формуле
R = ,
(1) где d - диаметр тангенциального канала, м; n - число лопаток турбинки, шт., а высота лопатки определяется по формуле
h = ,
(3) где d - диаметр тангенциального канала, м;
K= - отношение площади лопатки S₂ к площади поперечного сечения тангенциального канала S₁, о.е.

На фиг. 1 изображен турбинно-тангенциальный датчик расхода, общий вид; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг.1; на фиг.3 - расчетная схема определения внешнего радиуса турбинки с лопатками.

Устройство турбинно-тангенциального датчика расхода содержит тангенциальный канал 2, 3, камеру 1, в которой установлена соосно ей турбинка 4 с лопатками 8. Средняя окружность 7 лопаток 8 пересекается в одной точке с продольной осью тангенциального канала 2, 3, входной 2 и выходной 3 патрубки и узел 5 съема сигнала.

Тангенциальная турбинка 4 представляет собой диск, радиус и ширина которого определяются выражением R= при заданном числе лопаток n (шт).

Рабочая площадь 9 лопатки 8 по форме и ее величине повторяет форму тангенциального канала 2, 3, по которому проходит текущий продукт при задаваемом коэффициенте пропорциональности площади их сечения.

На фиг.3 видно, что R - радиус внешней окружности лопаток турбинки; r - внутренний радиус ее, который равен r=R-d (м). Из ΔОАС определим угол ϕ, как cos ϕ=r/R, заменяя в этом выражении r=R-d, получим, что cosϕ = или cosϕ = 1- . Определим величину угла ϕ при заданном числе лопаток (n) как cosϕ = .

Следовательно, cosϕ = 1- , откуда радиус внешней окружности R при заданном диаметре тангенциального канала d определяется формулой
R = .

Например, при заданном диаметре 0,012 м тангенциального канала 2, 3, числе лопаток 6 шт. определим радиус по выражению (1)
R = = 0,024 (м), который определяет в основном конструктивные размеры турбинки.

Кроме того, площадь 9 лопаток 8 турбинки 4 пропорциональна площади сечения потока 2, 3 через задаваемый коэффициент пропорциональности площадей их сечения, определяемый как отношение площади 9 лопатки S₂ 8 к площади сечения тангенциального S₁ канала 2, 3, т.е. K= .

В общем случае этот коэффициент учитывает величину рабочих зазоров турбинки в камере.

Известно, что площадь тангенциального канала 2, 3 определяется выражением S₁= (м²), при этом площадь 9 лопатки 8 турбинки 4 равна S₂= S₁+hd (м²) или S₂= + hd (м²).

Следовательно, K= = + , где h - высота прямоугольной части лопатки от продольной оси тангенциального канала 2, 3 до ее основания.

При заданном коэффициенте пропорциональности K=const из этого выражения определим высоту прямоугольной части лопатки, т.е.

h = .

Например d=0,012 м. K=0,98, получим
h = = 0,00452 (м)
Форма основания лопатки 8 представляет прямую линию, которая находится в плоскости предыдущей лопатки, длина которой определяется углом ϕ по выражению ϕ = arccos .

Тангенциальная турбинка 4 снабжена n прерывателями 11 сигнала, расположенными по окружности 12 среднего радиуса между радиусом основания лопатки 8 и внешним радиусом подшипника 14.

Каждый прерыватель 11 сигнала представляет собой, например, сквозные отверстия (как элемент тахометрического преобразователя), в качестве которого, например, используется фотоэлектрический преобразователь, состоящий из излучающего светодиода 13 и узла 5 съема сигнала.

Количество прерывателей 11 сигнала выбирается из условия повышения разрешающей способности турбинно-тангенциального датчика. Например, в одном случае турбинка 4 имеет одно отверстие, а в другом - 10 отверстий. При этих условиях узел 5 съема сигнала вырабатывает в первом случае за один оборот турбинки 4 один импульс, а в другом - за один оборот турбинки 4 узел 5 съема сигнала вырабатывает 10 импульсов. Следовательно, цена деления одного импульса во втором случае в 10 раз больше, чем в первом случае. Таким образом, разрешающая способность турбинно-тангенциального датчика расхода зависит от количества прерывателей сигнала, которая возрастает пропорционально их количеству.

Устройство работает следующим образом.

Струя потока тангенциального канала 2, 3 транспортируемого продукта действует на лопатки 8 тангенциальной турбинки 4, которая вращается с определенной частотой, пропорциональной угловой скорости ее вращения, которая воспринимается узлом 5 съема сигнала.

Процесс вращения турбинки 4 в динамике потока рассмотрим на примере, в котором допустим, что в определенный момент времени рабочая поверхность лопатки 8 установлена перпендикулярно потоку 2, 3, т.е. при условии заданной пропорциональности площади сечения струи потока 2, 3 и лопатки 8.

В этом исходном положении видно, что струя потока 2, 3 продукта в канале разделена клиновой поверхностью одной лопатки 8. При условии замедленной скорости вращения в единичные отрезки времени видно, что при повороте лопатки 8 под действием струи потока 2, 3 на некоторый угол ϕ происходит вытеснение продукта за счет центробежных сил наклонной поверхностью лопатки 8 в выходной канал 3 при одновременном воздействии продукта на рабочую поверхность предыдущей лопатки 8, угол встречи которой со струей потока 2, 3 возрастает до величины, принятой в исходном положении, в котором рабочая поверхность лопатки 8 установится перпендикулярно потоку 2, 3, после чего процесс повторяется.

При этом объемы полостей, заключенные между камерой 1 и лопатками 8, находящиеся в стороне от тангенциального канала 2, 3 представляют собой объемы продукта, находящегося под меньшим динамическим давлением, чем давление в тангенциальном канале 2, 3, что в меньшей степени изменяет момент инерции турбинки 4 при учете присоединения массы потока от изменения момента количества движения массы секундного расхода.

Турбинно-тангенциальный датчик расхода при заданных параметрах тангенциальной турбинки и профилирования лопаток позволяет повысить точность измерений.

Использование: измерение расходов жидких и газообразных материальных продуктов. Сущность изобретения: в турбинно - тангенциальном датчике средняя окружность лопаток пересекается в одной точке с продольной осью тангенциального канала, внешний радиус лопатки определяется по формуле, приведенной в описании. 3 ил.

ТУРБИННО-ТАНГЕНЦИАЛЬНЫЙ ДАТЧИК РАСХОДА, содержащий тангенциальный канал, камеру, в которой установлена соосно с ней турбинка с лопатками, причем средняя окружность лопаток пересекается в одной точке с продольной осью тангенциального канала, входной и выходной патрубки и узел съема сигнала, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, внешний радиус R лопатки определяется по формуле

где d - диаметр тангенциального канала;
n - число лопаток турбинки,
а высота лопатки определяется по формуле

где d - диаметр тангенциального канала;
K = S₂ / S₁ - отношение площади лопатки к площади поперечного сечения тангенциального канала.