ТУРБИННЫЙ РАСХОДОМЕР ПОТОКА ЖИДКОСТИ (ГАЗА) Российский патент 1996 года по МПК G01F1/10 

Изобретение относится к приборостроению, в частности, к приборам измерения расхода и (или) количества жидкости (газа) и может быть использовано в различных отраслях промышленности.

Известны турбинные расходомеры потока жидкости (газа), содержащие немагнитный корпус, размещенную в его калиброванном цилиндрическом канале диаметром D_o соосно на подшипниках аксиальную немагнитную турбинку с винтовой поверхностью лопастей, образующих круговую решетку профилей, геометрические соотношения размеров которой известны, струевыпрямители со стороны входа и выхода, турбулизаторы потока, обтекатели, установленные с зазором по обе стороны турбинки, электромагнитный узел съема электродвижущей силы индукции выходного сигнала, включающий магнитоиндукционную катушку с полюсным наконечником и постоянным магнитом, установленные единым блоком с внешней стороны корпуса напротив лопастей турбинки с радиальным зазором Δ₃, а также вторичные измерительные преобразователи и узлы обработки выходного сигнала для представления результата в именованных единицах объемного расхода и (или) количества потока жидкости (газа).

Недостатком этих турбинных расходомеров является то, что в них реализованы технические решения, использующие эффекты турбулизации потока жидкости (газа), набегающего в круговую решетку профилей, для ослабления влияния вязкости потока в процессе гидромеханического взаимодействия с круговой решеткой профилей турбинки. Однако турбулизаторы, как известно, обусловливают еще и дополнительные моменты сил сопротивления, ухудшающие процесс выводя турбинный расходомер за пределы расчетного режима работы, когда погрешности измерений становятся непредсказуемыми, проявляясь обычно неустойчивой "волнистостью" правой ветви кривой погрешности и "горбом" ее левой ветви, поскольку эффекты функционирования турбулизаторов сглаживаются до полного затухания по мере уменьшения кинетической энергии потока жидкости (газа).

Наряду с этим, электромагнитный узел съема выходного сигнала известных турбинных расходомеров конструктивно выполняют с магнитной цепью постоянно разомкнутой конфигурации, при которой магнитный поток цепи на участке радиального зазора Δ₃= 0,5D_o-R, (1) между телом вращения круговой решетки профилей с внешним радиусом R и внутренней поверхностью калиброванного цилиндрического канала корпуса диаметром D_o претерпевает значительное рассеяние, что при сравнительно большом зазоре Δ₃ и определенной скорости потока способствует срыву индукции электродвижущей силы индукции выходного сигнала, а уменьшение этого зазора Δ₃ до минимально гарантированного значения, приводит, c одной стороны, к значительному увеличению магнитного момента сил торможения покоя турбинки, а c другой, к ухудшению качества скольжения sk круговой решетки профилей турбинки из-за разрушения ею вязкого подслоя пристеночной области потока жидкости (газа).

Все cказанное выше предопределяет сужение возможного диапазона измерений турбинных расходомеров, практически сводя его к единственной точке диапазона, например, номинального расхода, с низким качеством воспроизводимости погрешности измерений в рабочих условиях контроля по параметрам теплофизических свойств и состояния потока.

Ближайшим аналогом изобретения является турбинный расходомер, содержащий немагнитный корпус с калиброванным цилиндрическим каналом диаметром D₀, в котором размещены соосно немагнитная турбника c винтовой поверхностью лопастей, образующих круговую решетку профилей, геометрические соотношения размеров которой известны, струевыпрямители со стороны входа и выхода, немагнитные обтекатели, установленные с зазором по обе стороны турбинки, в полостях которых размещены элементы электронных узлов съема электродвижущей силы индукции выходного сигнала, турбулизаторы потока по обе стороны турбинки, в ступицу которой вмонтирован постоянный магнит, который в зависимости от положения турбинки на ее оси вращения относительно обтекателей, индуцирует электродвижущую силу индукции выходного сигнала, указывая еще и направление течения контролируемого потока, а также вторичные измерительные преобразователи и узлы обработки выходного сигнала для представления результатов в именованных единицах объемного расхода и (или) количества потока жидкости [2]
Недостатком известного устройства является наличие турбулизаторов потока после его струевыпрямления и постоянно разомкнутая конфигурация магнитной цепи узла съема выходного сигнала, что приводит к срыву индукции электродвижущей силы индукции выходного сигнала в торцовом зазоре-между турбинкой и обтекателями, величина которого еще и переменная из-за возможных перемещений турбинки по ее оси.

Техническим результатом от использования изобретения является решение функциональных возможностей и повышение точности измерений турбинного расходомера потока жидкости (газа).

Это достигается тем, что в турбинном расходомере содержащем немагнитный корпус в калиброванном цилиндрическом канале которого соосно размещены входной и выходной струевыпрямители, а также в подшипниковых опорах аксиальная турбинка с винтовой поверхностью лопастей, немагнитные обтекатели, установленные с зазором по обе стороны турбинки и имеющие полости, в которых размещены элементы узла съема сигнала, включающего магнитоиндукционные катушки, полюсные наконечники и постоянные магниты, преобразователь выходного сигнала в величину расхода, характерный геометрический параметр турбинного расходомера ее определяют по формуле

где: Δ₃= 0,5D_o-R величина радиального зазора; R и r соответственно внешний и внутрений радиусы круговой решетки профилей, выражаемые в функции диаметра D_o; D_o диаметр калиброванного канала; а электромагнитный узел съема выходного сигнала выполнен симметричной конфигурации с постоянно замкнутой магнитной цепью, магнитоиндукционные катушки расположены противоположно по диаметру и соединены электрически последовательно, их полюсные наконечники и постоянные магниты расположены также последовательно в магнитной цепи и замкнуты дополнительно введенным кольцом ферромагнитного полюса, причем в магнитную цепь узла съема выходного сигнала дополнительно введены ферромагнитные штифты, вмонтированные в ступицу турбинки, соосно с полюсными наконечниками магнитоиндукционных катушек, расположенных с постоянным угловым шагом, а также кольцо ферромагнитного статора, установленное в кольцевой полости обтекателя за турбинкой и имеющее средний диаметр, равный расстоянию между осями ферромагнитных штифтов, при этом торцовый зазор Δ_т по обе сторожи турбинки с обтекателями выполнен равным не более половины значения радиального зазора Δ_з, но больше минимально гарантированного значения 0,25 Δ_з.
Экспериментальным подтверждением технического результата служат данные экспериментальных исследований турбинного расходомера конкретного исполнения с замкнутой конфигурацией магнитной цепи при различных значениях торцового зазора Δ_т по обе стороны турбинки, сведенные в
Из таблицы следует, что при торцовом зазоре, равном минимально гарантированному значению Δ_т= 0,25•Δ₃= 0,4 мм, из-за значительного момента сил магнитного торможения покоя турбинки, пороговое значение расхода потока (когда начинается устойчивое вращение турбинки и индуцирование электродвижущей силы индукции выходного сигнала Q_o=12,2 м³/ч; избыточно велико; выходной сигнал при этом составляет е 43 мВ и, что в сравнении с последующими значениями, также велико. Оптимальное значение выходного сигнала е 5 мВ соответствует пороговому значению расхода потока Q_o=4,5м³, когда торцовый зазор составляет уже Δ_т= 0,5•Δ₃= 0,8 мм; дальнейшее увеличение торцового зазора обусловливает и соответствующее увеличение порогового значения расхода потока Q_o ограничиваемого оптимальным значением выходного сигнала е 5 мВ, что объясняется эффектами значительного рассеяния магнитного потока в торцовом зазоре. Эти эффекты прослеживаются и в значениях выходного сигнала на максимальном расходе потока Qmax 94,5 м³/ч уменьшением его значения с увеличением торцового зазора Δ_т.

На фиг.1 и 2 изображен турбинный расходомер в продольном сечении.

Турбинный расходомер содержит немагнитный корпус 1, в калиброванном цилиндрическом канале которого соосно установлены струевыпрямители 2, на подшипниках 3 аксиальная немагнитная турбинка 4 с винтовой поверхностью лопастей, образующих круговую решетку профилей, в ступицу турбинки 4 вмонтированы коллимирующие магнитный поток ферромагнитные штифты 5 попарно-противоположно по диаметру с угловым шагом, обеспечивающим устойчивое индуцирование электродвижущей силы индукции выходного сигнала, соосно с полюсными наконечниками 6 магнитоиндукционные катушки 7, располагаемых противоположно по диаметру и соединенных электрически последовательно, провода линии связи которых выведены за пределы канала корпуса 1 в герметичном кожухе 8, и установлены единым блоком с кольцом 9 ферромагнитного полюса и постояными магнитами 10 в кольцевой полости обтекателя 11, например, перед турбинкой 4; кольцо 12 ферромагнитного статора, установленное в кольцевой полости немагнитного обтекателя 13 за турбинной 4, замыкает сколлимированный магнитный поток цепи; устройство содержит электронную 14 схему формирователя импульсов, преобразователь 15.

Таким образом, при вращении турбинки 4 происходит "размыкание - замыкание" (изменение магнитного сопротивления) магнитной цепи узла съема выходного сигнала в результате перемещения ферромагнитных штифтов 5, индуцирующего в магнитоиндукционных катушках 7 электродвижущую силу индукции выходного сигнала, поступающей по линии связи в электронную схему 14 формирователя импульсов в виде импульсов, частота которых пропорциональна частоте вращения турбинки 4, являющейся функцией объемного расхода и (или) количества потока жидкости (газа) в калиброванном цилиндрическом канале корпуса 1 турбинного расходомера. При этом все элементы электромагнитного узла съема выходного сигнала залиты композитной смолой, изолирующей их от контролируемого потока.

Обработку выходного сигнала осуществляют в известных преобразователях, представляющих результаты в именованных единицах объемного расхода и (или) количества. ТТТ1

Использование: в приборостроении для измерения расхода или количества жидкости или газа. Сущность изобретения: устройство содержит немагнитный корпус 1, два струевыпрямителя, аксиальную немагнитную турбину 4, закрепленную в подшипниках, ферромагнитные штифты, полюсные наконечники, магнитоиндукционные катушки, герметичный кожух 8, кольцо ферромагнитного полюса, два постоянных магнита, обтекатель 11, кольцо ферромагнитного статора, немагнитный обтекатель 13, электронную схему 14 формирователя импульсов, преобразователь 15. 2 ил.

Турбинный расходомер потока жидкости (газа), содержащий немагнитный корпус, в калиброванном цилиндрическом канале которого соосно размещены входной и выходной струевыпрямители, а также в подшипниковых опорах аксиальная немагнитная турбинка с винтовой поверхностью лопастей, немагнитные обтекатели, установленные с зазором по обе стороны турбинки и имеющие полости, в которых размещены элементы узла съема сигнала, включающего магнитоиндукционные катушки, полюсные наконечники и постоянные магниты, преобразователь выходного сигнала в величину расхода, отличающийся тем, что характерный геометрический параметр турбинного расходомера определяют по формуле

где Δ_з=0,5D_o-r величина радиального зазора;
R и r соответственно внешний и внутренний радиусы круговой решетки профилей турбинки, определяемые относительно диаметра D₀ калиброванного цилиндрического канала корпуса;
D₀ диаметр калиброванного канала,
а узел съема выходного сигнала выполнен симметричной конструкции с постоянно замкнутой магнитной цепью, магнитоиндукционные катушки расположены противоположно по диаметру и соединены электрически последовательно, их полюсные наконечники и постоянные магниты расположены в магнитной цепи также последовательно и замкнуты дополнительно введенным кольцом ферромагнитного полюса, причем в магнитную цепь узла съема выходного сигнала дополнительно введены ферромагнитные штифты, вмонтированные в ступицу турбинки попарно противоположно по диаметру соосно с полюсными наконечниками магнитоиндукционных катушек, расположенных с постоянным угловым шагом, а также кольцо ферромагнитного статора, установленное в кольцевой полости обтекателя за турбинкой и имеющее средний диаметр, равный расстоянию между осями ферромагнитных штифтов, при этом торцевой зазор Δ_т по обе стороны турбинки с обтекателями выполнен равным не более половины значения радиального зазора Δ_з, но больше минимально гарантированного значения 0,25 Δ_з.