ВИХРЕВОЙ РАСХОДОМЕР Российский патент 1997 года по МПК G01F1/32 

Изобретение относится к приборостроению, а именно к устройствам для измерения расхода жидких и газообразных сред.

Известен вихревой расходомер /1/, содержащий установленный в трубопроводе перпендикулярно его оси обтекатель, цилиндрическую камеру со свободно расположенным в ней чувствительным элементом, каналы обтекателей, сообщающие цилиндрическую камеру с полостью трубопроводов, и узел съема сигнала, содержащий индуктивные катушки. Чувствительный элемент выполнен в виде тонкого диска, а узел съема сигнала состоит из 2-х катушек, расположенных с двух сторон диска.

Недостатком этого расходомера является его невысокая чувствительность из-за относительно большой массы мембраны. Кроме того, все регистраторы пульсаций давления, к которым относится и мембрана, отличаются недостаточной помехоустойчивостью. Все это приводит к существенному снижению точности измерения расхода с помощью описанного выше устройства.

Ближайшим аналогом к изобретению является расходомер, содержащий установленное в трубопроводе перпендикулярно его оси тело обтекания, в котором выполнен ряд сквозных отверстий, оси которых перпендикулярны осям трубопровода и тела обтекания, при этом в одном из отверстий установлен чувствительный элемент термоанемометра /2/.

При наличии потока в канале отдельные слои жидкости отрываются от тела обтекания и свертываются в вихри. При образовании вихря с одной стороны тела обтекания скорость потока здесь уменьшается, давление растет, а у противоположной стороны скорость растет, а давление падает. В результате этого в сквозных отверстиях в теле обтекания образуется пульсирующее возвратно-поступательное течение. Чувствительный элемент термоанемометра, установленный в одном из отверстий, регистрирует пульсации скорости, частота которых, равная частоте срыва вихрей в теле обтекания, пропорциональна объемному расходу.

Недостатком устройства является невысокая точность измерения, особенно на краях диапазона измерения. Это объясняется особенностями течения в сквозных отверстиях в теле обтекания. Вследствие того, что отверстия в теле обтекания в прототипе имеют цилиндрическую форму и острые входные кромки, течение в них имеет турбулентный вихревой характер. На входах отверстий на острых кромках имеет место отрыв потока с образованием вихревых структур. Турбулентные вихревые структуры сносятся потоком и фиксируются чувствительным элементом термоанемометра, расположенным в одном из отверстий. На нижнем пределе измерения /малые расходы/ основной сигнал с чувствительного элемента имеет незначительную амплитуду и "паразитный" сигнал, вызванный турбулентностью, становится соизмеримым с основным. На верхнем пределе измерения /большие расходы/ существенно возрастает амплитуда "паразитного" сигнала и она также становится соизмеримой с основным сигналом. Все это приводит к потере регулярности сигнала и, следовательно, к снижению точности измерения.

Техническим результатом является повышение точности измерения и расширение диапазона измерения.

Это достигается тем, что в вихревом расходомере, содержащем установленное в трубопроводе перпендикулярно его оси тело обтекания, в котором выполнен ряд сквозных отверстий, оси которых перпендикулярны осям трубопровода и тела обтекания, при этом в одном из отверстий установлен чувствительный элемент термоанемометра, сквозные отверстия в теле обтекания выполнены в виде каналов, сужающихся с противоположных сторон к середине, выходные кромки отверстий скруглены, а чувствительный элемент термоанемометpа расположен в наименьшем сечении одного из каналов.

Кроме того, чувствительный элемент термоанемометра выполнен в виде металлической пленки на диэлектрической подложке, нанесенной на стенку сквозного канала в его минимальном сечении. Это позволяет уменьшить гидравлическое сопротивление сквозных каналов в теле обтекания,турбулизацию потока в них и тем самым улучшить качество сигнала на нижнем пределе измерения.

Выполнение сквозных отвеpстий в теле обтекания в виде каналов, сужающихся с противоположных концов к середине со скругленными входными кромками, позволяет устранить вредные турбулентные пульсации потока. Кроме того, происходит более эффективное преобразование потенциальной энергии /повышенного давления в отрывной области/ вихря в кинетическую энергию потока в сквозном канале, что способствует увеличению амплитуды выходного сигнала и тем самым увеличению отношению сигнал-шум, а, следовательно, повышению точности измерения.

На фиг.1 представлена конструкция предлагаемого устройства; на фиг.2а,б
два варианта сквозного канала в разрезе; на фиг.3 градуировочная зависимость устройства в виде функции Q_o=f(n), где n[Гц] частота пульсаций скорости в сквозном отверстии в теле обтекания, Q_o [м³/c] - объемный расход через трубопровод в сравнении с прототипом.

Устройство содержит трубопровод 1, перпендикулярно оси которого установлено тело обтекателя 2, в котором выполнен ряд сквозных отверстий 3. Оси сквозных отверстий 3 перпендикулярны осям трубопровода 1 О О₁ и тела обтекания 2 Х ХI. В одном из сквозных отверстий 3 установлен чувствительный элемент термоанемометра 4. Сквозные отверстия 3 в теле обтекания 2 выполнены в виде каналов, сужающихся с противоположных концов к середине /см. сеч. А А фиг. 2/. Входные кромки сквозных каналов 3 скруглены произвольным радиусом. Чувствительный элемент термоанемометра 4 установлен в наименьшем сечении сквозного отверстия канала 3. Он может быть проволочным /фиг.2а/ или пленочным /фиг. 2б/. Проволочный чувствительный элемент 4 представляет собой проводничок, расположенный в диаметральной плоскости сквозного канала 3 и приваренный к двум токопроводам 5. Пленочный чувствительный элемент 4 представляет собой тонкую металлическую пленку 6, нанесенную на диэлектрическую подложку, которая закреплена на стенке сквозного отверстия канала 3 в его минимальном сечении.

Устройство работает следующим образом. При наличии потока в трубопроводе 1 происходит образование и поочередный отрыв вихрей с противоположных кромок тела обтекания 2. При образовании вихря с одной стороны тела обтекания 2 скорость потока здесь падает, а давление возрастает. У противоположной стороны тела обтекания 2 скорость в это время возрастает, а давление падает. В результате образуется перепад давления на противоположных концах сквозных каналов 3, выполненных в теле обтекания 2. Под воздействием этого перепада давления жидкость начинает перетекать через сквозной канал 3 на противоположную сторону тела обтекания 2. При образовании вихря с другой стороны тела обтекания 2 направление перетока в сквозном канале 3 изменяется. Пульсации скорости фиксируются чувствительным элементом термоанемометра 4, установленным в минимальном сечении сквозного канала 3. Регистрация сигнала с чувствительного элемента 4 осуществляется термоанемометром постоянной температуры или постоянного тока, далее сигнал поступает на схему счетчика частоты. Выходная частота f термоанемометра пропорциональна объемному расходу: Q_o=A•f, где А коэффициент, определяемый градуировкой.

Так как сквозные каналы 3 в теле обтекания 2 выполнены сужающимися от противоположных концов к середине и при этом имеют скругленные входные кромки, то поток в них ускоряется без вихреобразования от входного до минимального сечения канала 3, в котором установлен чувствительный элемент 4 термоанемометра. При этом условия обтекания чувствительного элемента 4 не зависят от направления потока в канале 3. Поскольку возрастает скорость обтекания чувствительного элемента 4, то увеличивается амплитуда выходного сигнала термоанемометра, снижается уровень сигнала "помех"/т.к. уменьшается степень турбулентности течения/ и улучшается регулярность выходного сигнала.

На фиг. 3 приведено сравнение градуировочных зависимостей предлагаемого устройства при использовании в качестве чувствительного элемента проволочного проводника и пленки, нанесенной на стенку сквозного канала 3 в его минимальном сечении. При использовании проволочного датчика разброс экспериментальных точек от линейной характеристики составляет ± 1,5% при использовании пленочного датчика не превышает ± 0,75% Это объясняется возмущающим влиянием токоподводящих ножек проволочного датчика на турбулентность течения в минимальном сечении сквозного канала, которое полностью отсутствует при использовании пленочного датчика.

Использование: в приборостроении для измерения расхода жидких и газообразных сред. Сущность изобретения: устройство содержит трубопровод 1, перпендикулярно оси которого установлено тело обтекания 2. Сквозные каналы 3 в теле обтекания 2 выполнены в виде каналов, сужающихся с противоположных к середине. Входные кромки сквозных каналов 3 скруглены произвольным радиусом. В минимальном сечении одного из сквозных каналов 3 установлен термоанемометр. Он может быть выполнен в виде пленки, нанесенной на стенку сквозного канала 3 в его минимальном сечении. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Вихревой расходомер, содержащий установленное в трубопроводе перпендикулярно его оси тело обтекания, в котором выполнен ряд сквозных отверстий, оси которых перпендикулярны осям трубопровода и тела обтекания, при этом в одном из скозных отверстий установлен чувствительный элемент термоанемометра, отличающийся тем, что сквозные отверстия в теле обтекания выполнены в виде канала, сужающегося с противоположных концов к середине, выходные кромки этих сквозных каналов скруглены, а чувствительный элемент расположен в наименьшем сечении сквозного канала. 2. Расходомер по п.1, отличающийся тем, что чувствительный элемент термоанемометра выполнен в виде пленки, нанесенной на стенку сквозного канала в его наименьшем сечении.