СЧЕТЧИК ГАЗА - РАСХОДОМЕР Российский патент 1997 года по МПК G01F1/00 

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для измерения объема (расхода) газожидкостной среды, преимущественно газа, протекающего по трубопроводам и поступающего потребителю под относительно низким давлением (от 80 мм вод. ст. и выше).

Изобретение представляет собой счетчик газа и может найти широкое применение при измерении объема и расхода любого количества газа при любом давлении во многих отраслях народного хозяйства.

Такие счетчики особенно необходимы для измерения и учета объема расходуемого газа, потребляемого различными объектами в системе газоснабжения коммунального хозяйства, а также в быту для индивидуального потребления.

Без подобного счетчика невозможно рациональное и экономное использование газа и другого энергоносителя. Принцип действия таких счетчиков основан на измерении числа оборотов подвижного, обычно вращающегося элемента (преобразователя), скорость движения которого пропорциональна объемному расходу.

Измеряя скорость движения крыльчатки или турбинки, получаем расходомер, а измеряя общее количество оборотов (или ходов) его счетчик количества (объем или массу) прошедшего вещества.

В настоящее время к счетчикам количества предъявляется много требований, удовлетворить которые совместно достаточно сложно и не всегда возможно.

Основными требованиями, предъявляемыми к таким счетчикам являются высокая точность в широком диапазоне измерений, надежность, независимость результатов измерений от температуры, быстродействие и значительный диапазон измерения, чувствительность к малым расходам, малые габариты, удобство монтажа и эксплуатации, низкая себестоимость и др.

Высокая точность измерения и надежность (время, в течение которого прибор сохраняет работоспособность и достаточную точность) одно из важных требований, предъявляемых к газовым счетчикам.

Другой очень важной характеристикой таких счетчиков является их относительная погрешность, которая в настоящее время не должна превышать ±(1,0-1,5)% а также быстродействие, высокая чувствительность к малым расходам, независимость результатов измерения от температуры, удобство монтажа и эксплуатации, малые габариты и низкая их себестоимость.

Известно, что подача газа в системе газоснабжения коммунального хозяйства осуществляется под давлением 3 кгс/см² (высокое), 1 кгс/см² (среднее) и 80-300 мм вод. ст. (низкое, бытовое).

Известны промышленно освоенный турбинный счетчик и преобразователь газа типа ПРГ, работающий по вышеописанному принципу. Предназначен он для давлений до 6 кгс/см² и температур газа от 0 до 50^oC на предельный расход газа 100 м³/ч [1]
Этот счетчик используется для промышленных целей. Для преодоления возникающих нагрузок в подшипниковых опорах и увеличивающегося в период эксплуатации момента трения в подшипниках в нем предусмотрен механизм периодического смазывания подшипников.

Основной недостаток такого турбинного счетчика количества изнашивание опор. Поэтому их применяют в основном для жидкостей, обладающих смазывающей способностью и при высоких давлениях.

Применение счетчиков газа для индивидуальных потребителей газа в быту, выполненных по данной схеме, практически невозможно из-за малого давления (80-300 мм вод.ст.) подаваемого газа. Это объясняется тем, что для преодоления возникающей нагрузки в подшипниковых опорах и увеличивающегося в период эксплуатации момента трения в подшипниках усилия энергии поступающего газа под таким низким давлением не хватит. Кроме того, скорость вращения турбинки должна быть пропорциональна скорости движения потока газа.

В принципе, разработанные счетчики по такой схеме могут применяться при давлениях (80-300 мм вод. ст.), но только при условии полной ликвидации возникающих нагрузок в подшипниковых опорах и увеличивающегося в период эксплуатации момента трения в подшипниках, т.е. счетчик газа должен быть безопорным. Иными словами, преобразователь (его турбинка) должен вращаться в плавающем состоянии без контакта с опорой. Поэтому для измерения объема газа, поступающего под указанным выше низким давлением, получили в настоящее время распространение счетчики газа камерного типа.

Камерные приборы как счетчики газа наряду с турбинными нашли широкое применение. Они отличаются большим разнообразием подвижных элементов, дающих наименование разновидностей этих приборов: роторные, поршневые, дисковые, с овальными шестернями, лопастные, винтовые и т.д.

По сравнению с турбинными счетчиками количества они могут обеспечить большую точность и большой диапазон измерения. Погрешность счетчиков воды ±(0,2-1)% а газа равна ±(1-1,5)% Кроме того, камерные счетчики пригодны для измерения количества жидкости любой вязкости, в том числе и очень большой. В подавляющем большинстве камерные приборы изготавливаются без тахометрических преобразователей поэтому применяются только для измерения количества.

Некоторые разновидности камерных приборов применяются в качестве газосчетчиков. При этом их подвижные элементы обычно через зубчатый редуктор соединены со счетным механизмом. Диапазон их измерения достаточно большой и находится в пределах от 5: 1 до 20:1. Но конструктивно камерные приборы сложнее турбинных, поэтому малопригодны при больших расходах измеряемого вещества. Кроме того, они весьма чувствительны к механическим примесям и требуют хорошей фильтрации жидкости и газа. Так, известен газосчетчик с эластичными стенками двух камер, которые последовательно заполняются и опорожняются при их непрерывном возвратно-поступательном движении. Газораспределительный механизм золотниковый или клапанный [2]
Такая конструкция счетчиков газа нашла применение при измерении газа, расходуемого мелкими потребителями в быту и в системе газоснабжения коммунального хозяйства.

Несмотря на трение, возникающее при непрерывном возвратно-поступательном движении камер, он имеет высокий класс точности ±(1-1,5)% но конструктивно гораздо сложнее турбинных, к тому же имеет большие габариты и не удобен при монтаже.

В основном все газовые счетчики, применяемые в настоящее время в быту, сконструированы по принципу камерных.

Таким образом, задача данного технического решения разработка счетчика газа, работающего на газе низкого давления и малых расходов без учета габаритно-массовых характеристик и себестоимости. Поэтому наиболее оптимальной конструкцией счетчика газа, удовлетворяющего требованиям по массовому применению, являлась бы конструкция турбинного счетчика газа, включающего устройство снижения нагрузки в подшипниках и компенсации увеличивающегося в период эксплуатации момента трения в подшипниках, т.е. счетчик газа должен быть безопорным.

Наиболее близким по технической сути и достигаемому техническому эффекту является счетчик, содержащий корпус, входной и выходной патрубки, счетный механизм, опору с коническими посадочными поверхностями, а также входную, промежуточную и выходную полости [3]
К недостаткам известного устройства следует отнести следующее. Из-за наличия зазоров между его подвижными и неподвижными элементами, пропускающих неучтенное количество измеряемого вещества мимо чувствительного элемента (турбина с дисками), он не в состоянии функционировать как на малых расходах, так и на малых давлениях. Отсюда он имеет и относительно большую погрешность по сравнению со счетчиками камерного типа, и худшую чувствительность к малым расходам.

Таким образом, цель данного изобретения разработка безопорного счетчика, лишенного недостатков турбинных счетчиков с подшипниковыми опорами, а именно, исключение подшипников механического трения за счет наличия под давлением измеряемого вещества в зазорах между осью и опорами.

Указанная цель достигается тем, что в счетчик газа-расходомер, содержащий корпус с входным и выходным патрубками, между которыми расположены последовательно соединенные между собой входная, промежуточная и выходная полости, опору с конической поверхностью, чувствительный элемент в виде ротора с валом, на котором закреплена турбинка, и регистрирующее устройство введены основание, жестко связанное с опорой с конической поверхностью, при этом между основанием и опорой с конической поверхностью расположена промежуточная полость, в которой установлена с кольцевым зазором относительно основания и соосно с ним турбинка с тангенциальными отверстиями, входная полость соединена с промежуточной полостью через отверстия, выполненные в основании, кольцевой зазор и тангенциальные отверстия турбинки, ротор чувствительного элемента выполнен в виде конуса и установлен в выходной полости на конической поверхности опоры с возможностью осевого перемещения, а промежуточная полость соединена с выходной полостью через сквозное осевое и осесимметричные отверстия, выполненные в опоре с конической поверхностью.

Расположение опоры с конической посадочной поверхностью соосно корпусу и выполнение ее с осесимметричными отверстиями позволяет создать верхний газовый подвес ротора и обеспечить саморегулирование проходного сечения при изменении величины расхода газа, одновременно позволит выполнять функцию обратного клапана.

Размещение ротора в опоре с зазором, а также выполнение неподвижного основания с радиальными отверстиями, а турбинки с тангенциальными и размещение ее относительно неподвижного основания с кольцевым зазором позволит обеспечить создание нижней газовой опоры, исключить радиальное биение и обеспечить саморегулирование проходного сечения, а выполнение турбинки реактивной вместо лопастной повысить КПД.

На чертеже изображен продольный разрез счетчика газа (расходомера).

Счетчик газа-расходомер содержит корпус 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками, опору 4 с конической посадочной поверхностью 5, счетное устройство 6, ротор 7, включающий конус 8 с валом 9 и турбинку 10, входную 11, промежуточную 12 и выходную 13 полости.

Для обеспечения саморегулирования проходного сечения при изменении величины расхода газа, создания верхнего газового подвеса для ротора 7 и устранения радиального его биения опора 4 с конической посадочной поверхностью 5 закреплена в корпусе 1 соосно и выполнена с осесимметричными отверстиями 14.

Для создания нижней газовой опоры для ротора 7 счетчик дополнительно снабжен неподвижным основанием 15, которое закреплено в опоре 4 соосно и снабжено радиальными отверстиями 16, турбинка 10 ротора 7 размещена относительно неподвижного основания 15 с кольцевым зазором 17 и снабжена тангенциальными отверстиями 18.

Для выполнения функции обратного клапана ротор 7 размещен в опоре 4 с кольцевым зазором 19, а своим конусом 8 свободно посажен на коническую посадочную поверхность 5 опоры 4. Для обеспечения функционирования счетчика полости его 11 13 связаны друг с другом через радиальные отверстия 16, кольцевой зазор 17, тангенциальные отверстия 18, зазор 19 и осесимметричные отверстия 14.

Работа счетчика осуществляется следующим образом.

В исходном положении (отбор газа потребителем не производится) полости 11 13 находятся под одинаковым давлением газа питающей сети. Конус 8 ротора 7 посажен на коническую посадочную поверхность 5 опоры 4. Турбинка 10 ротора 7 находится в неподвижном состоянии. При отборе газа (при включении источника потребления) газ, находящийся в полости 13, начинает поступать через выходной патрубок 3 на источник потребления, например, газовую плиту. Происходит снижение давления в полости 13, в результате образуется перепад давлений между входным патрубком 2 с полостями 11 и 12 и выходной полостью 13 с входным патрубком 3.

Начинается истечение газа, который через радиальное отверстие 16 неподвижного основания 15, кольцевой зазор 17 (центрирует турбинку 10 относительно неподвижного основания 15) и тангенциальные отверстия 18 турбинки 10 ротора 7 поступает в промежуточную полость 12, а из нее в кольцевой зазор 19 и осесимметричные отверстия 14, поднимает конус 8, а вместе с ним и ротор 7. Образуется зазор между конусом 8 и конической посадочной поверхностью 5 опоры 4. Турбинка 10 ротора 7 благодаря тангенциальным отверстиям 18 начинает вращаться вокруг оси ротора 7 со скоростью, пропорциональной объемному расходу.

Газ, проходя через образовавшийся зазор, поступает в полость 13 и далее через выходной патрубок 3 к потребителю.

Благодаря наличию между конусом 8 и конической посадочной поверхностью 5 опоры 4 газа под давлением, ротор 7 вывешивается в газовой среде, в результате газовая турбинка 10 вращается в плавающем состоянии без контакта с опорами. При изменении величины перепада давления в связи с изменением количества потребляемого газа происходит изменение оборотов турбинки 10 и расхода газа. Информация об оборотах бесконтактным способом передается счетному устройству 6, которое переводит обороты ротора 7 в объем прошедшего через счетчик газа либо измеряя скорость движения его в расход газа.

При прекращении потребления газа давление в полостях 11 13 выравнивается. Под действием веса ротора 7 конус 8 садится на коническую посадочную поверхность 5 опоры 4 и перекрывает зазор для прохода газа, а турбинка 10 за счет прекращения истечения газа через тангенциальные отверстия 18 прекращает вращаться. Отбор газа потребителем прекращается.

Испытания подтвердили при сохранении существующих точностных характеристик работоспособность счетчика в широком диапазоне расходов, высокую надежность и чувствительность к малым расходам и давлениям.

При этом по сравнению с известным камерным счетчиком его габариты 120 х 100 х 80) мм вместо (260 х 200 х 200) мм; вес 1,5 кг вместо 5±7 кг; расход 0,09 м³/ч вместо 0,04 м³/ч; диапазон измерения (1:300) вместо (1:150); давление начала функционирования 40 мм вод.ст. предварительная стоимость 30-35 долл.

Применение счетчика позволит обеспечить потребителей газа дешевыми и надежными приборами отечественного производства.

Использование: измерение расхода газа, поступающего к потребителю под низким давлением (от 80 мм вод. ст и выше). Сущность изобретения: счетчик газа-расходомер содержит корпус с входным и выходным патрубками, между которыми расположены входная промежуточная и выходная полости, основание, жестко связанное с опорой с конической поверхностью, чувствительный элемент в виде ротора с валом, на котором закреплена турбинка и регистратор. Между основаниями и опорой расположена промежуточная полость, в которой установлена с кольцевым зазором турбинка с тангенциальными отверстиями. Входная полость соединена с промежуточной через отверстия в основании, кольцевой зазор и тангенциальные отверстия турбинки. Ротор чувствительного элемента выполнен в виде конуса и установлен в выходной полости на конической поверхности опоры с возможностью осевого перемещения. Промежуточная полость соединена с выходной через сквозные осевое и осесимметричное отверстия, выполненные в опоре. 1 ил.

Счетчик газа расходомер, содержащий корпус с входным и выходным патрубками, между которыми расположены последовательно соединенные между собой входная, промежуточная и выходная полости, опору с конической поверхностью, чувствительный элемент в виде ротора с валом, на котором закреплена турбинка, и регистрирующее устройство, отличающийся тем, что в него введено основание, жестко связанное с опорой с конической поверхностью, при этом между основанием и опорой с конической поверхностью расположена промежуточная полость, в которой установлена с кольцевым зазором относительно основания и соосно с ним турбинка с тангенциальными отверстиями, входная полость соединена с промежуточной полостью через отверстия, выполненные в основании, кольцевой зазор и тангенциальные отверстия турбинки, ротор чувствительного элемента выполнен в виде конуса и установлен в выходной полости на конической поверхности опоры с возможностью осевого перемещения, а промежуточная полость соединена с выходной полостью через сквозные осевое и осесимметричные отверстия, выполненные в опоре с конической поверхностью.