СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ТРАНСПОРТИРУЕМОГО ВЕЩЕСТВА И РАСХОДОМЕР Российский патент 1997 года по МПК G01F1/34 

Изобретение относится к способам измерения расхода и к расходомерам, используемым для определения расхода вещества (жидкостей, газов и др.) в напорных материалопроводах (трубопроводах, каналах) в различных отраслях промышленности, энергетики, транспорта, коммунального хозяйства и т.п.

Известен способ замера расхода транспортируемого вещества, основанный на использовании перепада статического давления, измеряемого на стенке материалопровода [1] в двух его сечениях, одно из которых находится перед, а второе после специально установленного в материалопроводе сужающего устройства. В качестве сужающего устройства используется, например, диафрагма, сопло, трубки Вентури и др.

Недостатком описанного способа является:
снижение точности и надежности измерения перепада давлений в районе сужающего устройства из-за неизбежных засорений (отложений) в районе щелей (отверстий) в материалопроводе и относительно редкого контроля их состояния, обусловленного длительностью и трудоемкостью необходимых для этого демонтажно-монтажных работ;
невозможность доступа к щелям (отверстиям) для отбора давлений в материалопроводе с целью осмотра, очистки и других профилактических работ в процессе эксплуатации расходомеров, без разборки (демонтажа) их, что связано с длительным прекращением процесса транспортировки вещества.

Ближайшим аналогом предлагаемого способа является способ измерения расхода транспортируемого вещества [2] при котором расход измеряют по величине перепада статического давления в двух сечениях на стенке материалопровода в районе сужающего устройства, в качестве которого используют круглое цилиндрическое тело, установленное в сечении материалопровода так, что его ось перпендикулярна оси материалопровода и лежит в одной с ним плоскости, а тело сужающего устройства частично перекрывает проходное сечение, вызывая сужение потока.

Перепад давления измеряют между двумя сечениями материалопровода, через сверления в его стенках. Сечение выбирают на определенных расстояниях перед и после сужающего устройства или в плоскости установки сужающего устройства и на определенном удалении за ним. Измеренный перепад статического давления используют для определения расхода.

Ближайшим аналогом предлагаемого устройства является расходомер транспортируемого вещества, содержащий цилиндрическое сужающее устройство, установленное поперек потока в плоскости проходного сечения материалопровода перпендикулярно его оси, приемники статического давления, импульсные трубки и дифференциальный манометр [2]
Величина расхода Q в материалопроводе связана с геометрическими и гидромеханическими характеристиками деформации потока в зоне сужающего устройства зависимостью (2):

где
α коэффициент расхода;
f площадь проходного сечения в месте установки сужающего устройства;
P₁, P₂ статическое давление в первом и втором сечении материалопровода, измеренное на его стенке перед и после сужающего устройства;
g удельный вес вещества;
x коэффициент гидравлических потерь на участке 1 и 2;
N₁, N₂ коэффициент кинетической энергии потока в сечениях 1 и 2;
m f/F отношение площади проходного сечения в месте установки сужающего устройства к поперечному сечению материалопровода;
m₁ f₁/f коэффициент сужения струи, зависящей от вида сужающего устройства;
F площадь поперечного сечения материалопровода;
f площадь струи в месте ее наибольшего сжатия в сечении за сужающим устройством;
отношение перепада давления в теоретически оптимальных сечениях 1 и 2 к измеряемому перепаду давления в фиксированных сечениях 1 и 2 действительного отбора его в расходомерах данной конструкции.

Недостатком известного способа является пониженная точность и надежность измерения перепада давлений в районе сужающего устройства из-за неизбежных засорений (отложений) в районе отверстий в материалопроводе и относительно редкого контроля их состояния.

Техническим результатом от использования изобретения является повышение точности и надежности измерения расхода транспортируемого вещества в материалопроводе.

Для решения задачи предлагается следующее:
перенести места приема перепада давлений с внутренней поверхности стенок материалопровода на поверхность тела цилиндрического сужающего устройства и производить замер через приемники давления.

Это достигается в способе тем, что замер осредненных статических давлений производят на самом сужающем устройстве в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, причем, одно мерное сечение совпадает с плоскостью наибольшего перекрытия проходного сечения материалопровода сужающим устройством, а другое мерное сечение совпадает с плоскостью, касательной к сужающему устройству со стороны, противоположной направлению потока.

В устройстве технический результат достигается тем, что приемники статического давления выполнены в виде трех прорезей, выполненных в цилиндрическом сужающем устройстве по его образующей в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, проходящих через его ось, и сообщающих полость материалопровода с двумя внутренними полостями, образованными в цилиндрическом сужающем устройстве и связанными одними концами с импульсными трубками, причем, две прорези выполнены в плоскости сечения сужающего устройства, нормального к оси материалопровода, и сообщены с одной из внутренних полостей, а третья прорезь, сообщенная со второй внутренней полостью, выполнена в плоскости, проходящей через продольную ось материалопровода со стороны, противоположной направлению потока, при этом высота прорезей равна внутреннему размеру материалопровода в месте установки сужающего устройства, вторые концы внутренних полостей заглушены, а торцы цилиндрического сужающего устройства выступают за пределы материалопровода.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Известны закономерности распределения давления на поверхности цилиндра, обтекаемого поперечным потоком вещества внутри канала. Судя по результатам исследований, два сечения, где на поверхности цилиндрического сужающего устройства разница статических давлений будет наибольшей при закритическом режиме течения вещества, должны совпадать со следующими. Первое с местом, где проходное сечение в материалопроводе будет минимальным, т.е. сечение в плоскости оси цилиндрического сужающего устройства. Статическое давление на поверхности цилиндрического сужающего устройства можно снять на двух его образующих, имеющих центральный угол Φ = ± 90^° при отсчете от лобовой критической линии обтекания цилиндрического сужающего устройства.

Второе сечение целесообразно выбрать в плоскости, где заканчивается тело цилиндрического сужающего устройства, т.е. в плоскости, касательной к сужающему устройству со стороны, противоположной направлению потока, имеющей центральный угол Φ = 180^° при отсчете от лобовой критической линии обтекания цилиндрического сужающего устройства.

Если поток материала является несжимаемым при данном режиме течения, а скорость его меньше скорости звука, то для одного и того же сужающего устройства расходомера и геометрически подобных сужающих устройств основная характеристика расходомера коэффициент расхода α зависит только от числа Рейнольдса
,
где
V средняя скорость потока в материалопроводе;
D внутренний диаметр материалопровода;
n кинематическая вязкость измеряемого вещества в рабочих условиях.

Известно, что зависимость a от Re существенна при малых Re, уменьшается с ростом числа Re и, наконец, при некоторых достаточно больших числах Re, характерных для каждой конструкции сужающего устройства, коэффициент расхода вообще перестает зависеть от Re, т. е. величина a становится постоянной (a = const). Это область эффективной эксплуатации расходомеров переменного перепада давлений.

В области нормальной эксплуатации расходомеров с сужающими устройствами, для которых известны экспериментальные значения α, расхода Q зависит только от площади проходного сечения f в месте установки сужающего устройства и разности статических давлений P₁ и P₂, измеренных в двух фиксированных сечениях м материалопровода (или включенной в него расходомерной вставки) в районе сужающего устройства.

Во всех известных случаях для приема и соединения статических давлений в сечениях материалопровода в районе установки сужающего устройства используют кольцевые цели или отверстия в стенке материалопровода. Для осреднения давлений в каждом сечении используют внутренние камеры или наружные коллекторы. Импульсные трубки подводят давление от камер или коллекторов к приемным концам дифференциального манометра.

В изобретении эта задача решается следующим образом.

На поверхности цилиндрического сужающего устройства выполняют три приемника статических давлений прорези (щели), лежащие в плоскостях мерных сечений материалопровода, причем длина прорезей равна внутреннему размеру материалопровода.

Сужающее устройство устанавливают в материалопроводе таким образом, чтобы две прорези лежали в плоскости, перпендикулярной оси материалопровода, совпадающей с плоскостью наибольшего перекрытия проходного сечения материалопровода теплом сужающего устройства, а третья прорезь при этом лежала в плоскости оси материалопровода и совпадала с задней образующей цилиндра.

Внутри тела сужающего устройства выполняют две независимые полости, играющие роли камер (коллекторов) для выравнивания пульсаций и осреднения измеренного статического давления, причем одна полость сообщается с поверхностью сужающего устройства двумя прорезями, лежащими в плоскости наибольшего перекрытия проходного сечения телом сужающего устройства, а другая полость с одной прорезью, лежащей в плоскости оси материалопровода и совпадающей с задней образующей цилиндра.

Длину сужающего устройства выбирают больше наружного размера (диаметра) материалопровода, чтобы торцы установленного сужающего устройства были расположены вне материалопровода.

В каждом торце сужающего устройства выполнены по два отверстия, связанных, соответственно, с двумя внутренними полостями, одно отверстие каждой полости служит для подключения импульсных трубок для измерения осредненного статического давления, а другое для технического обслуживания сужающего устройства в процессе эксплуатации, причем отверстия для обслуживания в период между этими работами заглушены винтовыми пробками (заглушками).

Диаметр сужающего устройства d новой конструкции может быть выбран в соответствии с рекомендациями исследований, из которых следует, что должно быть d/D ≥0,3, где D диаметр материалопровода. Уменьшение загромождения потока телом цилиндрического сужающего устройства мало пригодно, т.к. при этом быстро убывает полезный сигнал (перепад давлений). Очень большое d/D также нежелательно в связи с ростом гидравлических потерь в материалопроводе.

Ширина прорезей (b) на поверхности цилиндрического сужающего устройства может быть принята равной рекомендованной правилами для ширины щелей кольцевых камер на стенке материалопровода при установке сужающих диафрагм, т.е. не выше чем 0,03D при m≅0,45 или 0,01D≅b≅0,02D при m>0,45. При этом рекомендуется, чтобы 1 мм≅b≅12 мм.

Цилиндрическое сужающее устройство может быть соединено со стенками материалопровода разъемным способом, если оно устанавливается в специальные сверления (вырезы) в выбранном месте материалопровода, или неразъемным способом, если используется короткая мерная вставка, устанавливаемая в материалопровод в одно из его штатных разъемных соединений. В последнем случае цилиндрическое сужающее устройство может ввариваться, впаиваться, вклеиваться в мерную вставку или крепиться в ней любым другим неразъемным способом соединения.

В предлагаемой конструкции цилиндрического сужающего устройства совмещены следующие функции:
сужение потока:
прием статического давления через прорези на поверхности сужающего устройства в двух сечениях материалопровода;
осреднение давлений в специальных полостях внутри тела сужающего устройства;
вынос за пределы материалопровода специальных отверстий в сужающем устройстве, обеспечивающих доступ для ревизии, очистки приемных прорезей и полостей.

На фиг. 1 поперечное сечение материалопровода в месте установки цилиндрического сужающего устройства, вид со стороны кормовой прорези - приемника статических давлений; на фиг. 2 боковой вид цилиндрического сужающего устройства в материалопроводе с вырывом стенки материалопровода и частичным сечением устройства в диаметральной плоскости, совпадающей с осью материалопровода; на фиг. 3 вариант изготовления цилиндрического сужающего устройства из заготовки-трубы сварным способом, поперечное сечение; на фиг. 4 вариант сечения цилиндрического сужающего устройства при изготовлении его из круглого металла, пластмассы, керамики и т.д.

На предлагаемых графических материалах применены следующие обозначения: 1 тело сужающего устройства, имеющее круглое поперечное сечение с диаметром d; 2 материалопровод, имеющий внутренний диаметр D; 3 две полости внутри сужающего устройства, служащие для осреднения статического давления, измеренного на поверхности сужающего устройства с помощью прорезей 4; 5 - заглушки (пробки) на торце сужающего устройства; 6 штуцер для присоединения импульсных трубок к внутренним полостям через имеющиеся отверстия на торце устройства; 7 импульсная трубка для подвода статического давления от полостей внутри сужающего устройства к дифференциальному манометру-расходомеру; 8 детали крепления и уплотнения сужающего устройства в вырезах стенки материалпоровода (гайка, фигурная шайба, прокладка) - простейший вариант крепления.

Способ реализован следующим образом:
цилиндрическое сужающее устройство было развернуто приемными прорезями так, чтобы боковые из них совпали с поперечным сечением трубы, в котором находилась ось сужающего устройства, а третья задняя (кормовая) расположилась в плоскости оси трубопровода рабочего участка, в открытой зоне потока за сужающим устройством;
скорость потока на рабочем участке стенда изменялась от 0,5 м/с до 2,5 м/с, что соответствовало расходу Q от 3,6 м³/ч до 18 м³/ч. (1,0 л/с-5,0 л/с);
фактический расход измерялся высокоточным весовым методом с помощью штатного расходомерного устройства, которым оборудован экспериментальный стенд;
показания перепада давлений на сужающем устройстве снимались с дифференциального пьезометра;
расчет коэффициента a был выполнен для средней скорости потока 2 м/с, что соответствовало числу , явно недостаточному для получения a = const. Оказалось, что в этом случае α = 0,82;
сравнение расходов, определенных точным способом и с помощью цилиндрического сужающего устройства при α = 0,82 дали в диапазоне расходов от 0,003 м³/с до 0,005 м³/с (диапазон средних скоростей от 1,5 до 2,5 м/с) ошибку около ±2% что можно считать приемлемой для целого ряда технологических процессов, нуждающихся в простом методе контроля расхода.

Точность измерения расхода с помощью предлагаемого способа и устройства может быть существенно повышена при увеличении отношения d/D (уменьшении m) и росте числа Re.

Испытания подтвердили принципиальную возможность и удобство реализации предлагаемого способа и устройства, приемлемость для ряда технологических процессов испытанной конструкции цилиндрического сужающего устройства (d/D - 0,36; m 0,54) и целесообразность некоторого увеличения соотношения d/D (уменьшения m) для случаев, когда точность замеров должна быть повышена.

Использование: в напорных материалопроводах для измерения расхода транспортируемого вещества. Сущность изобретения: измеряют осредненные статические давления на сужающем устройстве, размещенном в материалопроводе перпендикулярно его оси, в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, причем, одно мерное сечение совпадает с плоскостью, касательной к сужающему устройству со стороны, противоположной направлению потока, измеряют разность измеренных давлений, по которой определяют расход. Устройство содержит: цилиндрическое сужающее устройство 1, установленное в материалопроводе 2, полости 3, прорези 4, заглушку 5, штуцер 6, импульсные трубки 7, детали крепления 8. 2 с.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ измерения расхода транспортируемого вещества, включающий искусственное сужение потока вещества путем размещения в материалопроводе перпендикулярно его оси цилиндрического тела, замер перепада осредненных статических давлений в двух мерных сечениях материалопровода и определение расхода расчетным путем, отличающийся тем, что замер осредненных статических давлений производят на самом сужающем устройстве в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, причем одно мерное сечение совпадает с плоскостью наибольшего перекрытия проходного сечения материалопровода сужающим устройством, а другое мерное сечение совпадает с плоскостью, касательной к сужающему устройству со стороны, противоположной направлению потока. 2. Расходомер транспортируемого вещества, содержащий цилиндрическое сужающее устройство, установленное поперек потока в плоскости проходного сечения материалопровода перпендикулярно его оси, приемники статического давления, импульсные трубки и дифференциальный манометр, отличающийся тем, что приемники статического давления выполнены в виде трех прорезей, выполненных в цилиндрическом сужающем устройстве по его образующей в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, проходящих через его ось, и сообщающих полость материалопровода с двумя внутренними полостями, образованными в цилиндрическом сужающем устройстве и связанными одними концами с импульсными трубками, причем две прорези выполнены в плоскости сечения сужающего устройства, нормального к оси материалопровода, и сообщены с одной из внутренних полостей, а третья прорезь, сообщенная с второй внутренней полостью, выполнена в плоскости, проходящей через продольную ось материалопровода со стороны, противоположной направлению потока, при этом высота прорезей равна внутреннему размеру материалопровода в месте установки сужающего устройства, вторые концы внутренних полостей заглушены, а торцы цилиндрического сужающего устройства выступают за пределы материалопровода.