ВИХРЕВОЙ РАСХОДОМЕР Российский патент 1997 года по МПК G01F1/32 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения расхода газообразных и жидких сред.

Известен расходомер с генератором вихрей Кармана, содержащий стержневой вихревой генератор, установленный в измерительной магистрали, обеспечивающей поочередную генерацию вихрей Кармана на противоположных его сторонах. Снаружи магистрали установлен вихревой датчик с вибратором, колебания которого вызываются давлением указанных вихрей [1]
Недостатком известного устройства является то, что за счет наличия трубного профиля скорости набегающего потока периодическому образованию вихрей на поверхности генератора вихрей мешают трехмерные эффекты, это приводит к уменьшению диапазона измерения расхода, понижению точности измерения. Кроме того, это приводит к недостаточно низкому порогу чувствительности устройства.

Наиболее близким аналогом изобретения является вихревой расходомер, содержащий генератор вихрей с кормовой точкой, установленный в измерительном участке трубопровода с диаметром проходного сечения d_у, вмонтированном в основной трубопровод, причем поперечный размер генератора вихрей составляет 0,14-0,35 d_у, а также датчик вихрей [2]
Недостатком известного устройства является то, что за счет наличия трубного профиля скорости набегающего потока регулярность образования вихрей на поверхности генератора нарушают трехмерные эффекты, что приводит к уменьшению диапазона измерения расхода, понижению точности измерения, особенно вблизи него предела чувствительности.

Кроме того, нижний предел чувствительности устройства определяется границей устойчивого вихреобразования при обтекании генератора вихрей. Часто задачи измерения расхода в технике связаны с более низкими значениями, что делает невозможным их решение без перехода на другую техническую базу.

Техническим результатом от использования изобретения является расширение диапазона измерения за счет снижения нижнего предела измерения расхода при сохранении верхнего предела измерения расхода, а также повышение точности измерения расхода за счет воздействия на профиль скорости набегающего потока.

Это достигается тем, что диаметр проходного сечения измерительного участка трубопровода d_у выполнен меньше диаметра проходного сечения основного трубопровода D_y и переход от большего диаметра D_y к меньшему d_у с обеих сторон выполнен безотрывно, а расстояние от кормовой точки генератора вихрей Кармана до конца измерительного участка трубопровода составляет не менее одного поперечного размера генератора вихрей Кармана.

При этом условный диаметр проходного сечения участка трубопровода выполнен равным
d_у=(0,01-0,98)D_у,
где D_у диаметр проходного сечения основного трубопровода;
d_у диаметр проходного сечения измерительного участка трубопровода.

Выполнение участка трубопровода с условным диаметром проходного сечения d_у меньшим, чем условный диаметр проходного сечения основного трубопровода D_у, позволяет увеличить местную среднерасходную скорость потока, обтекающего генератор вихрей Кармана, что делает генерацию вихрей Кармана более устойчивой при малом расходе.

Кроме того, при переходе от большего условного диаметра проходного сечения D_у к меньшему d_y происходит деформация профиля скорости набегающего потока от трубного к более наполненному, что позволяет существенно снизить дестабилизирующее влияние трехмерных эффектов на периодичность вихреобразования.

При этом переход от большего условного диаметра проходного сечения D_у к меньшему d_у сопровождается ускорением газового потока вблизи стенок участка трубопровода, что приводит к уменьшению мощности концевых эффектов, а следовательно, более устойчивому вихреобразованию.

На фиг.1 представлен пример конкретного исполнения вихревого расходомера; на фиг.2 графики трубного и деформированного профилей скорости набегающего потока.

Вихревой расходомер содержит измерительный участок трубопровода 1, вмонтированный в основной трубопровод 2 с общим условным диаметром D_у проходного сечения. Внутри основного трубопровода 2 установлен генератор вихрей Кармана 3 с кормовой точкой 4. Устройство содержит датчик 5 пульсаций вихрей, установленный, например, в кормовой точке 4, где прямо или косвенно он может преобразовать газодинамические пульсации вихревой дорожки Кармана в полезный сигнал.

Условный диаметр d_у проходного сечения измерительного участка трубопровода 1 выполнен меньшим, чем условный диаметр D_у проходного сечения основного трубопровода, и переход от большего диаметра D_у к меньшему d_у выполнен с обеих сторон безотрывным, например, по форме "четверть круга".

Поперечный размер L генератора вихрей 3 составляет 0,14-0,35 условного диаметра d_у проходного сечения измерительного участка трубопровода. Расстояние A от кормовой точки 4 генератора вихрей Кармана 3 до конца 6 измерительного участка трубопровода 1 выполнен равным не менее одного поперечного размера L генератора вихрей Кармана 3 (не менее 0,14-0,35 d_у). Условный диаметр d_y проходного сечения измерительного участка трубопровода 1 выполнен равным d_у= (0,01-0,98)D_у - условного диаметра проходного сечения основного трубопровода, что является наиболее оптимальным с точки зрения возникновения и устойчивой генерации вихрей Кармана.

Теоретически известно, что локальное возмущение потока будет оказывать воздействие на периодичность генерации вихрей в случае, если оно расположено не ближе одного поперечного размера генератора вихрей.

Устройство работает следующим образом.

Поток измеряемой жидкости движется по основному трубопроводу 2 с условным диаметром проходного сечения D_y.

Далее поток измеряемой среды втекает в измерительный участок трубопровода 1 с меньшим условным диаметром проходного сечения d_у, причем переход с большего диаметра D_у на меньший диаметр выполнен так, чтобы при переходе в потоке не образовывались отрывные течения, т.е. безотрывным образом.

При обтекании генератора вихрей Кармана 3 набегающий поток из-за наличия вязкостных сил турбулизируется на поверхности генератора 3 и под воздействием обратного градиента давления отрывается, сворачиваясь в локальную вихревую структуру.

Под воздействием образовавшегося вихря на противоположной от вихря стороне генератора 3 происходит еще один отрыв потока, который в свою очередь вызывает отрыв на противоположной стороне генератора 3. Срываясь поочередно с каждой стороны, вихри образуют двойную цепочку Кармана позади генератора вихрей 3.

Частота следования пульсаций этих вихрей фиксируется датчиком 5 пульсаций вихрей и является информационным параметром о расходе протекающей среды.

Не ближе, чем на расстоянии A одного поперечного размера генератора вихрей 3, условный диаметр проходного сечения участка трубопровода 1 d_у также безотрывно переходит в условный диаметр проходного сечения D_у основного трубопровода 2 и измеряемая среда продолжает движение вниз по потоку от участка трубопровода 1 в основном трубопроводе 2.

Известно, что устойчивое вихреобразование на поверхности генератора вихрей возможно только при определенном соотношении поперечного размера генератора вихрей 3 и условного диаметра d_у проходного сечения сформированного участка трубопровода. Это соотношение в известных устройствах лежит в пределах K=0,14-0,35.

В предлагаемом устройстве условный диаметр проходного сечения измерительного участка трубопровода d_у выполнен меньшим, чем условный диаметр проходного сечения основного трубопровода D_у, поэтому набегающий поток, обтекающий генератор вихрей 3, имеет среднерасходную скорость, большую, чем среднерасходная скорость в основном трубопроводе 2 в соотношении (D_у/d_у)², а профиль скорости набегающего потока в основном трубопроводе (поз.1 фиг.2) деформируется в профиль скорости измеряемого потока (поз.2 фиг.2).

Это позволяет понизить нижний предел измерения расхода в основном трубопроводе, так как вихревой расходомер относится к расходомерам прямого измерения скорости и имеет линейную градуировочную характеристику сигнал/скорость. При этом верхний предел измерения расхода остается неизменным, так как при переходе с большего условного диаметра проходного сечения на меньший происходит преобразование профиля скорости набегающего потока из трубного в более наполненный, и в измерительном участке трубопровода происходит уменьшение толщины пограничного слоя, что приводит к уменьшению дестабилизирующего влияния трехмерных и концевых эффектов на регулярность вихреобразования, а следовательно, к уменьшению предела основной относительной погрешности расходомера во всем диапазоне измерения расхода.

Места перехода от условного диаметра D_у (проходного сечения) основного трубопровода 2 к сформированному меньшему условному диаметру проходного сечения участка трубопровода 1 и обратно выполнены безотрывными, чтобы избежать взаимодействия регулярных вихревых структур с местными локальными вихрями и ухудшения характеристик расходомера.

Регулярные вихревые структуры, образующиеся на поверхности генератора вихрей 3, имеют размер, приблизительно равный поперечному размеру генератора вихрей L. Поэтому расстояние от кормовой точки 4 генератора вихрей 3 до конца участка со сформированным диаметром d_у должно быть не менее одного поперечного размера генератора вихрей L, в противном случае область ускорения потока при переходе с диаметра d_у на диаметр D_у нарушит регулярность вихреобразования на генераторе вихрей.

Известно, что для характеристики соотношения вязкостных и инерционных сил в газовой динамике используется модельное число Рейнольдса:

где U среднерасходная скорость набегающего потока, м/с;
l характерный размер;
v кинематическая вязкость протекающей среды.

Устойчивое вихреобразование на поверхности генератора вихрей возможно только при определенном значении числа Re, которое рассчитывают по поперечному размеру генератора вихрей.

Нижнему порогу вихреобразования соответствует значение Re_min 2000, поэтому минимальный поперечный размер генератора вихрей будет равен

а наименьший условный диаметр проходного сечения d=0,0002 D, что следует из расчетных соотношений, в которых Re=2000, U=100 м/с, K=0,35, D=1,5 м.

Исходя из соображений технологичности, в предлагаемом устройстве по п.2 минимальный диаметр d_у принимается равным 0,01 D_у. Размер максимального диаметра d_у определяется порогом чувствительности вихревого расходомера или пределом его основной погрешности.

Преимущества описанного устройства следующие:
преобразование профиля скорости набегающего потока в участке трубопровода из трубного в более наполненный и повышение среднерасходной скорости приводят к расширению диапазона измерения расхода и повышению точности его измерения;
конструктивное исполнение предлагаемого устройства в виде гильзы, вставляемой в измерительный участок трубопровода, легко позволит при серийном производстве обеспечить необходимое большое количество номенклатуры расходомеров по условным диаметрам проходного сечения при высокой степени унификации и точности;
уменьшение толщины пограничного слоя в измерительном участке трубопровода понижает влияние местных гидравлических сопротивлений, находящихся выше и ниже по потоку, от генератора вихрей на устойчивую работу вихревого расходомера;
существенно облегчается перенастройка прибора на другой диапазон измерения в случае необходимости без переделки измерительного участка и основного трубопровода.

Использование: в измерительной технике для измерения расходов газообразных и жидких сред. Сущность изобретения: устройство содержит измерительный участок трубопровода 1, вмонтированный в основной трубопровод 2, генератор вихрей кармана 3 с кормовой точкой 4, датчик 5 пульсаций вихрей. Диаметр d_у проходного сечения измерительного участка трубопровода составляет 0,01-0,98 D_у, где D_у - диаметр проходного сечения основного трубопровода. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Вихревой расходомер, содержащий генератор вихрей Кармана с кормовой точкой, установленный в измерительном участке трубопровода с диаметром проходного сечения d_y, вмонтированном в основной трубопровод, причем поперечный размер генератора вихрей Кармана составляет 0,14 0,35 d_y, а также датчик вихрей, отличающийся тем, что диаметр проходного сечения измерительного участка трубопровода d_y выполнен меньшим диаметра проходного сечения основного трубопровода D_y и переход от большого диаметра к меньшему выполнен с обеих сторон безотрывным, а расстояние от кормовой точки генератора вихрей Кармана до конца измерительного участка составляет не менее одного поперечного размера генератора вихрей. 2. Расходомер по п.1, отличающийся тем, что диаметр проходного сечения измерительного участка трубопровода d_y выполнен равным 0,01 0,98 диаметра D_y проходного сечения основного трубопровода.