СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ПОТОКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК G01P5/16 G01F1/34 

Изобретение относится к измерению скорости потока как в трубопроводах, так и в открытых руслах и свободной атмосфере.

Изобретение можно использовать в технологических процессах с измерением скорости потока и объемного расхода различных жидких и газовых сред, например, в энергетике, химической и газовой промышленности.

Известен способ измерения объемного расхода и устройство, реализующее этот способ [3], включающий управление насосом с помощью двигателя, измерение перепада давления до и после насоса в контролируемой трубе, уменьшение перепада давления до нуля с помощью насоса и определение искомого расхода по его оборотам.

Недостатком этого способа является измерение не скорости, а расхода, из которого далее необходимо вычислять скорость потока, а также необходимость расположения насоса в потоке, занимая все сечение, при больших расходах и больших диаметрах трубопровода требуется насос большой мощности. Это приводит к повышенному расходу энергии, большой массе и габаритам регулируемого объемного насоса.

Наиболее близким к предлагаемому способом и устройством для его осуществления является известный способ и устройство [4]. В этом устройстве измеряется скорость потока силовым компенсационным способом, при котором динамическое давление потока компенсируется противодавлением, создаваемым центробежным насосом, который приводится в движение электродвигателем. Нуль-органом, определяющим отсутствие течения, является термоанемометр, усиленный сигнал которого управляет скоростью вращения двигателя, по которой судят о скорости измеряемого потока.

Устройство-прототип содержит измерительный канал, в котором расположен нагнетатель (центробежный насос) и датчик наличия потока (термоанемометр). Измерительный канал соединен с дифференциальной напорной трубкой.

Недостатками этого способа являются следующие:
1. Необходимость создания противодавления. Кроме того, противодавление должно создаваться только насосом подобно центробежному по принципу действия.

2. Пропорциональность характеристики выдержать сложно из-за требований равенства статических давлений в измеряемом потоке и на входе в насос, а также необходимо выдерживать равенство температур измеряемого потока и потока на входе в насос, что вообще трудно выполнимо (В.А. Ференец. Полупроводниковые струйные анемометры. М. : Энергия, 1972. с.98). Для уменьшения влияния указанных параметров требуется значительное усложнение схемы измерения.

3. Зависимость показаний прибора от плотности потока при измерении температуры среды.

4. Так как известный способ основан на принципе силовой компенсации, то при этом присутствует явление сжатия газа, при котором изменяется плотность, вносится дополнительная погрешность и сужается диапазон скоростей для газа (ГОСТ 8.361-79, п. 1.3).

5. Увеличение погрешности измерения от загрузки измерительного сечения средством измерения (ГОСТ 8.439-81, п. 6.2).

6. За счет поперечного градиента скорости при торможении потока возникает дополнительная погрешность за счет увеличения скорости по оси трубки напора (ГОСТ 8.439-81, п. 6.2).

7. Возможные выделения абсорбированного газа из жидкости при прохождении через нагнетатель, а также расширение газа после сжатия, что увеличит погрешность при двухфазных средах.

8. Дополнительные конструктивные усложнения, так как возникает необходимость герметизировать противодавление, которое может быть значительным при больших скоростях жидкости.

Единый изобретательский замысел, объединяющий предлагаемые способ измерения скорости потока и устройство, реализующее этот способ, направлен при решении задачи на уменьшение противодавления в измерительном канале и погрешности измерения, упрощения конструкции, когда предлагаемый способ измерения не может быть осуществлен ни в одном из известных устройств.

Необходимый результат может быть достигнут при реализации нового способа в новом, существенно отличающемся от известных устройстве, предложенном авторами.

У группы предлагаемых изобретений одна цель и на ее достижение направлен единый изобретательский замысел.

Целью группы предлагаемых изобретений является уменьшение погрешности и расширение диапазона измерений.

Поставленная цель в предлагаемом способе измерения скорости потока, включающем управление скоростью течения контрольной струйки, отводимой параллельно потоку, и измерение скорости контрольной струйки, достигается тем, что выделяют из потока струйку, проводят струйку через измерительный канал, измеряют ее скорость течения при нулевом перепаде давления между выводом струйки из потока и вводом ее обратно в поток и по скорости контрольной струйки судят о скорости потока.

Поставленная цель в реализующем предлагаемый способ устройстве достигается новым конструктивным и схемным выполнением измерительного элемента.

В предлагаемом устройстве-измерителе скорости потока, содержащем измерительный канал с расположенным в нем нагнетателем, механически связанным с двигателем, соединенный с приемником напора и входом дифференциальной трубки нуль-орган, выход которого соединен с управляющим входом двигателя, цель достигается тем, что нуль-орган первым входом связан с приемником напора и одним концом измерительного канала, вторым входом - с входом дифференциальной трубки и другим концом измерительного канала.

В предлагаемом техническом решении приемник полного давления и вход статического давления у традиционной дифференциальной трубки служат средством соответственно вывода из потока и обратного ввода в поток контрольной струйки.

Существенные отличительные признаки позволяют для достижения цели устранить противодавление в измерительном канале, обеспечить скорость течения в измерительном канале, одинаковую с измеряемой, уменьшить загрузку измерительного сечения средством измерения, уменьшить влияние поперечного градиента скорости при торможении потока. Благодаря совокупности отличительных признаков у предлагаемого способа и устройства появляются новые свойства: возможность работы с любым объемным типом нагнетателя без ограничения, возможность измерения скоростей потока с повышенной точностью в геометрическом сечении любого профиля, расширение диапазона измеряемых скоростей.

Перечисленные свойства обуславливают положительный эффект, сформулированный в цели предложения. Авторам неизвестны технические решения, содержащие такую же совокупность отличительных признаков и проявляющие при этом те же свойства, что и предлагаемые технические решения.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем. В традиционной постановке задачи измерить скорость потока способом силовой компенсации без противодавления невозможно. В случае измерения скорости потока косвенным способом путем измерения расхода и далее вычисления из него скорости также невозможно из-за большой загрузки сечения измерительным элементом и большой затраты мощности при измерении в трубопроводах большого диаметра, а в прямоугольных сечениях и в открытых руслах и потоках ее измерить невозможно.

Эта задача решается при создании таких условий, когда возможно отказаться от способа силовой компенсации и от противодавления в измерительном канале. Для создания таких условий предлагается организовать измерительный участок, на котором выделяется из потока контрольная струйка среды и далее измеряется ее скорость при перепаде давления, равном нулю. При этом измерительный участок становится каналом, как бы не имеющим активного сопротивления, скорости на входе в канал и на выходе из него равны между собой и равны скорости потока в месте измерения, с помощью которого из общего потока извлекается контрольная струйка среды, далее с ней производят манипулирование с целью измерения ее параметров течения (скорости течения и перепада давления) и обратно возвращают в общий поток. Энергию, отобранную из общего потока для действия с контрольной струйкой, компенсируют за счет другого источника энергии. Все измерения проводятся в равновесном состоянии.

Физически обеспечить режим существования контрольной струйки, которой присущи все свойства измеряемого потока, можно путем введения в поток дифференциальной напорной трубки, соединенной своими приемником и входом с измерительным каналом, в котором расположен нагнетатель и параллельно ему подключен нуль-орган, например датчик перепада давления. При этом измеряемый основной поток и контрольная струйка через приемник напора, измерительный канал и далее вход дифференциальной трубки образуют единое сечение потока.

Течение в измерительном канале создается за счет динамического напора измеряемого потока и перепада давления, создаваемого нагнетателем объемного типа.

Из уравнения Бернулли динамическое давление измеряемого потока равно P = ρV²/2 . Давление нагнетателя равно P_н= kρ_иn², где ρ , V - плотность и скорость измеряемого потока, ρ_и , n - плотность на выходе нагнетателя и его скорость вращения, к - постоянный коэффициент.

Давление, измеряемое датчиком перепада, будет равно ΔP = P_ди-kρ_иn², где P_ди= ρV2и

Пренебрегая сопротивлениями участков измерительного канала до и после нагнетателя ввиду их малости и имея такие обороты нагнетателя, когда перепад давления будет равен нулю, можно записать ΔP = 0, плотности ρ = ρ_и, так как отсутствует противодавление в измерительном канале.

Например, при измерении газовых потоков в предлагаемом приборе нет необходимости учитывать уравнение Менделеева-Клапейрона, связывающее плотность потока, его температуру и давление, так как нагнетатель работает на проток, помогая потоку пройти через измерительный канал с минимальными потерями, как бы расширяет его сечение и уменьшает его сопротивление. Однако при выводе зависимости для прибора-прототипа, реализующего способ-прототип [2], уравнение Менделеева-Клапейрона необходимо вводить в рассмотрение, так как прибор построен по способу силовой компенсации-уравновешиванию динамического давления статическим давлением, которое развивается нагнетателем. В этом процессе возможно явление сжатия и изменение температуры, при которых изменяется плотность среды при течении ее в измерительном канале.

Таким образом, в предлагаемом способе скорость вращения нагнетателя и скорость измеряемого потока будут связаны следующим соотношением:
P_ди-kρ•n² = 0, n=k₂V,
где
Статическая характеристика n=k₂V показывает, что скорость вращения нагнетателя зависит только от скорости измеряемого потока и не зависит от его плотности. Отношение V_и/V=1 будет определяться точностью регулятора, поддерживающего обороты нагнетателя, при которых перепад давления на нем будет равен нулю. Погрешность измерения скорости потока предлагаемым способом слагается из погрешности косвенного способа измерения скорости, основанного на расходе через измерительную линию, а не на отсутствии расхода через нее, и погрешности измерения скорости с помощью проточной дифференциальной трубки.

Преимущества, которые приобретаются, применяя предлагаемый способ, за счет работы нагнетателя на проток:
1. Погрешность измерения уменьшится, так как неучтенные протечки через нагнетатель практически отсутствуют.

2. Расширение диапазона измеряемой скорости за счет применения нагнетателя другого принципа работы (не центробежного), позволяющего иметь обороты, например, для винтового нагнетателя до 30 тыс. об./мин.

3. Влияние вязкости измеряемого потока на протечки отсутствуют и, следовательно, возможно расширение диапазона измерения скорости при влиянии вязкости и температуры.

4. Отсутствие расширения газа, а также выделения абсорбированного газа из жидкости при прохождении через нагнетатель, что уменьшает погрешность измерения, в том числе и для двухфазных сред.

5. Снижение веса и габаритов.

Преимущества, которые приобретаются, применяя предлагаемый способ, за счет работы приемника напора и дифференциальной трубки на проток:
1. Отсутствие сжимаемости газа при измерении давления при торможении потока. Отсюда расширение диапазона скоростей для газа. По ГОСТ 8.361-79, п. 1.3 скорость течения ограничена числом M менее 0,25.

2. Снижена погрешность от загрузки измерительного сечения средством измерения, так как контрольная струйка, проходящая через приемник напора, имеет скорость потока и не участвует в загрузке сечения (ГОСТ 8.439-81, с. 29).

3. Снижена погрешность поперечного градиента скорости при торможении потока за счет того, что в приемнике напора существует контрольная струйка, у которой скорость равна скорости потока и торможение потока отсутствует (см. эффект коррекции на поперечный градиент скорости в ГОСТ 8.439-81, п. 6.2).

4. Погрешности потери напора при наличии расстояния между отверстиями полного и статического давления уменьшены за счет расположения указанных приемников в одном измерительном сечении.

5. Заниженные от поперечных и завышенные показания трубки от продольных пульсаций скорости при высоком уровне турбулентности потока можно снизить с помощью постоянной времени и фильтра регулятора (ГОСТ 8.439-81, с.4, 40, 47).

6. За счет измерения параметров течения контрольной струйки можно расширить диапазон скоростей, понизив нижний предел для чисел Re<200 (ГОСТ 8.439-81, с.3).

7. Снижаются требования к числу калибров прямого участка до и после измерительного устройства за счет периодического осреднения потока в вычислителе и можно обойтись без дополнительных средств успокоения потока при уровне турбулентности потока выше допустимого (ГОСТ 8.439-81, с.29, 40).

Инженерная методика расчета реализуемых на основе предлагаемого способа устройств состоит в следующей последовательности действий: имея диапазон скоростей потока и внутреннее сечение приемника напора дифференциальной трубки напора, подбирают по каталогу нагнетатель (насос) любого объемного типа, например, шестеренчатый или винтовой с двигателем, удовлетворяющим по мощности максимальной величине P_дΩ_и. По величине P_д и Ω_и подбирают по каталогу нуль-орган: дифференциальный манометр с электрическим выходом. После этого формируют контур регулятора с усилителем и вычислителем, имеющим погрешности, например, менее 0,1%.

На чертеже приведена функциональная схема устройства измерения скорости потока с нуль-органом непроточного типа.

В основной измеряемый поток 1 введена дифференциальная напорная трубка 2, имеющая приемник напора 3 и вход 4 для непроточного нуль-органа (датчика 5 перепада давления). Вход 4 может быть сформирован в виде отверстия приемника статического давления в стенке трубопровода D измерительного сечения 14. Выход 6 может быть сформирован в виде входа дифференциальной трубки, повернутой по потоку 1. Дифференциальная трубка 2 соединена с измерительным каналом 8, в котором расположен нагнетатель 9, например шестеренный насос, с включенным параллельно ему датчиком 5 перепада давления с электропреобразователем 10, например, типа Сапфир, который позволяет измерить при соответствующих оборотах нагнетателя 9 перепад давления, равный нулю.

С нагнетателем 9 механически связан электродвигатель 11, который электрически связан через усилитель 12 с электропреобразователем 10 и одновременно с вычислителем-измерителем 13 скорости вращения электродвигателя 11.

Устройство работает следующим образом.

При наличии потока 1 в приемнике 3 напора дифференциальной трубки 2 создается давление динамического напора, которое передается к входу нагнетателя 9 в измерительный канал 8 и к одному из входов датчика 5 перепада давления. Статическое давление потока 1 передается через отверстие 4 в измерительный канал 8 к нагнетателю 9 и к другому входу датчика 5 перепада давления, который настроен на значение входного сигнала, равного нулю. При наличии величины перепада давления на датчике 5, отличной от настроенной, датчик 5 посылает электрический сигнал от электропреобразователя 10 перепада давления через усилитель 12 на электродвигатель 11, который развивает скорость вращения нагнетателя 9, удовлетворяющую условию настройки датчика 5 перепада давления. При этом измерительный канал 8 будет иметь сопротивление, равное нулю.

В этом случае скорость в измерительном канале 8 сравняется со скоростью основного потока 1. Скорость вращения двигателя 11, зафиксированная в вычислителе-измерителе 13, будет соответствовать скорости потока 1.

Проток среды осуществляется через измерительный канал 8 и нагнетатель 9, приемник 3 напора и выход 6 дифференциальной напорной трубки 2. Расположенные на одной продольной оси приемник 3 напора и выход 6 формируют контрольную струйку, имеющую скорость, одинаковую со скоростью измеряемого потока 1 и образующую единый поток благодаря проточной дифференциальной трубке.

Для увеличения чувствительности по оборотам нагнетателя 9 его геометрическое проточное сечение выполняется меньшим по величине сечения измерительного канала 8.

Использование: в технологических процессах с измерением скорости потока и объемного расхода различных жидких и газовых сред в энергетике, химической и газовой промышленности, а также в авиации для измерения скорости полета летательного аппарата. Сущность изобретения: для получения информации о скорости в широком диапазоне с одинаковой точностью предлагается способ измерения и устройство для его осуществления, в котором управляют скоростью течения контрольной струйки, отводимой параллельно потоку, и осуществляют измерение ее скорости при нулевом перепаде давления между выводом этой струйки из потока и вводом ее обратно в поток, по которой судят о скорости потока. Устройство содержит измерительный канал, соединенный с дифференциальной напорной трубкой, и нагреватель, механически связанный с двигателем, нуль-орган выполнен в виде датчика перепада давления, параллельно включенного нагнетателю. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ измерения скорости потока, включающий управление скоростью течения контрольной струйки, отводимой параллельно потоку, и измерению скорости контрольной струйки, отличающийся тем, что измерение скорости контрольной струйки осуществляют при нулевом перепаде давления между выводом этой струйки из потока и вводом ее обратно в поток и по скорости течения контрольной струйки судят о скорости потока. 2. Устройство измерения скорости потока, содержащее измерительный канал с расположенным в нем нагнетателем, механически связанным с двигателем, соединенный с приемником напора и входом дифференциальной трубки, нуль-орган, выход которого соединен с управляющим входом двигателя, первый вход нуль-органа связан с приемником напора и одним концом измерительного канала, отличающееся тем, что приемник напора и выход дифференциальной трубки расположены на одной продольной оси, второй вход нуль-орган связан с входом дифференциальной трубки и другим концом измерительного канала. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что нагнетатель имеет сечение протока меньше сечения измерительного канала.