УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ПОТОКА Российский патент 1998 года по МПК G01P5/16 G01F1/34 

Изобретение относится к измерению скорости потока различных сред 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, а также в авиации для измерения скорости полета летательных аппаратов.

Известны устройства [1] и [2] как скоростные счетчики для жидкостей, работающие по принципу измерения средней скорости потока, пропорциональной скорости вращения винтовой вертушки, расположенной по оси потока.

Недостатком этих устройств является наличие утечки жидкости через зазоры между лопастями вертушки и корпусом прибора и трения в опорах подвижной системы, а также необходимость расположения вертушки в потоке, занимая все сечение, что при больших диаметрах трубопровода энергетически невыгодно из-за больших габаритов, массы.

Наиболее близким устройством к предлагаемому является известное устройство, приведенное в [3]. В этом устройстве измеряется скорость потока способом силовой компенсации, при котором динамическое давление потока компенсируется статическим противодавлением, создаваемым центробежным насосом, который приводится в движение электродвигателем. Нуль-органом является термоанемометр, усиленный сигнал которого управляет скоростью вращения двигателя, обороты последнего пропорциональны скорости измеряемого потока и являются выходным сигналом.

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 устройства 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 по [3]. Для уменьшения влияния указанных параметров требуется значительное усложнение схемы измерения.

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

4. Так как работа известного устройства основана на принципе силовой компенсации, то при этом присутствует явление сжатия газа и 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 средствами 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.

Изобретательский замысел устройства направления при достижении задачи на уменьшение противодавления в измерительном канале и погрешности измерения, упрощения конструкции, когда предлагаемое устройство измерения не может быть осуществлено ни в одном из известных устройств.

Необходимый результат может быть достигнут при реализации нового, существенно отличающегося от известных устройства, предложенного авторами.

Задачей предлагаемого изобретения является уменьшение погрешности и расширение диапазона измерений.

Поставленная задача в предлагаемом 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 выполнен в виде струйного генератора, сопло питания которого соединено с приемником напора и одним концом измерительного канала, камера слива генератора соединена 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 одинаковой с измеряемой, уменьшить загрузку измерительного сечения средством измерения, уменьшить влияние поперечного градиента скорости при торможении потока. Благодаря совокупности отличительных признаков у предлагаемого устройства появляются новые свойства: возможность работы с любым объемным типом нагнетателя, 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 предлагаемое техническое решение.

Сущность предлагаемого устройства заключается в следующем. В традиционной постановке задачи [3] измерить скорость потока устройством, использующим способ силовой компенсации, без противодавления невозможно. В случае измерения скорости потока устройством [2] 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 достигается при помощи таких технических решений, когда возможно отказаться от силовой компенсации динамического давления в измерительном канале. Для этого из потока с помощью приемника напора отбирается контрольная струйка среды, далее измеряется ее скорость при перепаде давления, равном конечному, заранее заданному значению. При этом измерительный канал становится каналом с малым активным сопротивлением, скорости на входе в канал и на выходе из него равны между собой и равны скорости потока. Энергию, отобранную из общего потока для действий с контрольной струйкой, компенсируют за счет другого источника энергии. Все измерения проводятся в равновесном состоянии. Далее контрольную струйку возвращают в поток.

Физически обеспечить режим существования контрольной струйки, которой присущи все свойства измеряемого потока, можно с помощью введения дифференциальной напорной трубки, соединенной своими входами с измерительным каналом, в котором расположен нагнетатель и параллельно ему подключен нуль-орган, например, датчик скорости. При этом измеряемый основной поток и течение через измерительный канал, проточный датчик скорости и дифференциальную напорную трубку образуют единое сечение потока.

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

Пренебрегая сопротивлениями участков измерительного канала до и после нагнетателя ввиду их малости, и имея такие обороты нагнетателя, когда им созданный перепад давления будет равен заранее заданному и постоянному значению, можно записать, что плотности измеряемого потока и контрольной струйки, проходящей через нагнетатель, равны между собой p = p_и, так как отсутствует противодавление в измерительном канале.

Далее 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 уравнение Менделеева-Клапейрона необходимо вводить в рассмотрение, так как прибор построен по способу силовой компенсации - уравновешивание динамического давления статическим противодавлением, которое развивается нагнетателем. В этом процессе возможны явления сжатия и изменения температуры, при которых изменяется плотность среды при течении ее в измерительном канале.

При выводе зависимости свяжем обороты нагнетателя и скорость измеряемого потока. Из условия постоянства расхода через все устройство измерения скорости потока имеем Q = Q_и + Q_г, где Q_и и Q_г - расходы по измерительному каналу и каналу датчика скорости. В то же время расход через измерительный канал равен Q_и = k_нn, где k_н - постоянный коэффициент и n - частота вращения (обороты) нагнетателя, Q = V • E_вх; Q_г = V_гF_г = const по условиям работы устройства, где V и V_г - скорости измеряемого потока и потока через датчик скорости; F_вх и F_г - площади проходного сечения на входе в дифференциальную трубку и датчика скорости (струйного генератора). Подставляя в уравнение расходов, имеем n = V(1/k_н - V_гF_г/VF_вх), член V_г/V ⇄ 0 при увеличении V, следовательно можно считать, что с ростом V точность измерения скорости потока увеличивается.

Таким образом, в предлагаемом устройства скорость вращения нагнетателя и скорость измеряемого потока будут связаны следующим соотношением: n ≅ V/k_н.

Статическая характеристика n = V/k_н показывает, что скорость вращения нагнетателя зависит только от скорости измеряемого потока и не зависит от его плотности. Погрешность измерения скорости потока предлагаемым устройством слагается из погрешности измерения скорости известным устройством [2], 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 предлагаемое устройство, за счет работы нагнетателя на проток:
1. Погрешность измерения уменьшится, так как неучтенные проточки через нагнетатель практически отсутствуют.

2. Расширение диапазона измеряемой скорости за счет возможности применения нагнетателя другого принципа работы (не центробежного), позволяющего иметь обороты, например, для винтового нагнетателя до 30 тысяч оборотов в минуту.

3. Влияние вязкости измеряемого потока на протечки отсутствуют и следовательно возможно расширение диапазона измерения по вязкости и температуре.

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 предлагаемое устройство, 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 напорной трубке существует контрольная струйка, у которой скорость равна скорости потока и торможение потока отсутствует (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 давлений 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 предлагаемого устройства состоит в следующем: имея диапазон скоростей потока и внутреннее сечение приемника напора дифференциальной трубки, подбирают по каталогу нагнетатель (насос) любого объемного типа, например, шестеренчатый или винтовой с двигателем, удовлетворяющим по мощности максимальной величине P_дQ_и. По минимальным величинам P_д и Q_и подбирают по каталогу нуль-орган - струйный генератор с электрическим выходом. После этого формируют контур регулятора с усилителем и вычислителем.

Предложение поясняется чертежом, где приведена функциональная схема устройства измерения скорости потока с нуль-органом проточного типа.

В основной измеряемый поток 1 введена дифференциальная трубка 2, имеющая приемник напора 3 и вход 4 для проточного нуль-органа в виде датчика скорости течения с электрическим выходом, в качестве которого может быть применен, например, струйный генератор из одного или нескольких струйных элементов. Вход 4 может быть сформирован в виде отверстия приемника статического давления в стенке 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 скорости течения с электропреобразователем 10, например, типа ДМИ, который позволяет измерить при соответствующих оборотах нагнетателя 9 скорость течения, равной некоторой постоянной величине.

При включении нуль-органа 7 - датчика скорости течения - необходимо выполнять условие в виде равенства перепада давления некоторой постоянной величине независимо от изменения скорости потока 1. Проточным нуль-органом 7 может служить струйный генератор, например, бистабильный струйный элемент Т-1 ([2] с. 519 или [4] с.10).

С нагнетателем 9 механически связан электродвигатель 11, который электрически связан через усилитель 12 с электрообразователем 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 соплу питания датчика 5 скорости течения. Статическое давление потока 1 передается через отверстие 4 в измерительный канал 8 к нагнетателю 9 и к сливной камере датчика 5 скорости течения, который настроен на значение входного сигнала, равного некоторому постоянному значению скорости течения при перепаде давления на измерительном канале 8. При этом необходимо знать путем тарировки величину протечек при постоянном выбранном перепаде давления в зависимости от скорости вращения нагнетателя, чтобы их прибавляли при расчете. При наличии величины перепада давления на датчике 5, отличной от настроенной, датчик 5 посылает электрический сигнал от электропреобразователя 10 через усилитель 12 на электродвигатель 11, который развивает скорость вращения нагнетателя 9, удовлетворяющую условию настройки датчика 5. При этом измерительный канал 8 будет иметь сопротивление, равное некоторому расчетному для учета протечек.

В качестве проточного датчика 5 скорости течения используется один или несколько струйных бистабильных элементов, объединенных в схему генератора. Замкнутый контур регулирования состоит из струйного генератора 5 с электропреобразователем 10, усилителя 12, электродвигателя 11 и нагнетателя 9. В этой схеме регулятором поддерживается постоянная скорость определенной величины, необходимая для функционирования струйного генератора, частота импульсов которого пропорциональна скорости течения, проходящего через генератор.

При изменении давления на струйном генераторе 5 изменяется частота следования электрических импульсов, вырабатываемых электропреобразователем 10. Пройдя через усилитель 12, входной сигнал отрабатывается электродвигателем и нагнетателем с тем, чтобы восстановить скорость течения и перепад давления на генераторе 5, который соответствует заданной частоте электроимпульсов. Новое значение скорости вращения нагнетателя 9 и электродавигателя 11 фиксируется в вычислителе-измерителе 13, которое будет соответствовать измеренной скорости потока 1. Проток среды осуществляется через измерительный канал 8 и нагнетатель 9, датчик 5 скорости течения, 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 трубки.

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 летательных аппаратов. Сущность изобретения: в устройстве измерения скорости потока, которое содержит двигатель нагнетатель в измерительном канале и нуль-орган, нуль-орган в виде струйного генератора, выполняющего роль датчика скорости течения, соединен параллельно измерительному каналу с нагнетателем и дифференциальной трубкой с приемником напора и ее входом. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. 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, отличающееся тем, что нуль-орган выполнен в виде струйного генератора, сопло питания которого соединено с приемником напора и одним концом измерительного канала, камера слива струйного генератора соединена с входом дифференциальной трубки и другим концом измерительного канала, а приемник напора и выход дифференциальной трубки расположены на одной продольной оси. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что нагнетатель имеет сечение протока меньше сечения измерительного канала.