СЧЕТЧИК ГАЗА - РАСХОДОМЕР Российский патент 1998 года по МПК G01F1/06 G01F1/12 

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для измерения объема (расхода) газожидкостной среды, преимущественно газа, протекающего по трубопроводам и поступающего потребителю под относительно низким давлением (от 20 мм вод. столба и выше) с расходом от 0,01 до 10 м³/час.

Представляет из себя счетчик газа и может найти широкое применение при измерении объема и расхода газа во многих отраслях народного хозяйства, особенно при измерении и учете объема расходуемого газа, потребляемого различными объектами в системе газоснабжения коммунального хозяйства, а также в быту для индивидуального потребителя.

Без такого счетчика невозможно рациональное и экономное использование газа и другого энергоносителя. Широкое применение для измерения расхода нашли так называемые тахометрические счетчики. 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.

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... 2)%, а также высокая чувствительность 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. столба (низкое, бытовое).

Применение счетчиков для индивидуальных потребителей газа в быту, выполненных по вышеописанному принципу, практически невозможно из-за малого расхода (до 1 м/ч) и давления (80...300 мм вод. столба) 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 просто не хватает.

В принципе, разработанные по такой схеме счетчики могут применяться при давлениях (80-300 мм вод. столба) и расходах до 1 м³/ч, но только при условии полной ликвидации возникающих нагрузок в подшипниковых опорах и увеличивающегося в период эксплуатации момента трения в подшипниках. Иными словами, преобразователь его (турбинка) должен вращаться в плавающем состоянии без гальванического контакта с опорой.

Так, известен счетчик (см. П.П.Кремлевский "Расходомеры и счетчики количества", Л. , Машиностроение, 1989 г., с. 290-291), принятый авторами за ближайший аналог (прототип). Счетчик включает корпус, входной и выходной патрубки, счетный механизм, опору с коническими посадочными поверхностями, а также входную, промежуточную и выходную полости.

На оси, расположенной перпендикулярно к потоку, укреплены две лопастные турбинки и два диска с конической боковой поверхностью. При появлении расхода возникает разность давлений на входе и выходе из корпуса, которая приподнимает ось с дисками, и поток, разделяясь на две ветви, вращает обе турбинки со скоростью, пропорциональной объемному расходу. Магнитные головки, укрепленные на верхнем диске, при вращении последнего создают в индукционном преобразователе импульсы тока, частота которых пропорциональна частоте вращения турбинки. Потеря давления при Qmax около 55 кПа.

К недостаткам известного устройства следует отнести следующее. Во-первых, из-за наличия зазоров между его подвижными и неподвижными элементами, пропускающих неучтенное количество измеряемого вещества мимо чувствительного элемента (турбинка 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, задачей данного технического решения являлась разработка счетчика, лишенного недостатков турбинных счетчиков с подшипниковыми опорами и с гальваническим контактом трущихся поверхностей.

Общими признаками с предлагаемым авторами счетчиком является наличие корпуса с входным и выходным патрубками, опоры с конической посадочной поверхностью, счетного устройства, ротора, включающего конус с валом и турбинку, входную, промежуточную и выходную полости.

Для устранения недостатков аналога, а именно для обеспечения функционирования его на малых расходах и давлениях, а также повышения его чувствительности к малым расходам в него введено основание, которое жестко связано с опорой с конической поверхностью. Промежуточная полость расположена между основанием и опорой с конической поверхностью, и в ней с кольцевым зазором относительно основания и соосно с ним установлена турбинка, выполненная с тангенциальными отверстиями.

Входная полость через радиальные отверстия, выполненные в основании, кольцевой зазор и тангенциальные отверстия турбинки соединена с промежуточной полостью.

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 осевые и осесимметричные отверстия, выполненные в опоре с конической поверхностью.

При этом осесимметричные отверстия опоры выполнены под углом 44... 46^o к оси конуса чувствительного элемента, а сама наружная поверхность конуса снабжена пазами, выполненными по винтовой линии; коническая поверхность опоры выполнена с конусом 90^o ± 15', а конус чувствительного элемента 92^o±15'.

Кольцевой зазор между основанием и трубинкой выполнен переменным по величине, для чего части зазора, образованного между верхними и нижними цилиндрическими поверхностями основания и турбинки, связаны между собой посредством конической части зазора, образованного их коническими поверхностями, нижняя часть зазора выполнена с величиной не менее 2-х пограничных слоев рабочего тела, а коническая часть зазора - с величиной, определяемой минимальным и максимальным расходом рабочего тела.

Именно это позволяет сделать вывод о наличии причинно-следственной связи между совокупностью существенных признаков заявляемого технического решения и достигаемым техническим результатом.

Указанные признаки, отличительные от прототипа и на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны, во всех случаях достаточны.

Задачей изобретения является создание конструкции малогабаритного счетчика газа, простого в обращении и эксплуатации, обладающего повышенной точностью измерения, долговечностью, высокой надежностью и чувствительностью к расходам от 0,01 до 10 м³/ч и малым давлением от 20 мм вод. столба и выше.

Новое конструктивное выполнение отдельных узлов счетчика и их взаимное расположение, в частности выполнение осе симметричных отверстий опоры под углом 44...46^o к оси конуса чувствительного элемента и наружной поверхности с пазами по винтовой линии, придало конусу чувствительного элемента, помимо выполнения функций верхней газовой опоры, и функцию лопастной турбинки, что позволило увеличить крутящий момент чувствительного элемента и тем самым поднять чувствительность счетчика к малым расходам.

Выполнение конической поверхности под углом 90^o±15', а конуса чувствительного элемента под углом 92^o±15' (т.е. выполнение с разными углами) позволило ограничить осевой подъем чувствительного элемента при разных расходах, что привело к уменьшению габарита счетчика по высоте, и улучшить надежность работы счетного устройства за счет уменьшения разбросов расстояний между элементами передачи - приема информации, а также расширить диапазон измерения расходов, т.е. обеспечить его функционирование при расходах от 0,01 до 10 м³/час и давлении от 20 мм вод. столба и выше.

Наличие кольцевого зазора между основанием и турбинкой, а также оптимизация его величины и формы позволили повысить КПД турбинки за счет перераспределения количества газа на создание газового затвора и крутящего момента чувствительного элемента в пользу последнего, т.е. значительно расширить потребительские свойства счетчика и одним счетчиком перекрыть диапазон измеряемых расходов, который ранее обеспечивался 4 разными счетчиками.

Сущность изобретения заключается в том, что счетчик газа - расходомер, содержащий корпус с входным и выходным патрубками, последовательно соединенные между собой входную, выходную и промежуточную полости, опору с конической поверхностью, чувствительный элемент, выполненный в виде конуса с валом, на котором закреплена турбинка и регистрирующее устройство, в отличие от прототипа содержит основание с радиальными отверстиями, жестко связанное с опорой, снабженной осесимметричными отверстиями, выполненными под углом 44. . .46^o к оси конуса чувствительного элемента, турбинка которого установлена соосно с кольцевым зазором относительно основания, и снабжена тангенциальными отверстиями, наружная поверхность конуса чувствительного элемента снабжена пазами, выполненными по винтовой линии, конус выполнен с конусностью 92^o±15', коническая поверхность опоры - с конусностью 90^o±15', а части кольцевого зазора, образованного верхними и нижними цилиндрическими поверхностями основания и турбинки, связаны между собой конической частью зазора, образованного их коническими поверхностями, при этом нижняя часть зазора выполнена с величиной не мене 2-х пограничных слоев рабочего тела, а коническая часть зазора - с величиной, определяемой минимальным и максимальным расходом рабочего тела.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображен продольный разрез счетчика газа (расходомера).

Счетчик газа - расходомер содержит корпус 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками, последовательно соединенные между собой входную 4, промежуточную 5 и выходную 6 полости, опору 7 с конической поверхностью 8, чувствительный элемент 9 и регистрирующее устройство 10. Чувствительный элемент 9 выполнен в виде конуса 11 с валом 12 и закрепленной на валу 12 турбинки 13.

Для обеспечения саморегулирования проходного сечения при изменении величины расхода газа, создания верхнего газового подвеса и устранения радиального биения чувствительного элемента 9 опора 7 закреплена в корпусе 1 соосно и снабжена осесимметричными отверстиями 14, выполненными под углом 44. ..46^o к оси конуса 11 чувствительного элемента 9, а сама наружная поверхность конуса 11 снабжена пазами 15, выполненными по винтовой линии, при этом коническая поверхность 8 опоры 7 выполнена под углом 90^o±15', а конус 11 чувствительного элемента 9 выполнен под углом 92^o±15'.

Для создания нижней газовой опоры для чувствительного элемента 9 счетчик дополнительно снабжен неподвижным основанием 16, которое закреплено в опоре 7 соосно и снабжено радиальными отверстиями 17, а турбинка 13 размещена относительно неподвижного основания 16 с кольцевым зазором 18, который выполнен переменным по величине, и снабжена тангенциальными отверстиями 19. Для выполнения функции обратного клапана чувствительный элемент 9 размещен в опоре 7 с зазором 20, а своим конусом 11 свободно посажен на коническую поверхность 8 опоры 7. Для обеспечения функционирования счетчика полости его 4, 5 и 6 связаны друг с другом через радиальные отверстия 17, кольцевой зазор 18, тангенциальные отверстия 19, зазор 20 и осесимметричные отверстия 14.

Кольцевой зазор 18 между основанием 16 и турбинкой 13 чувствительного элемента 9 выполнен переменным по величине и образован четырьмя цилиндрическими и двумя коническими поверхностями последних.

Зазор, образованный верхними цилиндрическими поверхностями, равен 1 мм, нижними - выполнен с величиной не менее 2-х пограничных слоев рабочего тела и составляет 0,2 мм, а образованный коническими поверхностями - переменным, с величиной, определяемой расходом рабочего тела.

Работа счетчика осуществляется следующим образом. В исходном положении (отбор газа потребителем не производится) полости 4, 5, 6 находятся под одинаковым давлением газа питающей сети. Конус 11 чувствительного элемента 9 посажен на коническую поверхность 8 опоры 7. Турбинка 13 чувствительного элемента 9 находится в неподвижном состоянии.

При отборе газа (включен источник потребления) газ, находящийся в полости 6, начинает поступать через выходной патрубок 3 на источник потребления, например газовую плиту. Происходит снижение давления в полости 6, в результате чего образуется перепад давлений между входным патрубком 2 с полостями 4 и 5 и выходной полостью 6 с выходным патрубком 3.

Начинается истечение газа, который через радиальные отверстия 17 неподвижного основания 16, кольцевой зазор 18 (центрирует турбинку 13 относительно неподвижного основания 16) и тангенциальные отверстия 19 турбинки 13 чувствительного элемента 9 поступает в промежуточную полость 5, а из нее в зазор 20 и осесимметричные отверстия 14 и поднимает конус 11, а вместе с ним и чувствительный элемент 9.

Образуется зазор между конусом 11 и конической поверхностью 8 опоры 7. Турбинка 13 чувствительного элемента 9 благодаря тангенциальным отверстиям 19, а также наличию на наружной поверхности конуса 11 чувствительного элемента 9 пазов 15, выполненных по винтовой линии, начинает вращаться вокруг оси со скоростью, пропорциональной объемному расходу. Газ, проходя через образовавшийся зазор, поступает в выходную полость 6 и далее через выходной патрубок 3 к потребителю.

Благодаря наличию между конусом 11 и конической поверхностью 8 опоры 7 газа под давлением, чувствительный элемент 9 вывешивается в газовой среде, в результате чего турбинка 13 вращается в плавающем состоянии без контакта с опорами. При изменении величины перепада давления в связи с изменением количества потребляемого газа (горит одна горелка) происходит изменение оборотов турбинки 13 и расхода газа. Информация об оборотах бесконтактным способом передается регистрирующему устройству 10, которое переводит обороты чувствительного элемента 9 в объем прошедшего через счетчик газа, либо измеряя скорость движения его, в расход газа.

При прекращении потребления газа давление в полостях 4, 5, 6 выравнивается. Под действием веса чувствительного элемента 9 конус 11 садится на коническую поверхность 8 опоры 7 и перекрывает зазор прохода газа, а турбинка 13 за счет прекращения истечения газа через тангенциальные отверстия 19, а также взаимодействия его с выполненным на наружной поверхности конуса 11 пазов 15 по винтовой линии прекращает вращаться. Отбор газа потребителю прекращается.

По предлагаемому изобретению была разработана конструкторская документация, по которой изготовлена опытная партия.

Испытания подтвердили при сохранении существующих точностных характеристик работоспособность счетчика в диапазоне расходов от 0,01 до 10,0 м³/ч, высокую надежность и чувствительность к малым расходам от 0,01 м³.час и давлением от 20 мм. вод. столба.

Применение его позволит обеспечить потребителей газа дешевыми (30-35$) и надежными счетчиками отечественного производства.

Он прост в изготовлении и ремонте, удобен в обслуживании и эксплуатации, изготавливается из недефицитных материалов, имеет низкую себестоимость и габаритно-массовые характеристики.

Как показал анализ результатов испытаний, конструкция счетчика-расходомера за счет указанных отличительных признаков обеспечивает высокие технические характеристики и сохраняет их стабильность при длительной эксплуатации.

По результатам испытаний предлагаемая конструкция признана перспективной и рекомендована в серийное производство.

Изобретение может быть использовано для измерения объема или расхода газа, поступающего потребителю под низким давлением с расходом от 0,01 до 10 м³/ч. Счетчик-расходомер содержит корпус с входным и выходным патрубками, опору с конической поверхностью, закрепленную в корпусе, чувствительный элемент (ЧЭ) в виде конуса с валом, на котором закреплена турбина, и регистрирующее устройство. Для создания верхней газовой опоры ЧЭ наружная поверхность конуса снабжена винтовыми пазами, а опора - осесимметричными отверстиями, выполненными под углом 44 - 46^o к оси конуса. Для создания нижней газовой опоры счетчик снабжен неподвижным основанием с радиальными отверстиями, а турбинка размещена относительно основания с переменным по величине кольцевым зазором и снабжена тангенциальными отверстиями. Благодаря свободной посадке на коническую поверхность опоры конуса ЧЭ последний также выполняет функцию обратного клапана. Счетчик газа обладает повышенной чувствительностью к малым расходам, высокой надежностью, имеет малые габариты, прост в изготовлении и ремонте. 1 ил.

Счетчик газа-расходомер, содержащий корпус с входным и выходным патрубками, последовательно соединенные между собой входную, выходную и промежуточную полости, опору с конической поверхностью, чувствительный элемент, выполненный в виде конуса с валом, на котором закреплена турбинка, и регистрирующее устройство, отличающийся тем, что он содержит основание с радиальными отверстиями, жестко связанное с опорой, снабженной осесимметричными отверстиями, выполненными под углом 44 - 46^o к оси конуса чувствительного элемента, турбинка которого установлена соосно с кольцевым зазором относительно основания и снабжена тангенциальными отверстиями, наружная поверхность конуса чувствительного элемента снабжена пазами, выполненными по винтовой линии, конус выполнен с конусностью 92^o ± 15', коническая поверхность опоры - с конусом 90^o ± 15', а части кольцевого зазора, образованные верхними и нижними цилиндрическими поверхностями основания и турбинки, связаны между собой конической частью зазора, образованного их коническими поверхностями, при этом нижняя часть зазора выполнена с величиной не менее двух пограничных слоев рабочего тела, а коническая часть зазора - с величиной, определяемой минимальным и максимальным расходом рабочего тела.