УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАССОВОГО РАСХОДА ТЕКУЧИХ СРЕД Российский патент 2000 года по МПК G01F1/78 G01F1/28 

Изобретение относится к области средств измерения расходов и количества текучих сред и может применяться для определения количества нефти, газа, воды и других жидкостей, проходящих по трубопроводу.

Известны устройства для определения расхода воздуха, содержащие установленные в измерительном трубопроводе тела обтекания постоянного сечения, соединенные через диск силопередающего элемента с датчиком усилия, при этом каждое тело обтекания установлено на рычаге, а ось рычага пересекает ось измерительного канала [1].

Недостатком устройства является сложная механическая система передачи и необходимость осреднения усилия для получения среднемассового импульса. Наличие осей у рычагов крепления тел обтекания приводит к появлению сил трения, снижающих работы устройства.

Также известен расходомер для жидкостей и газов [2], содержащий корпус с крыловидным чувствительным элементом, установленным на поворотном валу, проходящем через его утолщенную часть, и преобразователь, причем поворотный вал размещен во внутренних расточках корпуса, а чувствительный элемент расположен вдоль горизонтальной оси корпуса и жестко связан в точке максимального удаления от поворотного вала с торцами двух коаксиально расположенных трубок, кроме того, внутренняя трубка соединена с преобразователем, а внешняя через сильфон - с внутренней поверхностью корпуса.

Недостатком данного расходомера при применении в различных трубопроводах (нефтепроводах, газопроводах, бытовых газовых приборах, счетчиках расхода воды и т.д.) является наличие весовых паразитных нагрузок, воздействующих на датчик силы и снижающих надежность и точность измерения.

Задача изобретения - упростить конструкцию, повысить надежность и точность измерения.

Поставленная задача может быть решена за счет того, что в устройстве для определения массового расхода текучих сред содержится установленное в измерительном трубопроводе тело обтекания, соединенное через силопередающий элемент с датчиком усилия, и регистрирующее устройство с подпружиненным силопередающим элементом, а датчик усилий, имеющий частотный выходной сигнал, соединен последовательно с делителем частоты, схемой разделения совпадающих импульсов и счетчиком импульсов, которые поступают на счетчик от блока фазовой автоподстройки частоты импульсов заданной длительности, поступающих в упомянутый блок от формирователя указанных импульсов, регистром и регистрирующим устройством.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображена полуконструктивная схема устройства массового расхода текучих сред; на фиг. 2 - схема блока фазовой автоподстройки частоты.

Устройство состоит из корпуса 1, с помощью фланца соединяемого с трубопроводом, тела обтекания 2 силопередающей штанги 3, резьбового фланца 4, гайки 5, пружины 6, кварцевого генератора (датчика усилия) 7, делителя частоты (ДЧ) 8, формирователя коротких импульсов (ФКИ) 9, блока фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ)10, схемы разделения совпадающих импульсов (СРСИ)11, счетчика импульсов (СИ)12, регистра 13, регистрирующего устройства 14. Блок фазовой автоподстройки частоты 10 состоит из импульсного частотно-фазового дискриминанта (ИЧФД) 15, корректирующего устройства (КУ) 16, генератора импульсов, управляемого напряжением (ГУН) 17, делителя частоты (ДЧ) 18.

Массовый расход текучей среды постоянной плотности (например, в бытовых приборах) определяется площадью живого сечения, плотностью движущейся среды и ее скоростью. Так как площадь сечения трубопровода и плотность текучей среды есть величины постоянные, то их влияние можно учесть в виде постоянного коэффициента. Величина усилия, с которым движущаяся среда воздействует на тело обтекания, определяется произведением постоянных величин на скорость перемещения текучей среды. Следовательно, если измерить усилие с которым движущаяся среда давит на тело обтекания, то можно найти массовый расход текучей среды через данное сечение. Суммирование массового расхода по времени позволяет определить количество массы текучей среды, прошедшей через счетчик.

Работа осуществляется следующим образом: в поток текучей среды устанавливается тело обтекания, которое воспринимает усилие от движущегося потока. Это усилие через силопередающую штангу 3 воспринимается кварцевым генератором (датчиком усилия) 7, преобразуется в частотный сигнал, поступает в преобразователь и фиксируется регистрирующим устройством.

Поток текучей среды, идущей по трубопроводу, поступает в корпус 1 и набегает на тело обтекания 2. В результате этого взаимодействия на тело обтекания будет действовать аэродинамическая сила. Аэродинамическая сила будет направлена вдоль силопередающей штанги 3 и действовать на кварцевый генератор (датчик усилия) 7, частотные характеристики которого пропорциональны аэродинамической силе N. Сила N пропорциональна массовому расходу текучей среды через трубопровод. Чтобы избежать воздействия на кварцевый генератор (датчик усилия) 7 паразитной силы от массы тела обтекания 2 и штанги 3, установлен упругий элемент 6, воспринимающий только паразитную силу. Это достигается вращением гайки 5 по резьбе фланца 4.

Частотные характеристики кварцевого генератора (датчика усилия) 7 с помощью преобразователя фиксируются регистрирующим устройством 14.

Работа преобразователя заключается в следующем (фиг. 1). Формирователь коротких импульсов 9 формирует прямоугольные импульсы f' = f требуемой длительности, поступающие в блок фазовой автоподстройки частоты 10. В результате использования делителя частот с коэффициентом деления n в цепи обратной связи блока 10 происходит умножение входной частоты в n раз, причем за счет астатизма в контуре блока 10 погрешность преобразования частот равна нулю. Счетчик импульсов осуществляет подсчет выходных импульсов блока 10 за время T_o, формируемое с помощью последовательно соединенных кварцевого генератора (датчика усилий) 7 и делителя частоты 8 с коэффициентом деления m. В момент прихода импульса f'_o = 1/T_o информация в виде кода со счетчика импульсов 12 переписывается в регистр 13, а содержимое счетчика импульсов 12 обнуляется. Для исключения сбоев счетчика в случае одновременного прихода импульсов n•f' и f_o(f_o - выходной сигнал делителя частоты (8)) необходимо использовать схему разделения совпадающих импульсов 11 [3]. В этом случае позднее пришедший импульс сдвигается на требуемый временной интервал, что обеспечивает высокую надежность счетчика импульсов 12. Выходной код N_c регистра поступает на регистрирующее устройство 14, которое может быть выполнено в виде последовательного соединения дешифратора и цифрового индикатора.

Блок фазовой автоподстройки частоты 10 (ФАПЧ) может быть выполнен в соответствии с фиг. 2, где 15 - импульсный частотно-фазовый дискриминатор (ИЧФД), 16 - корректирующее устройство (КУ), 17 - генератор импульсов, управляемый напряжением (ГУН), 18 - делитель частоты (ДЧ) на n.

ИЧДФ осуществляет сравнение частот (в области частотных рассогласований) или фаз (в области равенства частот) входящих последовательностей импульсов, f' и f_ос (f_ос- выходной сигнал делителя частоты (18)), формируя на выходе последовательность импульсов, частота следования которых равна f', а длительность пропорциональна величине фазового рассогласования частот f' и f_ос. КУ выделяет из выходного сигнала ИЧФД составляющую, пропорциональную фазовому рассогласованию Δϕ частот f' и f_ос, и обеспечивает устойчивое регулирование контура ФАПЧ. ГУН обеспечивает формирование выходной частоты контура ФАПЧ, пропорциональной величине напряжения U_ку на выходе корректирующего устройства 2, причем требуемый коэффициент преобразования ФАПЧ обеспечивается коэффициентом деления n делителя частоты 4 в цепи обратной связи ФАПЧ. В установившемся режиме работы ФАПЧ f' = f_ос и значение частот на выходе устройств равно n•f_ос= n•f'.

Аэродинамическая сила, действующая на тело обтекания (пластину или крыловой профиль), пропорциональна скоростному напору, площади поверхности тела обтекания и углу атаки. Аэродинамическая сила N определяется по формуле
N = 2παFρV²∞(H), (1)
где α - угол атаки;
F - площадь поверхности пластины или крылового профиля;
ρ - плотность жидкости или газа;
V_oo - скорость набегающего потока жидкости или газа.

В уравнении (1) величины α, F и ρ, будут постоянными для конкретного типа жидкости и конструкции счетчика.

Массовый расход воздуха, жидкости или газа пропорционален плотности рабочей жидкости, площади живого сечения и скорости движения жидкости, т.е.

G = ρSV∞, (2)
где S - площадь живого сечения потока жидкости или газа.

С учетом уравнения (2) формулу (1) можно представить в виде
N=C₁G², (3)
где
Из уравнения (3) находится расход жидкости через трубопровод в функции аэродинамической силы, воздействующей на тело обтекания
, (4)
где
Характер функции G=f(N) таков, что изменение аргумента N на 1% приводит к изменению функции на 0,1 - 0,3, а это позволяет по формуле (4) определить количество прошедшей через счетчик жидкости G по величине усилия N в 3 раза точнее, чем сама величина усилия N.

Масса жидкости, прошедшей через счетчик, определяется суммированием по времени расходов, т.е.

M=Gt, (5)
где t - время.

Технико-экономический эффект состоит в том, что с помощью данного изобретения достигается отсутствие подвижных и колеблющихся частей, что приводит к повышению надежности и ресурса устройства в целом.

Технико-экономический эффект составляет пятьдесят тысяч на одно устройство.

Источники информации, принятые во внимание
1. Кремлевский П. П. Расходомеры и счетчики количества. -Л.: Машиностроение. 1989.

2. Расходомер для жидкостей и газов SU 1645828 Al., G 01 F 1/20.

3. АС 1492459, МКИ 4 H 03 К 45/153 "Устройство для разделения двух последовательностей импульсов" А.В.Бубнов, В.Н.Зажирко и др., опубл. 07.07.89. Бюл. N 25.

Изобретение может быть использовано для измерения количества газа, нефти, воды и других жидкостей, протекающих по трубопроводу. Устройство содержит установленное в измерительном трубопроводе тело обтекания, выполненное в виде крылового профиля или пластины и через подпружиненный силопередающий элемент соединенное с датчиком усилия, имеющим частотный выходной сигнал. Датчик усилия последовательно соединен с делителем частоты, схемой разделения совпадающих импульсов, счетчиком импульсов, регистром и регистрирующим устройством. Счетчик подключен к блоку фазовой автоподстройки частоты импульсов заданной длительности, соединенному с формирователем импульсов. Изобретение имеет повышенную надежность за счет отсутствия подвижных и колеблющихся частей. 3 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для определения массового расхода текучих сред, содержащее установленное в измерительном трубопроводе тело обтекания, соединенное через силопередающий элемент с датчиком усилия, и регистрирующее устройство, отличающееся тем, что силопередающий элемент подпружинен, а датчик усилия, имеющий частотный выходной сигнал, соединен последовательно с делителем частоты, схемой разделения совпадающих импульсов, счетчиком импульсов, которые поступают на счетчик от блока фазовой автоподстройки частоты импульсов заданной длительности, поступающих в упомянутый блок от формирователя указанных импульсов, регистром и регистрирующим устройством. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что тело обтекания выполнено в виде крылового профиля. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что тело обтекания выполнено в виде плоской пластины. 4. Устройство по любому из пп.1 - 3, отличающееся тем, что блок фазовой автоподстройки частоты содержит импульсный частотно-фазовый дискриминатор, корректирующее устройство, генератор импульсов, управляемый напряжением, и делитель частоты с коэффициентом деления n.