Настоящее изобретение относится к вихревому расходомеру для текучей среды, который включает, по меньшей мере, одно препятствие, приспособленное для генерирования колеблющихся вихрей текучей чреды, и дает по существу постоянное число Струхаля для низких чисел Рейнольдса.
Вихревые расходомеры или объемные счетчики широко известны и обычно содержат трубу, вдоль которой течет текучая среда, объем и/или расход которой подлежат измерению. Препятствие размещают в потоке текучей среды внутри трубы таким образом, что когда поток текучей среды сталкивается с препятствием, образуются вихри текучей среды, которые в колебательном режиме отделяются от препятствия. Такой тип расходомеров также содержит средства для определения объема текучей чреды из этих колебаний. Эти средства обычно находятся на препятствии. Принцип измерения объема текучей среды в данном типе расходомеров основан на том, что частота колебаний вихрей приблизительно пропорциональна скорости течения текучей среды в трубе, и вышеупомянутые средства обнаруживают сигнал, соответствующий колебаниям вихрей. Таким сигналом может быть, например, перепад давления.
Назначение вихревого расходомера для текучей среды состоит в том, чтобы обеспечивать точное и надежное измерение расхода или объема текучей среды, текущей по трубе, для широкого диапазона чисел Рейнольдса.
Для этого число Струхаля (отношение произведения частоты колебаний и диаметра препятствия к скорости текучей среды) должно быть постоянным для различных чисел Рейнольдса (отношений произведения скорости течения текучей среды и диаметра трубы к динамической вязкости текучей среды).
Проведенные за последнее время исследования в данной области привели к разработке конструкций вихревых расходомеров для текучей среды, которые имеют оптимизированные формы и размеры препятствий и полностью удовлетворяют условиям работы при больших числах Рейнольдса, например числах Рейнольдса порядка 260000, при которых поток отличается высокой турбулентностью.
С другой стороны, при низких числах Рейнольдса, например при числах Рейнольдса порядка 30000, поток все больше становится ламинарным, что меняет характер вихрей. В результате градуировочная (калибровочная) кривая для таких расходомеров имеет нелинейный характер для низких чисел Рейнольдса.
В патенте Великобритании GB-A-2142725 описан вихревой расходомер для текучей среды, включающий трубку Вентури и препятствие у сопла трубки, приспособленное для генерирования колеблющихся вихрей, а также средства для обнаружения наличия вихрей за препятствием по ходу течения.
В этом расходомере происходит увеличение числа Рейнольдса на 30% у сопла трубки Вентури, но отклоняющийся участок трубки Вентури отходит под сравнительно небольшим углом, составляющим менее 8o, так что граничный слой потока текучей среды не отделяется от стенок отклоняющегося участка в целях вызова рециркуляции текучей среды, что могло бы привести к увеличению потери напора текучей среды.
При заданных диаметрах трубы, упомянутых в вышеуказанном патенте, очевидно, что увеличение потерь напора нежелательно.
Из-за конфигурации трубки давление текучей среды в отклоняющемся участке трубки постепенно изменяется, и вихри, которые отделяются от препятствия, меняют форму, что приводит к изменению числа Струхаля.
Расходомер, описанный в патенте Великобритании GB-A-2142725, имеет большую длину, что является недостатком в том случае, если расходомер предназначен для определенных условий эксплуатации, при которых основное требование к расходомеру заключается в том, что он должен быть компактным.
Настоящее изобретение направлено на устранение этих недостатков за счет того, что предложен компактный вихревой расходомер для текучей среды, для которого число Струхаля по существу постоянно при низких числах Рейнольдса для потока текучей среды и также по существу постоянно для высоких чисел Рейнольдса, а тем самым рабочие характеристики расходомера улучшаются в широком диапазоне чисел Рейнольдса.
Предметом настоящего изобретения является вихревой расходомер для текучей среды, содержащий:
трубу, имеющую максимальный внутренний диаметр D, в которой течет текучая среда,
по меньшей мере одно препятствие, расположенное в середине потока текучей среды и приспособленное для генерирования колебательных вихрей в текучей среде, причем препятствие имеет удлиненную общую форму с продольным размером D1 и с поперечным размером d, измеренным в направлении, перпендикулярном направлению потока текучей среды,
средства для обнаружения сигнала, соответствующего колебаниям вихрей, и для определения на их основе объема текучей среды, причем расходомер отличается тем, что труба имеет внутренний профиль, который содержит от расположенного выше по ходу течения конца до расположенного ниже по ходу течения конца: первый участок трубы, на котором внутренний диаметр трубы постепенно уменьшается до значения D1 и который имеет внутреннюю стенку, расположенную под непрерывно изменяющимся углом к общему направлению потока текучей среды, причем угол имеет нулевое значение в тех местах в трубе, в которых диаметр первого участка соответственно равен D и D1; второй участок трубы с постоянным диаметром D1, в котором размещено препятствие; и третий участок трубы, на котором происходит увеличение внутреннего диаметра трубы до его исходного значения D и который приспособлен для отделения граничного слоя потока текучей среды у расположенного ниже по ходу течения конца второго участка трубы.
Заявитель обнаружил, причем совершенно неожиданно, что путем внезапного отделения граничного слоя потока текучей среды у расположенного ниже по ходу течения конца второго участка трубы на этом конце получают подъем давления, и действие этого локального подъема давления приводит к ограничению вихрей, которые отделяются от препятствия на втором участке трубы, тем самым ограничивая их так, что их размер остается постоянным.
Для того, чтобы подъема давления происходил, особенно важно, чтобы граничный слой отделялся точно у расположенного ниже по ходу течения конца второго участка трубы.
Из этого следует, что при низких числах Рейнольдса для потока текучей среды частота колебаний вихрей прямо пропорциональна скорости течения текучей среды, а число Струхаля, следовательно, по существу постоянно.
Таким образом, линейность расходомера существенно улучшена при низких числах Рейнольдса.
В соответствии с одним признаком изобретения третий участок трубы имеет острую кромку у конца, расположенного выше по ходу течения и совпадающего с расположенным ниже по ходу течения концом второго участка трубы, и имеет находящуюся за острой кромкой по ходу течения внутреннюю стенку, которая расположена под постоянным углом, составляющим от 9 до 20o к направлению потока текучей среды.
Угол предпочтительно составляет от 10 до 15o.
В соответствии с еще одним признаком изобретения третий участок трубы имеет у своего конца, расположенного выше по ходу течения и совпадающего с расположенным ниже по ходу течения концом второго участка, выступ, имеющий наружный диаметр D1, внутренний диаметр D2, меньший, чем D1, и внутренний край, образующий острую кромку.
В соответствии с еще одним признаком изобретения выступ имеет продольный размер, составляющий (D1 - D2)/2 и находящийся в диапазоне от 2 до 5% диаметра D1 второго участка трубы.
В соответствии с еще одним признаком изобретения в плоскости, содержащей ось симметрии трубы, выступ имеет местное поперечное сечение, которое является одинаковым и имеет треугольную форму, причем вершина треугольника образует местный внутренний край выступа.
В идеальном случае первый участок трубы не должен иметь никаких острых кромок, чтобы предотвратить отделение граничного слоя потока текучей среды у входа в суженную часть, которое тем самым могло бы создать возмущения в потоке и, следовательно, в колебании вихрей текучей среды.
Различные формы внутреннего профиля первого участка трубы были испытаны и дали хорошие результаты.
Например, внутренняя стенка первого участка трубы может иметь местный внутренний профиль, который образован в плоскости, содержащей ось симметрии трубы, в направлении по ходу течения двумя последовательно расположенными дугами окружностей, которые своими вогнутыми сторонами обращены в противоположные стороны и соответствуют окружностям с радиусами r и R, удовлетворяющими уравнению
r = (a2+b2)/2b(μ+1),
где 
b = (D - D1)/2;
μ = R/r.
Внутренняя стенка первого участка трубы может иметь местный внутренний профиль, который образован в плоскости, содержащей ось симметрии трубы, частью синусоидальной кривой.
В соответствии с другими признаками изобретения:
диаметр D1 второго участка трубы находится в пределах от 60 до 90% исходного диаметра D;
диаметр D1 предпочтительно составляет от 70 до 80% исходного диаметра D;
препятствие расположено на расстоянии от первого участка трубы, которое составляет от 0,5D1 до D1;
второй участок трубы имеет длину, которая превышает диаметр D1 в 1,5 - 3 раза,
отношение d/D1 составляет от 0,15 до 0,30;
средства для обнаружения сигнала, соответствующего колебаниям вихрей, и для определения объема текучей среды на их основе присоединены к препятствию;
препятствие имеет поверхность, расположенную выше по ходу течения, и поверхность, расположенную ниже по ходу течения, которые параллельны друг к другу и перпендикулярны направлению потока текучей среды, и две симметричные боковые поверхности, тем самым поперечное сечение препятствия имеет форму трапеции, причем основание трапеции находится на стороне, расположенной выше по ходу течения;
средства для обнаружения сигнала, соответствующего колебаниям вихрей, и для определения на их основе объема текучей среды содержат два параллельных основных продольных проходных отверстия, расположенных симметрично в препятствии рядом с боковыми поверхностями препятствия, а также множество равномерно распределенных вспомогательных проходных отверстий, соединяющих основные проходные отверстия в направлении, перпендикулярном к боковым поверхностям, и датчик, соединенный с основными проходными отверстиями и с электронной схемой, которая предназначена для определения объема текучей чреды на основе обнаруженного сигнала;
средства для обнаружения сигнала, соответствующего колебаниям вихрей, и для определения на их основе объема текучей среды содержат пластину, расположенную в середине потока текучей среды за препятствием по ходу течения и во втором участке трубы, причем пластина имеет продольный размер h, измеренный в направлении, перпендикулярном направлению потока текучей среды, и прямоугольное поперечное сечение, образованное двумя боковыми поверхностями большего размера, параллельными направлению потока текучей среды, и двумя поверхностями меньшего размера, расположенными выше по ходу течения и ниже по ходу течения, два параллельных продольных основных проходных отверстия в пластине рядом с поверхностью, расположенной выше по ходу течения, причем каждое из основных проходных отверстий соединено только с одной из боковых поверхностей с помощью множества равномерно распределенных перпендикулярных вспомогательных проходных отверстий, и датчик, соединенный с основными проходными отверстиями и с электронной схемой, которая предназначена для определения объема текучей среды на основе обнаруженного сигнала;
расположенная выше по ходу течения поверхность пластины имеет поперечный размер, составляющий от 0,1 до 0,4 от поперечного размера d препятствия;
расположенная выше по ходу течения поверхность пластины находится на расстоянии от поверхности препятствия, расположенной выше по ходу течения, и это расстояние составляет от 3d до 7d;
основные проходные отверстия имеют диаметр, который немного меньше поперечного размера расположенной выше по ходу течения поверхности пластины, причем основные проходные отверстия смещены друг относительно друга в направлении потока текучей среды.
Другие признаки и преимущества станут очевидными из нижеприведенного описания, которое приведено исключительно в качестве неограничивающего примера и со ссылкой на приложенные чертежи, где:
фиг. 1 представляет собой схематичное изображение вихревого газомера (газового счетчика) по изобретению в сечении по плоскости, содержащей ось симметрии трубы;
фиг. 2 представляет собой схематичное изображение газомера, показанного на фиг. 1, в сечении по плоскости, содержащей ось симметрии трубы и перпендикулярной плоскости сечения по фиг. 1;
фиг. 3a-3c представляют собой частичные схематичные изображения различных вариантов исполнения стенки первого участка трубы расходомера по изобретению в сечении по плоскости, содержащей ось симметрии трубы;
фиг. 3d показывает еще один вариант исполнения стенки первого участка трубы, которая показана на фиг. 3a-3c;
фиг. 4 представляет собой схематичное перспективное изображение препятствия вихревого газомера, показанного на фиг. 1 и 2;
фиг. 5 представляет собой схематичное изображение другого варианта исполнения вихревого газомера по изобретению в сечении по плоскости, содержащей ось симметрии трубы;
фиг. 6 представляет собой схематичное изображение газомера, показанного на фиг. 5, в сечении по плоскости, перпендикулярной к плоскости по фиг. 5;
фиг. 7 представляет собой схематичное перспективное изображение пластины 14 вихревого газомера, показанного на фиг. 5 и 6;
фиг. 8 представляет собой изображение другого варианта исполнения третьего участка трубы вихревого газомера по изобретению в сечении по плоскости, перпендикулярной оси симметрии трубы;
фиг. 9 представляет собой схематичное частично изображение третьего участка трубы, показанного на фиг. 8, в сечении по плоскости, содержащей ось симметрии трубы;
фиг. 10 представляет собой график, показывающий калибровочные кривые соответственно вихревого газомера по изобретению (A) и вихревого газомера по предшествующему техническому уровню (B);
фиг. 11 представляет собой упрощенную принципиальную схему электронной схемы, предназначенной для определения объема газа на основе обнаруженного перепада давлений;
фиг. 12 показывает пиковый детектор, использованный в схеме по фиг. 11;
фиг. 13 показывает операцию пикового детектирования, выполняемую пиковым детектором по фиг. 12;
фиг. 14 показывает иллюстративный пример соответствующих сигналов на входе и выходе пикового детектора по фиг. 12.
Как показано на фиг. 1, 2, 5 и 6, вихревой расходомер 1 для текучей среды по изобретению представляет собой газомер, пригодный для измерения объема газа при низких числах Рейнольдса, то есть при числах Рейнольдса ниже примерно 33000 и даже таких низких, как 16500. Такой тип газомера включает трубу 2, внутри которой течет газ, объем которого подлежит измерению. Как показано на фиг. 1, 2, 5 и 6, труба 2 имеет максимальный внутренний диаметр D и имеет внутренний профиль, содержащий в направлении по ходу течения три последовательно расположенных участка трубы, имеющих соответствующие различные технические характеристики.
На первом участке 4 происходит постепенное уменьшение внутреннего диаметра трубы 2 от максимального внутреннего диаметра D до значения D1 с помощью стенки 4a с фасонным профилем.
Эта стенка с фасонным профилем расположена под углом к общему направлению потока газа, причем этот угол непрерывно меняется от места пересечения стенки с трубой 2 в зоне ее максимального внутреннего диаметра D, где угол равен нулю, до места пересечения стенки со вторым участком трубы диаметром D1, где этот угол снова равен нулю.
Это является особенно рациональным, поскольку поток газа не сталкивается ни с какими острыми кромками, когда он входит в газомер, и таким образом не разрушается из-за образования турбулентности. Следовательно, поток ускоряется во втором участке трубы с диаметром D1, который создает режим для потока, который ближе к турбулентности при низких скоростях течения газа. Первый участок 5 трубы может иметь, например, стенку 4a с фасонным профилем, показанную на фиг. 3a.
На этой фигуре показана часть первого участка 4 трубы в плоскости, содержащей ось симметрии трубы и, следовательно, параллельной направлению потока газа. Показано, что местный внутренний профиль образован в направлении по ходу течения двумя последовательно расположенными дугами окружностей, которые своими вогнутыми сторонами обращены в противоположные направления и сливаются в точке. Первая дуга окружности соответствует первой окружности с центром A и радиусом r и является касательной к трубе с диаметром D в точке C1 контакта. Вторая дуга окружности соединяется с первой дугой окружности в точке C2 и является касательной ко второму участку 6 трубы с диаметром D1 в точке C3. Вторая дуга окружности соответствует второй окружности с центром B и радиусом R.
Условие пересечения двух дуг окружностей в точке C2 имеет вид
(r + R)2 = a2 + (R + c)2 (1)
и поскольку c = r - b:
то путем возведения в квадрат выражения (2) получаем:
r = (a2+b2)/2b(μ+1),
где b = (D - D1)/2;
μ = R/r.
В зависимости от радиусов r и R окружностей для заданных диаметров D и D1 стенке первого участка 4 трубы может быть придан требуемый профиль.
Если диаметр D1 составляет 72% от D при r = R, то получают стенку 4b с фасонным профилем, показанную на фиг. 3b, в то время как при R = 1,75r стенка 4c с фасонным профилем имеет вид, показанный на фиг. 3c.
В варианте исполнения изобретения, показанном на фиг. 3d, стенка 4d первого участка 4 трубы имеет в плоскости, содержащей ось симметрии трубы, локальный внутренний профиль в виде части синусоидальной кривой.
За первым участком трубы по ходу течения внутренний профиль трубы 2 образован вторым участком 6, упомянутым ранее, который имеет постоянный диаметр D1 по всей длине.
Диаметр D1 второго участка 6 трубы меньше исходного максимального внутреннего диаметра трубы и составляет от 60 до 90% исходного максимального внутреннего диаметра.
Если D1 меньше 60% от D, то потеря напора становится предельно допустимой, а частота колебаний становится слишком большой для измерения.
Если D1 больше 90% от D, поток газа недостаточно ускоряется.
Диаметр D1 предпочтительно составляет от 70 до 80% исходного диаметра D.
Например, диаметр D1 составляет 72% исходного диаметра D.
Вихревой газомер 1 по изобретению содержит препятствие 8, расположенное во втором участке 6 трубы с диаметром D1. Препятствие 8 установлено в середине потока газа таким образом, что когда поток сталкивается с препятствием, образуются вихри газа, которые отделяются от препятствия в колебательном режиме.
Препятствие 8 показано на фиг. 1, 2, 4, 5 и 6 и имеет удлиненную форму с продольным размером D1, представляющим собой высоту препятствия и измеренным в направлении, перпендикулярном направлению потока газа в трубе 2. Препятствие имеет поперечный размер d, представляющий собой ширину препятствия, и имеет поперечное сечение, которое по существу одинаково во всех плоскостях, параллельных плоскости фиг. 2, и может принимать различные формы.
Отношение d/D1 предпочтительно составляет от 0,15 до 0,3. Например, оно равно 0,23. Если d/D1 больше, чем 0,3, имеется тенденция уменьшения колебательного эффекта. Напротив, если d/D1 меньше, чем 0,15, отделение вихрей больше не будет когерентным вдоль всего продольного размера препятствия.
Как показано на ранее упомянутых фигурах, препятствие 8 имеет поверхность 8a, расположенную выше по ходу течения, и поверхность 8b, расположенную ниже по ходу течения, которые обе являются плоскими и параллельными друг другу, причем поверхность 8a, расположенная выше по ходу течения, имеет больший размер, чем поверхность 8b, расположенная ниже по ходу течения. Плоскости обеих этих поверхностей перпендикулярны направлению потока газа.
Препятствие 8 также имеет две симметричные боковые поверхности 8c и 8d, лежащие под постоянным углом к поверхности 8a, расположенной выше по ходу течения, так что поперечное сечение препятствия имеет форму трапеции с основанием, обращенным в сторону, находящуюся выше по ходу течения.
Препятствие 8 находится во втором участке 6 трубы рядом с первым участком 4 трубы, чтобы осталось достаточно места для образования вихрей на стороне препятствия, расположенной ниже по ходу течения; более точно, расположенная выше по ходу течения поверхность 8a препятствия 8 находится на расстоянии от первого участка 4 трубы, которое составляет от 0,5D1 до D1.
Если это расстояние меньше 0,5D1, профиль потока газа, достигающего препятствия, еще не успеет стабилизироваться.
Аналогичным образом, если это расстояние больше D1, профиль скоростей потока газа приводит к образованию граничного слоя, который может породить сильные вторичные вихри, разрушающие колебательные основные вихри, и, кроме того, газомер больше не будет таким компактным.
Например, расположенная выше по ходу течения поверхность 8a препятствия 8 находится на расстоянии от первого участка 4 трубы, которое равно 0,6D1.
Можно несколько препятствий одинаковой или различной формы, расположенных одно за другим в направлении потока газа, вместо единичного препятствия.
Длина второго участка 6 трубы превышает диаметр D1 в 1,5-3 раза, чтобы газомер был компактным и в то же время оставалось достаточно места для образования вихрей.
Например, эта длина может составлять два диаметра D1.
В соответствии с изобретением вихревой газомер 1 содержит средства для обнаружения сигнала, соответствующего колебаниям вихрей, образованных препятствием 8, и для определения на их основе объема газа. Специалисту в данной области известно, как выводить расход газа непосредственно из детектирования этого сигнала. Эти средства могут быть присоединены к препятствию 8, как показано на фиг. 2-4.
Эти фигуры показывают, что средства для обнаружения сигнала, соответствующего колебаниям вихрей, и для определения на их основе объема газа содержат два параллельных основных проходных отверстия 10 и 12, проходящих в продольном направлении препятствия 8 рядом с его боковыми стенками 8c и 8d. Эти проходные отверстия 10 и 12 симметричны относительно средней плоскости, содержащей ось симметрии трубы 2 и перпендикулярной к плоскости, которая содержит поперечное сечение препятствия 8. Вышеупомянутые средства также включают множество вспомогательных проходных отверстий, например, по три на основное проходное отверстие: 10a, 10b, 10c и 12a, 12d, 12c; причем эти проходные отверстия равномерно распределены вдоль продольного размера основных проходных отверстий 10 и 12 перпендикулярно основным проходным отверстиям. Они соединяют основные проходные отверстия с поверхностями 8c и 8d препятствия 8. Диаметр вспомогательных проходных отверстий 10a, 10b, 12a, 12b по существу равен диаметру основных проходных отверстий. Каждое основное проходное отверстие 10 и 12 связано, например, с тепловым датчиком (не показан), который обнаруживает перепад давлений между казанными основными проходными отверстиями благодаря отделению вихрей.
Вместо вышеуказанного датчика можно использовать датчик давления.
Фиг. 11 представляет собой упрощенную блок-схему электронной схемы, которая после обнаружения перепада давлений датчиком 201 последовательно передает сигнал переменного тока к усилителю 202, и далее на вход пикового детектора 203, с помощью пикового детектора преобразует этот сигнал переменного тока в импульсный сигнал, в котором каждый импульс представляет единичный объем газа и с помощью счетчика 204 подчитывает число импульсов для получения объема газа.
Как показано на фиг. 12, пиковый детектор 203 включает, например, усилитель 210 с резистором 211 и конденсатором 212, пороговое устройство 213, включающее два диода 220, 221, соединенные параллельно, причем один из диодов включен в прямом, а другой в обратном направлении, конденсатор 214, выполняющий функцию памяти, дифференциальный усилитель 215 и резисторы 216, 217. Каждый диод 220, 221 может представлять собой переход полевого транзистора.
Усилитель 210, резистор 211 и конденсатор 212 обеспечивают выделение сигнала на входе конденсатора 214. Каждый диод имеет свое собственное пороговое значение, и при пропускании через него тока он дает падение напряжения. Если амплитуда сигнала в точке 218 поднимается выше порогового значения диода 220, диод включается, и значение напряжения в точке 218, которое меньше падения напряжения на диоде 220, запоминается конденсатором 214. Дифференциальный усилитель 216 сравнивает напряжение в точке 218 с напряжением на конденсаторе 214 и выдает сигнал высокого уровня, если напряжение в точке 218 больше напряжения на конденсаторе 214.
Когда пик достигнут и амплитуда сигнала падает, разность между значением сигнала в точке 218 и значением сигнала, которое запоминается конденсатором 214, уменьшается до величины ниже порогового значения диода 220, и диод 220 выключается. Это фиксирует значение сигнала, хранящееся в конденсаторе 214. Когда амплитуда сигнала в точке 218 уменьшается до значения, которое ниже значения сигнала, хранящегося в конденсаторе 214, усилитель 215 подает сигнал низкого уровня, показывающий, что пик пройден. Когда значение сигнала снижается ниже значения сигнала, хранящегося в конденсаторе 214, на величину, соответствующую пороговому значению диода 221, диод 221 включается, и значение сигнала, хранящегося в конденсаторе 214, падает с величиной сигнала в точке 218, уменьшенной на падение напряжения на диоде 221. Когда отрицательный пик достигнут и пройден, диод 221 снова выключается, а усилитель 215 покажет изменение состояния, когда сигнал в точке 218 поднимется до значения, которое выше значения сигнала, хранящегося в конденсаторе 214.
На фиг. 13 показано изменение напряжения первого сигнала в точке 218 (кривая 250) и изменение напряжения на конденсаторе (кривая 251). Напряжение 251 на конденсаторе сначала равно напряжению сигнала 250 минус величина Vd, соответствующая падению напряжения на диоде 220, и усилитель 215 выдает сигнал высокого уровня. Когда достигнут пик в момент времени t0 и напряжение сигнала 250 падает ниже порогового значения диода 220, напряжение 251 на конденсаторе фиксируется. В момент времени t1 напряжение сигнала 250 падает ниже напряжения 251, зафиксированного на конденсаторе, и на выходе усилителя 215 происходит выдача сигнала низкого уровня. В момент времени t2 разность между напряжением сигнала и напряжением на конденсаторе больше, чем пороговое значение диода 221, и напряжение на конденсаторе изменяется вслед за изменением напряжения первого сигнала.
На фиг. 14 показан выходной сигнал схемы по фиг. 12 в сравнении с типовым входным сигналом. Входной сигнал можно рассматривать как синусоидальный сигнал с высокой частотой, но и низкой амплитудой, который наложен на шум с высокой амплитудой, вызывающий большие колебания амплитуды сигнала. Несмотря на эти колебания, изменение направления входного сигнала на каждом положительном пике 240 или на каждом отрицательном пике 241 отмечено изменением направления выходного сигнала. Выходной сигнал может быть использован непосредственно счетчиком 204 для выдачи числа импульсов и, следовательно, объема газа. Зная интервал времени между двумя импульсами, также очень просто можно получить значение расхода газа.
В варианте исполнения изобретения, показанном на фиг. 5-7, средства для обнаружения сигнала, соответствующего колебаниям вихрей, и для определения на их основе объема газа расположены за препятствием 8 по ходу течения и включают пластинчатый элемент 14, находящийся во втором участке 6 трубы в середине потока газа. Пластина 14 имеет продольный размер D1, соответствующий ее высоте h и измеренный в направлении, перпендикулярном направлению потока газа. Пластина 14 имеет две параллельные поверхности 14a и 14b большего размера, которые параллельны направлению потока газа и называются боковыми поверхностями пластины, и две параллельные поверхности 14c и 14d меньшего размера, которые перпендикулярны поверхностям большего размера и соответственно называются расположенной выше по ходу течения поверхностью 14c и расположенной ниже походу течения поверхностью 14d пластины. Расстояние между расположенной выше по ходу течения поверхностью 14c пластины 14 и расположенной выше по ходу течения поверхностью 8a препятствия 8 составляет от 3d до 7d. Например, пластина 14 находится на расстоянии от расположенной выше по ходу течения поверхности 8a, которое равно 4d. Как показано на фиг. 5 и 7, поперечное сечение пластины 14 имеет форму прямоугольника. Такая форма пластины 14 является рациональной, поскольку она образует препятствие с острыми кромками, которые вызывают отделение потока газа, находящегося в контакте с расположенной выше по течению поверхностью 14c, также называемой направляющей кромкой, что создает зону турбулентности, которая способствует ударам вихрей поочередно по боковым поверхностям 14a и 14b, и это приводит к улучшению получаемого сигнала. Два параллельных проходных отверстия 16 и 18 проходят в продольном направлении через пластину 14 рядом с ее поверхностью 14c, расположенной выше по ходу течения. Эти проходные отверстия 16 и 18 проходят в пластину 14 от ее верхней части на расстояние, которое меньше высоты h этой пластины. Множество вспомогательных проходных отверстий 16a, 16b, 16c и 18a, 18b, 18c равномерно распределены вдоль длины основных проходных отверстий 16 и 18, чтобы связать каждое из основных проходных отверстий в перпендикулярном направлении только с одной боковой поверхностью 14a или 14b пластины 14.
Например, каждое основное проходное отверстие 16 (18) соединено с одной боковой поверхностью 14a (14b) пластины 14 тремя вспомогательными проходными отверстиями 16a, 16b, 16c (18a, 18b,18c), диаметр которых по существу равен диаметру основных проходных отверстий. Два основных проходных отверстия 16 и 18 связаны, например, с тепловым датчиком (не показан), который обнаруживает поток благодаря перепаду давлений, вызванному в проходных отверстиях за счет отделения вихрей. Поперечный размер поверхности 14c, расположенной выше по ходу течения, составляет от 0,1d до 0,4d. Она равна, например, 0,25d.
Диаметр основных проходных отверстий 16 и 18 немного меньше ширины пластины 14, и проходные отверстия смещены друг относительно друга в направлении потока газа и расположены как можно ближе к направляющей кромке пластины 14, чтобы получить оптимальную информацию из сигнала.
Этот вариант исполнения является предпочтительным, поскольку сигнал, полученный от пластины таким образом, будет иметь большую амплитуду, чем сигнал, полученный от препятствия.
Проходные отверстия также осуществляют фильтрацию всех шумов, сопровождающих сигнал, благодаря силам внутреннего трения, воздействующим на газ в проходных отверстиях, так что отношение сигнал-шум улучшается.
В другом варианте исполнения изобретения, не показанном на фигурах, средства для обнаружения сигнала, соответствующего колебаниям вихрей, и для определения на их основе объема газа включают два ультразвуковых преобразователя, которые расположены во втором участке 6 трубы за препятствием 8 по ходу течения и прикреплены к стенкам второго участка 6 трубы в диаметрально противоположных точках (необходимость в таком варианте исполнения для пластины, описанной выше, отсутствует). Один преобразователь выдает ультразвуковой сигнал, модулированный колебаниями вихрей, который снимается другим преобразователем и демодулируется, чтобы получить из него частоту колебаний и, следовательно, расход и объем газа.
В соответствии с изобретением вихревой газомер 1 также включает третий участок 20 трубы, который находится у расположенного ниже по ходу течения конца 6a второго участка 6 трубы, имеющего постоянный диаметр D1. На третьем участке 20 трубы происходит возврат внутреннего диаметра трубы 2 к его исходному значению D. Этот участок приспособлен для того, чтобы вызывать отделение граничного слоя потока газа у расположенного ниже по ходу течения конца 6a второго участка 6 трубы.
В отличие от округленного места пересечения первого и второго участков 4 и 6 трубы, здесь имеется острая кромка 20a у расположенного выше по ходу течения конца третьего участка 20, который совпадает с расположенным ниже по ходу течения концом 6a второго участка трубы (см. фиг. 1, 2, 5 и 6).
Третий участок 20 трубы имеет стенку 20b, имеющую форму усеченного конуса и проходящую от острой кромки 20a до трубы с максимальным диаметром D под постоянным углом α к направлению потока газа. Угол α обычно составляет от 9 до 20o.
Угол α предпочтительно составляет от 10 до 15o. Он равен, например, 10,78o.
Вследствие наличия внезапного расширения в трубе под заданным углом после прямолинейного участка 6 трубы, в котором образуются колебательные вихри, скорость газа уменьшается и его давление увеличивается. Заявитель установил, что этот признак изобретения вызывает разделение потока газа у острой кромки 20a и за острой кромкой 20a по ходу течения, и это приводит к образованию барьера из давления у выхода из второго участка 6 трубы. Функция этого барьера, образованного давлением, заключается в том, чтобы удержать вихри газа внутри второго участка 6 трубы, так что размер вихрей остается таким же и число Струхаля будет постоянным, особенно при низких значениях числа Рейнольдса для потока газа; в результате получается, что частота колебаний прямо пропорциональна скорости газа. Угол расширения третьего участка 20 трубы должен быть выбран тщательным образом, чтобы получить приемлемое давление. Угол расширения, больший, чем 20o, вызывает интенсивную рециркуляцию газа, и вызванное ей изменение скорости газа увеличивает его турбулентность и не позволяет создать эффективный барьер из давления, который обеспечивает сохранение постоянного размера вихрей.
При угле расширения, меньшем, чем 9o, давление будет постепенно возрастать вдоль третьего участка 20 трубы и не будет достаточным для того, чтобы регулировать размер вихрей. В отличие от настоящего изобретения, в отклоняющемся участке трубок Вентури угол расширения непрерывно изменяется, и его локальное значение меньше 8o, что приводит к постепенному изменению давления и препятствует отделению граничного слоя газа; в результате имеют место большие потери напора.
В варианте исполнения изобретения, показанном на фиг. 8 и 9, третий участок 20 трубы имеет выступ 22 у своего расположенного выше по ходу течения конца, который совпадает с расположенным ниже по ходу течения концом 6a второго участка трубы.
Выступ 22 закреплен на пересечении второго участка 6 трубы и третьего участка 20 трубы и имеет внутренний край 22a, который имеет внутренний диаметр D2, меньший, чем D1, и образует острую кромку, причем наружный диаметр выступа равен D1.
Как показано на фиг. 8, в плоскости, перпендикулярной направлению потока газа, выступ 22 имеет форму кольца. Чтобы острая кромка 22a выступа 22 могла вызвать отделение граничного слоя для создания локального подъема давления, который будет удерживать вихри газа внутри второго участка 6 трубы, продольный размер (D1-D2)/2 выступа 22, или его высота, должен составлять от 2 до 5% диаметра D1 второго участка 6. Если этот размер меньше 2% диаметра D1, зона, в которой граничный слой отделяется, очень мала, чтобы создать эффективный подъем давления у расположенного ниже походу течения конца 6a второго участка 6 трубы. С другой стороны, если этот размер превышает 5% диаметра D1, зона отделения будет очень большой, и это приведет к образованию зоны неустойчивого повышения давления, что нарушает повторяемость сигнала. В плоскости, содержащей ось симметрии трубы, выступ 22 имеет местное поперечное сечение, которое имеет, например, форму треугольника, вершина которого образует внутренний край 22a выступа в этой плоскости. Как показано на фиг. 9, форма верхнего местного поперечного сечения выступа 22 представляет собой треугольник с вершиной внизу. Форма нижнего местного поперечного сечения выступа 22 (не показанного на фиг. 9) симметрична относительно оси симметрии трубы.
В этом варианте исполнения изобретения внутренняя стенка 20c третьего участка 20 трубы необязательно расположена под постоянным углом к направлению потока газа.
Преимуществом вихревого расходомера для текучей среды по изобретению также является то, что он компактен и при этом он имеет меньшую длину, чем расходомеры по предшествующему техническому уровню.
Чтобы показать, что вихревой расходомер по настоящему изобретению лучше расходомеров по предшествующему техническому уровню, заявитель провел испытания, результаты которых показаны на фиг. 10.
Эти испытания были проведены последовательно с двумя вихревыми газомерами, причем первым испытывали газомер по предшествующему техническому уровню, который имеет прямую трубу для потока газа с диаметром 100 мм и препятствие с трапециевидным поперечным сечением, предназначенное для образования вихрей, и имеет средства для обнаружения сигнала, соответствующего колебанию вихрей, и для определения на их основе объема газа. Препятствие и средства, упомянутые ранее, были аналогичны тем, которые описаны выше при рассмотрении фиг. 1, 2 и 4.
Второй газомер, то есть газомер по изобретению, показан на фиг. 1, 2 и 4.
Испытания состояли в том, что записывали относительную погрешность при определении объема газа, текущего через каждый из газомеров, относительно калибровочного расходомера при значениях расхода от 50 до 450 м3/ч, соответствующих числам Рейнольдса от 9300 до 84000.
На фиг. 10 для каждого расходомера показана относительная погрешность, выраженная в процентах, в виде функции числа Рейнольдса, и получаемые кривые A и B представляют собой соответственно калибровочные кривые для газомера по изобретению и для газомера по предшествующему техническому уровню. Таким образом, эти кривые ясно демонстрируют то, что газомер по изобретению имеет существенно улучшенную линейность при низких числах Рейнольдса.
Газомеры по настоящему изобретению показывают хорошую линейность при низких числах Рейнольдса, которые ниже 33000 и имеют значения до 16500.
Расходомер содержит трубу с максимальным внутренним диаметром D, внутренний профиль которой в направлении по ходу потока текучей среды образован тремя участками, создающее вихри в текучей среде препятствие, размещенное во втором участке трубы с постоянным диаметром D1, и средства для детектирования сигнала, расположенные за препятствием по ходу потока. Угол, образуемый внутренней стенкой первого участка трубы с направлением потока, имеет нулевое значение в тех местах трубы, где диаметр первого участка соответственно равен D и D1. Третий участок трубы у своего конца, совпадающего с концом второго участка, имеет кольцевой выступ треугольного профиля, край которого образует острую кромку. Внутренняя стенка третьего участка расположена под углом 9-20° к направлению потока. Выполнение третьего участка обеспечивает отделение граничного слоя потока точно у конца второго участка. Изобретение имеет линейную зависимость выходного сигнала при низких числах Рейнольдса и обеспечивает точное измерение объема газовой среды. 21 з.п. ф-лы, 14 ил.
r = (a2+b2)/2b(μ+1),
где 
b = (D - D1)/2;
μ = R/r
8. Вихревой расходомер по любому из пп.1 - 6, отличающийся тем, что внутренняя стенка (4d) первого участка (4) трубы имеет внутренний профиль, который образован в плоскости, содержащей ось симметрии трубы, частью синусоидальной кривой.
| МЯСНОЙ ПРОДУКТ | 1998 |
|
RU2142725C1 |
| Система питания многотопливного двигателя | 1987 |
|
SU1437557A1 |
| US 4418579 A, 06.12.1983 | |||
| Вихревой расходомер | 1990 |
|
SU1716333A1 |
