ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ РАСХОДОМЕРА Российский патент 2000 года по МПК G01F1/36 G01F1/48 

Область техники
Изобретение относится к измерению расхода жидкости в закрытых трубопроводах, в частности к датчикам давления для расходомеров.

Предшествующий уровень техники
Обычно датчики давления представляют собой расходомерные диафрагмы, измерительные сопла и трубки Вентури, при помощи которых осуществляют измерения по всему сечению потока и которые служат для дросселирования с целью создания перепада давления. В трубопроводах большого поперечного сечения такие датчики малопригодны, кроме того, они тяжелы, громоздки, а их изготовление требует больших затрат труда и материалов. Наконец, надежность и точность измерений в названных случаях неудовлетворительны.

Из описания изобретения к авторскому свидетельству СССР N 1076753 известно сужающее устройство для измерения расхода воды в канале, выполненное с двумя криволинейными поверхностями, обращенными друг к другу своими выпуклыми частями, образующими сжатое сечение. Перепад давления измеряют между сжатым и нормальным сечениями. Такая конструкция непригодна для измерения расхода текучих сред в закрытых каналах и трубопроводах, что является ее основным недостатком.

Из описания к патенту США N 3449954 известен расходомер для трубопроводов большого сечения, по периметру которого распределено несколько датчиков активного давления; каждый из этих датчик представляет собой трапециевидный элемент, выступающий из стенки внутрь трубки на незначительную по сравнению с радиусом трубы высоту; трапециевидный элемент снабжен одним отверстием для регистрации динамического давления в поступающем потоке и отверстием для регистрации давления в мертвой зоне позади элемента. Измерения осуществляются лишь на отдельных участках вблизи стенки, полный профиль скоростей потока установить не удается.

Известны расходомеры с гидравлическим сопротивлением, основанным на зависимости расхода от перепада давления, создаваемого гидравлическим сопротивлением. В качестве последних обычно используют одну или несколько капиллярных трубок (капиллярные расходомеры), а также щелевые каналы (щелевые расходомеры) (Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества.- Л.: Машиностроение, 1989, с. 10-13, 114-117).

Известен щелевой расходомер, измерительный участок которого выполнен в виде щели высотой от сотых до десятых долей миллиметра между двумя параллельными пластинчатыми дисками (Morsi S.A. The Pad and Quadresistor-Two methods of fluid flow measurement / Proc. Justr. Mech/ End., 1976, vol. 190, p. 205). В данной конструкции достигается линейная зависимость между расходом и перепадом давления при ламинарном режиме только чистых беспримесных жидкостей и газов, что является недостатком. Другой недостаток заключается в больших потерях давления при протекании всего потока текучей среды через щелевой зазор.

Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание датчика давления для расходомера, который был бы пригоден для использования на трубопроводах большого поперечного сечения и одновременно был бы лишен перечисленных выше недостатков.

Решение поставленной задачи достигается благодаря тому, что в датчике давления, в соответствии с изобретением, из целого потока выделяется по меньшей мере одна узкая радиальная полоска, проходящая от центра к наружному периметру и протекающая по встроенному радиусному каналу, в котором эта полоска создает перепад давления между двумя точками, расположенными по направлению потока одна за одной; в случае постоянного поперечного сечения радиусного канала - за счет трения, а в случае изменяющегося в продольном направлении поперечного сечения - за счет ускорения и замедления потока. Перепад давления воспринимается на соответствующих штуцерах и его числовое значение определяется при помощи подходящего измерительного прибора, например дифференциального манометра.

Краткое описание фигур чертежей
Изобретение детально поясняется на основании прилагаемых чертежей, на которых представлены:
фиг. 1 - датчик давления с одним радиусным каналом постоянного поперечного сечения в продольном разрезе;
фиг. 2 - разрез по линии 1-1 на фиг. 1;
фиг. 3 - датчик давления с двумя радиусными каналами, переходящими друг в друга на оси корпуса, расположенными в одинаковых плоскостях и имеющими постоянное сечение; продольный разрез;
фиг. 4 - разрез по линии 1-1 на фиг. 3;
фиг. 5 - датчик давления с тремя или четырьмя радиусными каналами постоянного сечения, состыкованными на оси корпуса и переходящими друг в друга, а также равномерно распределенными по периметру; продольный разрез согласно линиям 2-2 на фиг. 6 или 7;
фиг. 6 - разрез по линии 1-1 на фиг. 5 для варианта с четырьмя радиусными каналами;
фиг. 7 - разрез по линии 1-1 на фиг. 5 для варианта с тремя радиусными каналами;
фиг. 8 - датчик давления с двумя радиусными каналами, переходящими друг в друга на оси корпуса, лежащими в одной и той же плоскости и имеющими следующие друг за другом диффузорный и конфузорный участки; продольный разрез;
фиг. 9 - разрез по линии 1-1 на фиг. 8;
фиг. 10 - датчик давления с одним, доходящим до оси корпуса радиусным каналом, который имеет следующие друг за другом диффузорный и конфузорный участки, в продольном разрезе;
фиг. 11 - разрез по линии 1-1 на фиг. 10;
фиг. 12 - датчик давления с радиусным каналом, в котором профилированная полоска наружной стенки образует следующие друг за другом сужение в виде сопла и участок в виде диффузора, в продольном разрезе;
фиг. 13 - разрез по линии 1-1 на фиг. 12;
фиг. 14 - датчик давления с двумя радиусными каналами, переходящими друг в друга на оси корпуса и расположенными в одной и той же плоскости, профилированные полоски наружной стенки которых образуют следующие друг за другом сужение в форме сопла и участок в форме диффузора, в продольном разрезе;
фиг. 15 - разрез по линии 1-1 на фиг. 14;
фиг. 16 - датчик давления с двумя радиусными каналами, которые переходят друг в друга на оси корпуса, располагаются в одной и той же плоскости и наружная граница которых образует следующие друг за другом участки в форме диффузора, конфузора и диффузора в продольном разрезе;
фиг. 17 - разрез по линии 1-1 на фиг. 16;
фиг. 18 - разрез по линии 2-2 на фиг. 16;
фиг. 19 - датчик давления с одним радиусным каналом, внешняя граница которого образует следующие друг за другом участки в виде диффузора, конфузора и снова диффузора, в продольном разрезе;
фиг. 20 - разрез по линии 1-1 на фиг. 19;
фиг. 21 - разрез по линии 2-2 на фиг. 19;
фиг. 22 - датчик давления с радиусным каналом, наружная граница которого образует следующие друг за другом участки в форме сходного диффузора, конфузора и выходного диффузора, причем внутренняя создающая ограничение по высоте поверхность находится на оси корпуса и начинается лишь в сечении, проходящем через горловину между участками конфузора и последующего диффузора, и, начиная отсюда и вверх до движению жидкости, внутренняя ограничивающая высоту поверхность отсутствует;
фиг. 23 - разрез по линии 1-1 на фиг. 22;
фиг. 24 - разрез по линии 2-2 на фиг. 22;
фиг. 25 - датчик давления с двумя радиусными каналами, переходящими друг в друга на оси корпуса и расположенными в одной и той же плоскости, наружная граница которых образует следующие друг за другом участки в форме входного диффузора, конфузора и выходного диффузора, причем в боковых стенках выполнены симметричные вырезы.

фиг. 26 - разрез по линии 1-1 на фиг. 25;
фиг. 27 - разрез по линии 2-2 на фиг. 25;
фиг. 28 - датчик давления с одним радиусным каналом, в котором предусмотрен встроенный элемент для ограничения по высоте, в продольном разрезе;
фиг. 29 - разрез по линии 1-1 на фиг. 28;
фиг. 30 - датчик давления с двумя радиусными каналами, примыкающими друг к другу на оси корпуса и расположенными в одной плоскости, в каналах которых предусмотрены встроенные элементы для ограничения по высоте, в продольном разрезе;
фиг. 31 - разрез по линии 1-1 на фиг. 30;
фиг. 32-43 - продольные или соответственно поперечные разрезы датчиков давления с одним радиусным каналом, в которых предусмотрены встроенные элементы различной конфигурации, создающие ограничение по высоте;
фиг. 44 - датчик давления с двумя радиусными каналами, переходящими друг в друга на оси корпуса и расположенными в одной плоскости, которые вместе имеют массированный встроенный элемент круглой формы, представляющий собой внутреннее ограничение по высоте, продольный разрез;
фиг. 45 - разрез по линии 1-1 на фиг.44;
фиг. 46, 47 - датчик давления, как на фиг. 44, 45, где встроенный элемент представляет собой кольцо;
фиг. 48, 49 - датчик давления, на фиг. 44, 45, где встроенный элемент представляет собой тело обтекания.

Варианты осуществления изобретения
Предлагаемый датчик давления состоит из корпуса (1), который посредством, по крайней мере, одного фланца (2), при использовании уплотняющей прокладки (3), присоединен к фланцу (4) трубопровода (5), подводящего текучую среду, расход которой в единицу времени измеряют. Радиус (г) канала в корпусе служит в качестве характерного линейного размера.

В корпус (1) встроен (например, приварен) примыкающий к торцевой поверхности входного фланца (2) создающий давление элемент (8), который в простейшем случае (фиг. 1,2) состоит из тонкостенного, узкого, открытого сзади и спереди тела, образующего радиусный канал (9) с параллельными боковыми стенками (10). Радиусный канал (9) шириной (δ) и высотой (b), причем в рассматриваемом примере высота (b = r) и равна постоянной величине. Это значит, что создающие ограничение радиусного канала по высоте замыкающие поверхности (12) являются плоскими и простираются в направлении оси.

Создающий давление элемент (8) обладает острыми передними кромками и вырезает из общего потока часть последнего, имеющую прямоугольное сечение и проходящую по радиусу, при этом в рассматриваемом случае эта часть потока не изменяет своего поперечного сечения, то есть протекание не сопровождается ускорением или замедлением.

Наружу от элемента (8), вблизи его передней и задней кромок, выступают два штуцера для отбора давления (6 и 7), к которым подключен подходящий измерительный прибор, в частности, дифференциальный манометр. Возникающая при прохождении текучей среды разность давлений между штуцерами (6 и 7) определяется в рассмотренном выше примере, по существу, только трением между боковыми стенками.

Для лучшего усреднения неравномерности в потоке создающий давление элемент может образовывать несколько радиусных каналов. На (фиг. 3 и 4) представлен вариант, согласно которому образованы два расположенных в одной плоскости радиусных канала, переходящих друг в друга на оси корпуса; поток проходит в плоскости диаметра перпендикулярно сечению корпуса в свету.

На (фиг. 5, 6 и 7) изображены два других варианта исполнения, а именно: на (фиг. 6) представлен вариант создающего давление элемента (8) с четырьмя радиусными каналами (9), которые равномерно распределены по окружности, образуя друг с другом угол в 90^o и переходя друг в друга на оси корпуса (14).

На (фиг. 7) показан вариант с тремя радиусными каналами (9), образующими друг с другом угол в 120^o. Каналы могут располагаться под любым углом друг к другу, однако предпочтительно их распределять равномерно, то есть так, чтобы два смежных (при движении по периферии) канала образовывали между собой угол (α 360^o/n), где n - количество каналов.

Соотношение между шириной (δ) радиусного канала и радиусом (r) составляет (δ/r = 0,05 - 0,0002). Внутренние поверхности боковых стенок (10) располагаются на расстоянии (δ/2) от радиальной плоскости (11).

Для рассмотренных выше вариантов согласно (фиг. 1-7) высота (b) любого радиусного канала является постоянной и равной высоте (b₁) на входе; иными словами частичный поток протекает через создающий давление элемент, не изменяя скорости. В других вариантах выполнения высота радиусного канала (9), при неизменной ширине (δ), изменяется либо снаружи при помощи соответствующего профилированного участка (13) наружной ограничивающей канал поверхности (12), как на (фиг. 8-27), либо при помощи пристеночных встроенных элементов, как на (фиг. 28-43), либо при помощи центральных встроенных элементов, как на (фиг. 44-49). При этом взаимное расположение расходящихся участков-диффузоров, сходящихся участков-сопел и участков входа, выхода и горловин, при постоянном сечении, может быть различным.

На (фиг. 8, 9 и 10, 11) показаны два (или соответственно один) радиусных канала с участком ввода, имеющим постоянное сечение высотой (b₁ = r), высота которого (b) начинает возрастать, что приводит к образованию расширения-диффузора, причем прирост высоты канала создается приваренным к корпусу (1) порожком, а первый штуцер (7) для отбора давления расположен в месте, отвечающем максимальному сечению; далее высота участка ввода уменьшается с переходом в участок-конфузор и затем в участок выхода с (b = r), на котором размещен второй штуцер (6) для отбора давления. Еще один порядок чередования участка-конфузора и участка-диффузора, который создается за счет профилирования наружной границы, представлен на (фиг. 12-15 и 38-43).

На (фиг. 16-27) показаны другие конфигурации каналов, когда первый участок - входной диффузор с (b > b₁) переходит в участок-конфузор, а последний в горловину с (b < b₁ = r), начиная с которой высота канала возвращается к назначению (b₁ = r) радиуса трубопровода, при этом образуется участок -выходной диффузор. Штуцеры (7₁, 7₂) для отбора давления размещены в точках, отвечающих максимальному и минимальному сечениям.

На (фиг. 28-43) представлены варианты, когда изменение высоты радиусного канала или, соответственно, обоих радиусных каналов, расположенных в общей плоскости, достигается благодаря встроенным элементам. На (фиг. 28-31) встроенный элемент (17) в каждом радиусном канале представляет собой сужающий поперечное сечение треугольный дроссельный элемент с острой отрывающей кромкой (18), которая располагается непосредственно перед штуцером (7) для отбора давления, размещенным вниз по течению потока. Возможны также и встроенные элементы (19) с линейно поднимающейся вверх кромкой для набегающего потока, которая переходит в участок постоянной высоты отрывной кромки, или элемент (20) с однократно искривленной кромкой для набегающего потока (фиг. 34), или элемент (21) с дважды искривленной кромкой для набегающего потока (фиг. 36), которая обеспечивает плавное вхождение потока.

На (фиг. 38-43) представлены варианты, когда встроенный элемент не оканчивается острой кромкой отрыва потока, но канал, начиная с образованного им самого узкого места в горловине, где расположен второй штуцер (7) для отбора давления, снова аналогичным образом расширяется до высоты на входе (b=r).

Посредством показанных на (фиг. 44-49) центральных встроенных элементов, очевидно, создается конфигурация конфузора-диффузора из двух радиусных каналов, располагающихся в одной плоскости, причем первые штуцеры (6) для отбора давления располагаются вверх по течению от встроенного элемента в плоскости сечения (25), а вторые штуцеры (7) для отбора давления располагаются в самом узком месте канала в плоскости сечения (26). Элемент (22) представляет собой массивную круглую пластину, элемент (23) - кольцо, а элемент (24) - каплевидное тело обтекания, которое образует два канала, подобно тому, что наблюдается в трубках Вентури.

Длина встроенных элементов (17-24) заключена между (l_max) и (l_min) при
l_max = l_1max + l₂ + l_3max
и
l_min = l_1min + l₂ + l_3min,
где l₂ - протяженность встроенного элемента в продольном направлении;
l_min и l_max - минимальная и соответственно максимальная длина участков стабилизации потоков, расположенных перед и за встроенным элементом, для которых справедливы формулы:

Принцип работы описанного выше датчика давления следующий: поток текучей среды, поступающей из трубопровода (5), протекает через корпус (1), причем большая часть потока обтекает создающий давление элемент (8), не встречая значительного сопротивления.

Существенно меньшая часть потока попадает в один или несколько радиусных каналов и протекает по ним.

В радиусных каналах постоянного сечения (фиг. 1-7) текучая среда течет с постоянной скоростью и из-за трения между боковыми стенками претерпевает потерю давления таким образом, что на участке измерения существует отрицательный градиент давления, то есть имеет место падение давления, которое составляет:

где P₆ и P₇ - давление в штуцерах (6 и 7), a γ -удельный вес текучей среды.

В радиусных каналах, имеющих конфигурацию диффузор-конфузор (b > r, фиг. 8-11) на участке-диффузоре до штуцера (7) поток замедляется и тем самым давление возрастает до максимального значения (P₇) в максимальном сечении канала, на следующем участке-конфузоре течение снова ускоряется, что приводит к падению давления в штуцере (6) до значения (P₆). Этот положительный градиент давления приводит к возникновению разности давлений:

которая в данном случае (b > г) обусловлена также и взаимодействием статического давления с динамическим.

Сказанное выше справедливо и для конфигурации конфузор-диффузор при (b < r) (фиг. 12-15), когда в штуцере (6), расположенном вверх по течению от участков изменения сечения, отбирается максимальное давление, в то время как в имеющем сужение сечении со штуцером (7), возросшая скорость приводит к падению давления до величины (P₇), что позволяет определить разность давлений по формуле:

Для конфигурации диффузор-конфузор-диффузор (фиг. 16-27) в плоскости штуцера (7₁) скорость достигает минимального значения и создается максимальное давление (P_7-1), в то время как из-за ускорения до плоскости штуцера (7₂) там развивается максимальная скорость и создается минимальное давление (P_7-2). Разность давлений рассчитывается по формуле:

В случае размещения в радиусном канале встроенных элементов (фиг. 29-49) между сечением (26), где поток сужен и где расположен штуцер (7) и сечением (25), где через штуцер (6) регистрируется более высокое давление невозмущенного потока, создается разность давлений, рассчитываемая по уравнению:

На основе величин падения давления, возникающего на создающем давление элементе, расход через последний определяют из соотношения:

где - α₁ коэффициент протекания для отдельного радиусного канала;
f - площадь узкого сечения;
g - ускорение силы тяжести.

Имея это соотношение, суммарный расход (Q) через трубопровод находят по уравнению:

где α₂ - поправочный коэффициент, учитывающий возможные различия в скоростях в трубопроводе (5) и в датчике давления;
F - площадь поперечного сечения трубопровода (5) в свету;
F₁ - площадь поперечного сечения на входе отдельного радиусного канала (9), а именно:
F₁= b₁×δ = r×δ.
Если создающий давление элемент состоит из нескольких радиусных каналов (n ≥ 2), для каждого из которых измерено падение давления (ΔP₁, ΔP₂, ΔP_n), то по завершении частичных расчетов определяют среднее падение давления (ΔP_сред), или среднюю разность давлений по уравнению:

Располагая этой величиной, суммарный расход текучей среды через датчик давления рассчитывают для случая (n ≤ 2) по уравнению:

где α₃- коэффициент, учитывающий взаимодействие потоков текучей среды в области перехода нескольких радиусных каналов друг в друга на оси (14) корпуса, причем:
в случае n = 1 α₃ = 1,
в случае n ≥ 2 α₃ ≠ 1.

Учитывая приведенную выше формулу, расход Q текучей среды в трубопроводе (5) для случая (n ≤ 2) рассчитывают по уравнению:

где F₁ - сумма площадей поперечных сечений радиусных каналов на входе (F₁= n×b₁= n×r×δ);
F₂ - площадь поперечного сечения зоны перехода нескольких радиусных каналов на оси (14) датчика давления.

Предлагаемый датчик давления для расходомера позволяет значительно снизить затраты на материалы и изготовление и существенно повысить пропускную способность трубопровода при одновременном уменьшении потерь энергии и повышении точности измерений и надежности измерительной системы, причем сказанное справедливо и для текучих сред, содержащих крупные включения твердых частиц, размеры которых превышают ширину радиусных каналов.

Промышленная применимость
Предлагаемый датчик давления может быть использован в различных газогидравлических системах с каналами любого поперечного сечения с условным диаметром от 10 до 2500 мм для измерения расхода одно- и многофазных текучих сред с твердыми включениями, минимальный размер которых больше характерного размера радиусного канала.

Среди областей применения можно указать:
- водоснабжение, теплогазоснабжение и вентиляция населенных мест и промышленных предприятий;
- газовая и нефтяная промышленность;
- химическая и нефтехимическая промышленность;
- системы транспортировки и распределения жидкого и газообразного топлива в энергетике;
- оросительные системы в сельском хозяйстве;
- технологические газогидравлические системы в пищевой промышленности.

Изобретение может быть использовано для измерения расхода загрязненных текучих сред в трубопроводах большого поперечного сечения. Датчик содержит корпус с фланцем для присоединения к трубопроводу и создающий перепад давления элемент в виде по крайней мере одного щелевидного радиусного канала со штуцерами для отбора давления. Поперечное сечение каждого канала в продольном направлении по течению потока постоянное или изменяется с образованием диффузора и конфузора. В каждый радиусный канал может быть встроен перекрывающий его ширину элемент, сужающий поперечное сечение канала. Изобретение обеспечивает снижение потерь энергии потока и повышение точности измерения в текучих средах, содержащих крупные включения твердых частиц. 8 з.п. ф-лы, 49 ил.

1. Датчик давления для расходомера, предназначенного для измерения расхода текучих сред в закрытых трубопроводах, состоящий из корпуса (1) с фланцем (2) для присоединения к фланцу (4) трубопровода (5) и содержащий создающий давление элемент (8) со штуцерами (6, 7) для отбора давления, отличающийся тем, что указанный элемент (8) закреплен в корпусе (1) и представляет собой по меньшей мере один щелевидный радиусный канал, ширина (δ) которого мала по сравнению с его высотой, боковые параллельные стенки (10) которого расположены симметрично по обе стороны от радиальной плоскости (11) на расстоянии от нее, составляющем половину (δ/2) ширины канала, и который имеет по меньшей мере одну замыкающую поверхность (12), создающую ограничение канала по высоте. 2. Датчик давления по п.1, отличающийся тем, что создающая ограничение по высоте поверхность является плоской, а площадь поперечного сечения радиусного канала постоянна. 3. Датчик давления по п.1, отличающийся тем, что создающая ограничение по высоте поверхность является криволинейной, при этом площадь поперечного сечения радиусного канала изменяется в продольном направлении по течению потока с образованием участка - диффузора и участка - конфузора. 4. Датчик давления по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что содержит несколько равномерно распределенных по объему радиусных каналов, переходящих друг в друга на оси (14) корпуса. 5. Датчик давления по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что соотношение между шириной (δ) каждого радиусного канала и радиусом трубопровода (5) составляет 0,05 - 0,0002. 6. Датчик давления по любому из пп.1 - 5, отличающийся тем, что высота (b₁) радиусных каналов на входе равна радиуса (r) трубопровода (5). 7. Датчик давления по любому из пп.1 - 5, отличающийся тем, что элемент (8) имеет острые передние кромки. 8. Датчик давления по любому из пп.1 - 7, отличающийся тем, что в каждом радиусном канале имеется перекрывающий ширину (δ) канала встроенный элемент, сужающий поперечное сечение. 9. Датчик давления по п.8, отличающийся тем, что длина (l) элементов, вызывающих сужение потока, заключена между значениями l_max и l_min при
l_max = l_1max + l₂ + l_3max
и
l_min = l_1min + l₂ + l_3min,
где l₂ - протяженность встроенного элемента в продольном направлении;
l_1max, l_3max, l_1min, l_3min - максимальная и минимальная длина участков стабилизации потока, расположенных соответственно перед (l₁) и за (l₃) встроенным элементом, причем
l_1min= l_3min= (1-100)δ
и
l_1max= l_3max= (100-1000)δ.