СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ЖИДКОСТИ Российский патент 2001 года по МПК G01F1/20 

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности измерения расхода жидкостей.

Известен ряд способов измерения расхода жидкости, основанных на определении либо перепада давления на местном гидравлическом сопротивлении (сопла, диафрагмы), либо перемещения деталей расходомерного устройства, помещенных в поток жидкости (турборасходомеры, ротаметры и т.п.) [1].

В [1] описаны и некоторые типы так называемых струйных расходомеров - вихревые расходомеры с осциллирующей струей, расходомеры ударно-струйные и расходомеры с отклонением вытекающей струи.

Известен также струйный расходомер [2], в котором вытекающая из сопла струя жидкости, встречая на своем пути профилированную преграду, изменяет направление на обратное, причем взаимодействие прямого и обратного потоков приводит к возбуждению колебаний струи, о котором можно судить по колебаниям давления в окрестности сопла. Взаимодействие струй происходит в замкнутой, полностью заполненной жидкостью камере. Частота колебаний давления линейно зависит от расхода жидкости в струе.

Этот расходомер может быть рассмотрен в качестве ближайшего аналога, поскольку целью настоящего изобретения также является получение сведений о величине расхода жидкости в струе на основе измерения периода ее колебаний и использования математической зависимости, связывающей этот период с величиной расхода.

В отличие от [2] в предлагаемом способе измерения расхода формируется свободная струя жидкости, совершающая колебания, которые могут быть зарегистрированы любым известным способом, например фотоэлементом или видеоаппаратурой. Предлагаемый способ можно осуществить для измерений в заданном диапазоне расходов жидкости и, в частности, при ее малых расходах.

Указанная цель достигается тем, что из плоского прямоугольного основания, по длинным сторонам которого устанавливают вертикальные стенки, выпускают вертикально вверх струю жидкости, ее начальное сечение формируют в виде прямоугольника, длинная сторона которого равна расстоянию между указанными стенками, а отношение сторон лежит в пределах 0.02-0.4. При этом за счет жидкости, поступающей из струи и растекающейся вдоль основания к его концам, начальное сечение струи оказывается затопленным слоем жидкости со свободной поверхностью. Участки основания по обе стороны насадка выполняют протяженностью не менее 50 ширин начального сечения струи, что обеспечивает падение струи в пределах этого же основания. Далее измеряют период наблюдаемых автоколебаний струи t и, если t лежит в диапазоне 10•g^-1/2•d^1/2≅t≅30• g^-1/2•d^1/2, то расход жидкости Q находят по формуле
Q=0.21•g•d•s•t,
а если в диапазоне 30•g^-1/2•d^1/2< t ≅ 60•g^-1/2•d^1/2, то по формуле
Q=0.04•g^5/4•d^3/4•s•t^3/2.

В этих формулах: g - ускорение силы тяжести, d и s - соответственно ширина и длина начального сечения струи.

Нужный диапазон величин измеряемых расходов всегда может быть обеспечен за счет выбора соответствующих размеров d и s.

Приведенные формулы для определения величины расхода жидкости по измеренным значениям периода автоколебаний струи и диапазоны применимости этих формул получены на основании работы [3], в которой содержится подробный анализ, теоретическое обоснование, а также результаты экспериментального определения периода автоколебаний струи при различных условиях ее формирования.

Механизм возникновения автоколебаний струи состоит в следующем. При подаче струи жидкости и проходе ее через слой затопления над поверхностью жидкости формируется свободная струя. Когда под действием силы тяжести эта струя падает на поверхность жидкости, образуется волна сжатия, которая, распространяясь по слою жидкости со скоростью звука в данной жидкости, достигает затопленного участка струи и сообщает струе импульс давления, отклоняющий ее в противоположную сторону. При новом падении струи возникающая опять волна сжатия отклоняет струю в прежнюю сторону и процесс повторяется.

Пример осуществления способа изображен на схеме.

Из источника (не показан) жидкость подают по трубопроводу 1, заканчивающемуся насадком 2, формирующим вертикальную струю с шириной начального сечения d, который располагают в основании 3 между вертикальными стенками 4. По истечении некоторого времени, определяемого разностью расходов подаваемой и стекающей с основания жидкости, начальный участок струи оказывается затопленным, т. е. погруженным под поверхность жидкости, и возникает режим регулярных колебаний свободной струи 5, период которых и подлежит регистрации. Жидкость, стекающая с концов основания, попадает в сборник 6 и далее продолжает движение к потребителю по трубопроводу 7. Для случаев измерения расходов жидкости в напорных трубопроводах схема может быть дополнена герметичным прочным корпусом 8.

Источники информации
1. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества, Л., "Машиностроение", 1989.

2. Авторское свидетельство СССР N 1295230, кл. G 01 F 1/20, 1987 (прототип).

3. Карликов В. П., Трушина О.В. Об автоколебательных режимах истечения плоских струй жидкости из-под свободной поверхности. Труды МИАН им. Стеклова "Современные методы механики сплошных сред", М., т. 223, "Наука", 1998.

Из насадка, размещенного в основании, по длинным сторонам которого установлены вертикальные стенки, выпускают вертикально вверх струю жидкости. Длина прямоугольного выходного сечения насадка равна расстоянию между вертикальными стенками, а отношение сторон сечения составляет 0,02 - 0,04. После затопления начального сечения струи поступающей из нее жидкостью, растекающейся вдоль основания к его концам, с помощью фотоэлемента или видеоаппаратуры измеряют период возникающих автоколебаний свободной плоской струи. В зависимости от величины периода по приводимым расчетным зависимостям определяют расход. Изобретение обеспечивает расширение диапазона измерений в сторону малых расходов. 1 ил.

Способ измерения расхода жидкости, заключающийся в формировании струи жидкости с помощью насадка, размещенного в основании, по длинным сторонам которого устанавливаются вертикальные стенки, затоплении начального сечения струи и определении периода возникающих автоколебаний струи, отличающийся тем, что струю жидкости выпускают вертикально вверх, при этом ее начальное сечение формируют в виде прямоугольника, длинная сторона которого равна расстоянию между указанными стенками, а отношение сторон лежит в пределах 0,02 - 0,4, участки основания по обе стороны начального сечения струи, поступающая из которой жидкость растекается вдоль основания к его концам, выполняют с протяженностью не менее 50 ширин указанного сечения и, если период возникающих автоколебаний струи лежит в диапазоне 10•g^-1/2•d^1/2≅t≅30•g^-1/2•d^1/2,
то расход жидкости находят по формуле
Q = 0,21•g•d•s•t,
а если в диапазоне 30•g^-1/2•d^1/2<t≅60•g^-1/2•d^1/2, то по формуле
Q = 0,04•g^5/4•d^3/4•s•t^3/2,
где Q - расход жидкости;
g - ускорение силы тяжести;
d - ширина начального сечения струи;
s - длина начального сечения струи;
t - период колебаний струи.