МАССОВЫЙ РАСХОДОМЕР-ПЛОТНОМЕР ЖИДКОСТИ, ПОДАВАЕМОЙ ЦЕНТРОБЕЖНЫМ ЭЛЕКТРОНАСОСОМ Российский патент 2002 года по МПК G01F1/86 

Изобретение относится ко всем областям человеческой деятельности и может быть использовано для измерения массового расхода и плотности жидкости, подаваемой центробежным электронасосом.

Известны массовые расходомеры жидкости, например калориметрический, принцип работы которого основан на нагреве потока жидкости с помощью нагревателя, расход тепла в котором зависит от скорости потока жидкости /П.П. Кремлевский. Расходомеры. Машгиз, 1963/.

Недостатком такого расходомера является то, что в потоке жидкости находится нагреватель и два термочувствительных элемента, что не дает возможности использовать его в взрывоопасных жидкостях и в трубопроводах более или менее большого диаметра, а также при ламинарных потоках движения жидкости, когда скорость потока жидкости по сечению трубопровода различна. По этим причинам такие расходомеры практического применения не нашли.

Известен также массовый расходомер жидкости, в котором сочетается объемный расходомер с плотномером жидкости.

Недостатком такого расходомера является наличие в потоке жидкости измерительных элементов с низкой надежностью их работы. Практического применения они также не нашли.

Известны плотномеры жидкости, например, основанные на взвешивании поплавка, заполненного эталонной жидкостью и погруженного в контролируемую среду, или весовые плотномеры, в которых первичным датчиком является отрезок трубопровода с контролируемой жидкостью.

Известен также радиоизотопный плотномер жидкости ПР-1024, содержащий основной и контрольный источники излучения, приемник излучения и электронный блок. Измерение плотности основано на зависимости степени ослабления потока излучения от плотности контролируемой среды. Известен также резонансный измеритель плотности жидкости АИП-1, который представляет собой колебательную систему, выполненную в виде двойного камертона, который образуется соединенными между собой на концах трубками проточной системы. Частота колебаний определяется плотностью контролируемой жидкости.

Недостатком этих плотномеров является наличие в потоке жидкости измерительных элементов, которые имеют низкую надежность и зависимость от внешних факторов. Поэтому они практического применения не имеют /Автоматические приборы, регуляторы и вычислительные системы. Справочное пособие. Под. Ред. Б.Д. Кашарского. Л.: Машиностроение, 1976/.

Известен массовый расходомер-плотномер жидкости, подаваемой центробежным электронасосом, включающий датчики для измерения давления на приеме и выкиде насоса, датчик для измерения активной мощности, потребляемой электродвигателем привода насоса, и вычислитель с памятью (ЕР, 0674154 A1, G 01 F 1/34, 1995), в котором вычисление расхода и плотности производится по другим алгоритмам.

Недостаток такого расходомера-плотномера состоит в том, что в нем отсутствует зависимость КПД насоса от расхода жидкости, определить которую в процессе измерения невозможно.

Цель изобретения - повышение точности и надежности массового расходомера. Отличие от известных массовых расходомеров состоит в том, что он содержит в памяти вычислителя значения расходной М - Q и напорной Н - Q характеристик насосной установки, ее эксплуатационный кпд η_эк, а также зависимость кпд электродвигателя η_эд от потребляемой активной мощности из сети, при этом вычислитель в дискретном режиме по текущим значениям давления и мощности и данным, находящимся в его памяти, вычисляет плотность и массовый расход по формулам:
N = P_cη_эд; (1)
p=p_в-p_п; (2)


Q_m = Q₀ρ, (5)
где N - действующая на валу насоса мощность, кВт; Р_с - потребляемая электродвигателем привода насоса из сети активная мощность, кВт, полученная непосредственно от датчика активной мощности или расчетным путем по зависимости где U, I - соответственно напряжение и ток; cosϕ - коэффициент мощности электродвигателя при данной токовой нагрузке, р - развиваемое насосом давление, МПа; М - расходный коэффициент, кВт/МПа; А - постоянный для данной насосной установки коэффициент; ρ - плотность жидкости, кг/м³; H - развиваемый насосом напор (м), определяемый по расходному коэффициенту М; Н= f(М); g - ускорение свободного падения, м/с²; Q_м - массовый расход, кг/ч; Q_о - объемный расход (м³/ч), определяемый по расходной характеристике М - Q.

Доказательство существенных отличительных признаков предлагаемого массового расходомера-плотномера жидкости, подаваемой центробежным электронасосом, проводилось только по сравнению с указанными выше.

На фиг. 1 даны характеристики центробежного электронасоса при различной плотности перекачиваемой жидкости.

На фиг.2 дана структурная схема и алгоритм измерения миапссового расходомера-плотномера жидкости, подаваемой центробежным электронасосом.

Центробежный насос представляет собой машину, в которой под действием вращающихся на оси лопастей, приводимых в движение от электродвигателя, осуществляется перемещение жидкости от входа к выходу насоса. Возможность каждой насосной установки определяется рабочими характеристиками, которые представляют собой зависимости создаваемого насосом напора, потребляемой мощности и кпд от их производительности. При отклонении от этих параметров пользоваться рабочими характеристиками в полной мере нельзя. По этим характеристикам нельзя ответить на вопрос о плотности перекачиваемой жидкости и ее массовом расходе. В связи с этим для измерения массового расхода и плотности перекачиваемой жидкости центробежным электронасосом по заявке гос. регистрации 96104446 от 18 марта 1996 было предложено ввести в число паспортных характеристик насосной установки новую - расходную - характеристику М - Q и соответствующий расходный коэффициент М, который отражает разность отношений между результатом деления мощности, действующей на валу насоса, на развиваемое им давление при данной производительности, результатом деления мощности на валу насоса на создаваемое им давление при нулевой производительности в начале рабочей характеристики, когда задвижка на выходе насоса закрыта

где р, р₀ - соответственно текущие значения мощности в кВт и давления в МПа и значения мощности и давления, взятые из рабочей характеристики насоса при нулевой подаче, т. е. в начале рабочей характеристики; М - расходный коэффициент, кВт/МПа.

Характеристика М - Q в графическом виде дана на фиг 1.

Далее по найденному значению расходного коэффициента М по расходной характеристике М - Q определяем действующее значение объемного расхода жидкости, а также значение напора Н в точке, например В (фиг.1), и по найденному значению Н определяем плотность жидкости по формуле

где р - плотность жидкости, кг/м³; р_в - давление на выкиде насоса, МПа; р_п - давление на приеме насоса, МПа; Н - напор, соответствующий данной производительности, м; g - ускорение свободного падения, 9,81 м/с².

По найденному значению плотности и объемного расхода находим массовый расход по формуле
Q_m = Q₀ρ10^-3 (т/ч), (14)
где Q₀•Q_m - соответственно объемная и массовая производительность насоса м³/ч и т/ч; ρ - плотность жидкости, кг/м³.

На фиг. 1 дана характеристика насоса и пример определения плотности перекачиваемой жидкости.

Для определения этих параметров необходимо провести следующие измерения и вычисления.

Определить периодически вычисляемый эксплуатационный коэффициент насосной установки, который характеризует отклонение его паспортных характеристик от действующих.

Для этого насос включается на короткое время на закрытую задвижку на выходе насоса и вычисляются значения мощности, действующей на валу насоса, и давление развиваемое насосом.

Эти значения находят следующим образом.

Измеряется активная мощность, потребляемая приводным электродвигателем из сети непосредственно датчиком мощности или через ток, напряжение и cosϕ

где Р_ос - активная мощность,потребляемая электродвигателем привода из сети, кВт;
I_o - ток, потребляемый из сети, А; U_o - линейное напряжение, действующее в сети, В; cosϕ₀ - коэффициент мощности электродвигателя.

Из рабочей характеристики электродвигателя по полученному значению мощности находится его кпд - η_оэд.

Вычисляется мощность, действующая на валу насоса
N₀ = P_осη_оэд. (16)
Измеряются давления на приеме р_n и выходе р_в насоса
Вычисляется давление р, развиваемое насосом
p_о=p_ов-p_оп, МПа. (17)
Открывается задвижка на выходе насоса и он выводится на рабочий режим.

При рабочем режиме процесс измерения мощности и давлений повторяется аналогичным образом как и при закрытой задвижке.

При этом получаем значения N и р.

По полученным данным определяем эксплуатационный коэффициент насосной установки по формуле

Вычисляем мощность, действующую на валу насоса, которая соответствует его рабочей характеристике по формуле
N = Pη_эд. (19)
Вычисляем расходный коэффициент М

или

где N_o, р_o - мощность и давления, взятые из рабочей характеристики насоса при его работе на закрытую задвижку.

По паспортным характеристикам насоса и действительной расходной характеристике M-Q при известном значении расходного коэффициента М находим значение объемного расхода Q_o, точка С - значение напора H на напорной характеристике, точка В и по формуле 2, 3, 4 находим плотность жидкости и массовый расход.

Рассмотренный массовый расходомер-плотномер жидкости в силу своей простоты и отсутствия необходимости иметь первичные датчики, связанные с потоком измеряемой жидкости, найдет самое широкое внедрение как на рабочих насосных установках, так и специальных малогабаритных, которые могут самостоятельно подключаться через байпасные соединения в любой точке рабочего трубопровода.

Расходомер содержит датчики для измерения давления на приеме и выкиде насоса и датчик для измерения активной мощности, потребляемой электродвигателем привода, соединенные с вычислителем. В памяти вычислителя содержатся значения расходной и напорной характеристик насосной установки, ее эксплуатационный кпд и зависимость кпд электродвигателя от потребляемой активной мощности из сети. По текущим значениям давления и мощности и данным, находящимся в его памяти, вычислитель реализует приводимый алгоритм расчета массового расхода и плотности. Изобретение обеспечивает повышение точности вычисления, а также имеет высокую надежность из-за отсутствия первичных датчиков в потоке измеряемой жидкости. 2 ил.

Массовый расходомер-плотномер жидкости, подаваемой центробежным электронасосом, включающий датчики для измерения давления на приеме и выкиде насоса и датчик для измерения активной мощности, потребляемой электродвигателем привода, соединенные с вычислителем, отличающийся тем, что он содержит в памяти вычислителя значения расходной М - Q и напорной Н - Q характеристик насосной установки, ее эксплуатационный кпд η_эк, а также зависимость кпд электродвигателя η_эд от потребляемой активной мощности из сети, при этом вычислитель в дискретном режиме по текущим значениям давления и мощности и данным, находящимся в его памяти, вычисляет плотность и массовый расход по формулам
N = P_cη_эдη_эк; (1)
p= p_в-p_n; (2)


Q_m = Q₀ρ, (5),
где N - действующая на валу насоса мощность, кВт;
Р_c - потребляемая электродвигателем привода насоса из сети активная мощность (кВт), полученная непосредственно от датчика активной мощности или расчетным путем по зависимости

где U, I - соответственно напряжение и ток, cosϕ - коэффициент мощности электродвигателя при данной токовой нагрузке;
р - развиваемое насосом давление, МПа;
М - расходный коэффициент, кВт/МПа;
А - постоянный для данной насосной установки коэффициент;
ρ - плотность жидкости, кг/м³;
Н - развиваемый насосом напор (м), определяемый по расходному коэффициенту М: Н= f (М);
g - ускорение свободного падения, м/с²;
Q_м-массовый расход, кг/ч;
Q_o- объемный расход, м³/ч, определяемый по расходной характеристике M-Q.