ИЗМЕРИТЕЛЬ РАСХОДА ГАЗА "СТРУЯ" Российский патент 2002 года по МПК G01F1/42 

Изобретение относится к области измерения объема или массы газов путем пропускания их через измерительные устройства непрерывным потоком, а более конкретно - к измерению расхода газа, транспортируемого по газопроводам различного назначения, включая магистральные.

Известна конструкция измерителя расхода газа, включающая мерную диафрагму, корпус для ее установки и подсоединения к трубопроводу, а также установки датчиков измерения давления до и после диафрагмы [1].

Недостатком данной конструкции является то, что за диафрагмой площадь поперечного сечения струи потока сначала уменьшается, поэтому измеренный перепад давления относится именно к этой площади, а не к площади отверстия диафрагмы. Это требует введения поправки к измеренному таким образом потоку - так называемого "коэффициента расхода", и чтобы его стабилизировать, выполняют входную кромку диафрагмы как можно более острой. Однако со временем, а также при наличии в потоке газа твердых частиц эта кромка притупляется, что резко снижает точность замера за счет срыва потока и усиления турбулентных явлений. Турбулентные явления могут быть также усилены наличием колен или иных препятствий в трубопроводе до и после диафрагмы. Вследствие этого для измерителя расхода газа, содержащего мерную диафрагму, при установке на трубопровод необходимо наличие прямолинейных участков длиной 50-100 диаметров трубопровода до и после мерной диафрагмы. Ввиду низкой эрозионной стойкости происходит сравнительно быстрый износ диафрагм, что требует их частой замены и, как следствие, высоких эксплуатационных расходов.

Известна конструкция измерителя расхода газа, выполненная в виде трубки Вентури, включающая последовательно и соосно расположенные цилиндрическую часть, сопло, цилиндрический патрубок, коническую насадку, а также датчики давления, установленные на цилиндрической насадке перед соплом и на цилиндрическом патрубке после сопла [2].

Недостатком известной конструкции измерителя расхода газа является то, что датчик, установленный перед соплом, измеряет давление проходящего через трубопровод макротурбулентного (то есть такого, размеры вихря в котором сравнимы с диаметром трубопровода) потока, и, чтобы сделать конструкцию приемлемой для замера, линейная длина трубопровода перед датчиком должна быть не менее 24 диаметров трубопровода. Второй датчик давления, установленный на цилиндрическом патрубке, находится в зоне кольцевого "прилипшего" слоя, который неизбежно возникает при прохождении потока вблизи неподвижной поверхности и который искажает формы и размеры сечения измерительного участка, что снижает точность измерения. Измерения разности давлений в разных частях макротурбулентных потоков дает величину, не являющуюся среднестатистическим перепадом давления, поскольку в макротурбулентном потоке в объемах, сравнимых с диаметром вихря (то есть в тех размерах, в которых турбулентный поток носит характер случайного нестационарного процесса на интервале наблюдения), не существует статистически достоверных средних величин. Такое измерение порождает случайный нестационарный характер измеренного перепада давления, что в свою очередь порождает недостоверную оценку величины расхода.

Наиболее близким аналогом изобретения является измеритель расхода газа, включающий соосно и последовательно соединенные цилиндрическую часть с перфорацией в виде продольных щелевых двухступенчатых пазов и с внутренним радиусом R, равным внутреннему радиусу соединенного с ним трубопровода, сужающееся сопло с криволинейной образующей поверхности относительно общей продольной оси х с внутренним радиусом R на входе и внутренним радиусом r на выходе, цилиндрический патрубок с перфорацией в виде продольных щелевых двухступенчатых пазов, коническую насадку, кольцевые камеры с датчиками для замера высокого и низкого давлений, размещенные коаксиально с охватом перфорированных кольцевых участков относительно цилиндрической части и цилиндрического патрубка, сообщающиеся посредством продольных щелевых двухступенчатых пазов с их внутренними полостями [3].

Недостатком этой конструкции является то, что подготовка потока при поступлении его в полость цилиндрического патрубка на участок для замера низкого давления происходит в одноступенчатом сужающемся сопле и степень подавления турбулентных возмущений потока определяется линейным размером сопла, так как осуществляется путем постепенно нарастающего сжатия микроструй потока. Кроме того, одноступенчатые сопла не оптимальны относительно главной цели применения сопла в задачах расходометрии, а именно такие сопла не обеспечивают строгую параллельность микроструй потока продольной оси измерителя, что влечет за собой появление в потоке паразитных вихревых возмущений, ухудшающих точность измерения.

Техническим результатом от использования является устранение указанных выше недостатков, снижение веса и стоимости при повышении точности измерений.

Это достигается тем, что измеритель расхода газа, включающий входную цилиндрическую часть с внутренним радиусом R, равным внутреннему радиусу соединенного с ним трубопровода, и с перфорацией в виде продольных щелевых двухступенчатых пазов, сопло с внутренним радиусом R на входе и внутренним радиусом r на выходе, цилиндрический патрубок с перфорацией в виде продольных щелевых двухступенчатых пазов и коническую насадку, соединенные последовательно относительно продольной оси х, а также кольцевые камеры с датчиками для замера высокого и низкого давления, размещенные коаксиально входной цилиндрической части и цилиндрическому патрубку и сообщающиеся с их внутренними полостями посредством перфорации, отличается тем, что сопло выполнено двухступенчатым, разделенным точкой перегиба на криволинейной образующей поверхности сопла на выпуклую часть криволинейной образующей, определяющую профиль первой ступени сопла, и вогнутую часть криволинейной образующей, определяющую профиль второй ступени сопла, при этом уменьшение внутреннего радиуса R сопла по оси у в плоскости, нормальной к оси х, от входного отверстия до точки перегиба (0 ≤ х ≤x_i) выражено функциональной зависимостью
Y(x) = y(x_o)+a_y(x_i/π)((x_i/π)sin(πx/x_i)-x),
а от точки перегиба до выходного отверстия (x_i≤х≤х₁) функциональной зависимостью

где
х_i - значение абсциссы, при которой образующая сопла у(х) имеет точку перегиба,
х₁ - длина L сопла,
у(x₀) - радиус R входного сечения сопла,
у(x₁) - радиус r выходного сечения сопла.

На фиг. 1 показан в разрезе подсоединенный к трубопроводу 1 измеритель расхода газа. На фиг.2 показана в системе координат ХУ криволинейная образующая внутренней поверхности сопла.

Измеритель расхода газа установлен в магистральном трубопроводе и содержит входную цилиндрическую часть 2 со струе-выпрямителем 3 на входе, кольцевую камеру 4 с датчиком для замера высокого давления 5, перфорацию в виде продольных двухступенчатых щелевых пазов 6, двухступенчатое сопло 7, разделенное точкой перегиба на криволинейной образующей поверхности сопла на выпуклую часть криволинейной образующей, определяющую профиль поверхности первой ступени 8 сопла, и вогнутую часть криволинейной образующей, определяющую профиль второй ступени 9 сопла, цилиндрический патрубок 10 с двухступенчатой внутренней полостью, с перфорацией в виде продольных щелевых пазов 11, сообщающейся с кольцевой камерой 12, снабженной датчиком для замера низкого давления 13, коническую насадку 14, а также штуцера для промывки 15, 16.

Измеритель расхода газа "Струя" работает следующим образом.

Исходный турбулентный поток из магистрального трубопровода 1 перед входной цилиндрической частью 2 разбивается струевыпрямителем 3 на множество мелких вихревых струй (микроструй), турбулентность которых уже ослаблена за счет расщепления общего вихря потока и трения на границах микроструй, вызывающих потерю энергии турбулентности. Во входную цилиндрическую часть 2 поступает поток с резко пониженной турбулентностью, и через перфорацию 6, выполненную в виде продольных двухступенчатых пазов, камеру 4, в которой установлен датчик для замера высокого давления 5, поступает достоверное значение высокой компоненты давления. Далее поток поступает в двухступенчатое сопло 7, разделенное точкой перегиба на его криволинейной образующей на первую ступень 8 с выпуклой частью криволинейной образующей сопла, где происходит дальнейшее снижение турбулентности путем плавного сжимания микроструй потока, и вторую ступень 9 с вогнутой частью криволинейной образующей сопла, где происходит форсированное сжатие потока, обеспечивающее повышение потерь энергии макротурбулентности в общем потоке и повышение числа Рейнольдса Re в сжимающихся микроструях, и формирование потока строго параллельно продольной оси расходомера при поступлении его во внутреннюю полость цилиндрического патрубка 10, выполненную с перфорацией 11, через которую в коаксиально размещенную относительно цилиндрического патрубка кольцевую камеру 12 с датчиком для замера низкого давления 13 поступает достоверное низкое давление, после чего поток поступает в коническую насадку 14. Форма криволинейной поверхности сопла выбрана на основе экспериментально-расчетных исследований, проведенных на аэродинамических трубах.

Предлагаемый измеритель расхода газа позволяет на 15-20% снизить погрешности измерений, в 2-3 раза расширить диапазон измерений по величине расхода и снизить вес приблизительно на 10% по сравнению с прототипом.

Источники информации
1. Измеритель расхода газа фирмы ISA Control LTD, информационный листок FSD/4, выпуск 1, 1994 г.

2. Измеритель расхода газа фирмы ISA Control, информационный листок FSD/9, выпуск 2, 1994 г.

3. Измеритель расхода газа "Струя". Решение по заявке 2001111072 от 26.02.2002 с приоритетом от 22.05.2000 г.

Устройство установлено в магистральном трубопроводе и содержит последовательно соединенные входную цилиндрическую часть, сопло, цилиндрический патрубок и коническую насадку. Коаксиально входной части и патрубку размещены камеры с датчиками замера высокого и низкого давления, сообщающиеся с их внутренними полостями посредством щелевой перфорации. Сопло выполнено двухступенчатым и разделено точкой перегиба своей криволинейной образующей на выпуклую и вогнутую части, определяющие профиль ступеней сопла. Образующая сопла имеет форму, охарактеризованную определенным математическим выражением. Изобретение обеспечивает повышение точности измерения за счет подавления турбулентных возмущений потока при одновременном снижении веса за счет сокращения линейного размера сопла. 2 ил.

Измеритель расхода газа, включающий входную цилиндрическую часть с внутренним радиусом R, равным внутреннему радиусу соединенного с ним трубопровода, и с перфорацией в виде продольных щелевых двухступенчатых пазов, сопло с внутренним радиусом R на входе и внутренним радиусом r на выходе, цилиндрический патрубок с перфорацией в виде продольных щелевых двухступенчатых пазов и коническую насадку, соединенные последовательно относительно продольной оси х, а также кольцевые камеры с датчиками для замера высокого и низкого давлений, размещенные коаксиально входной цилиндрической части и цилиндрическому патрубку и сообщающиеся с их внутренними полостями посредством перфорации, отличающийся тем, что сопло выполнено двухступенчатым, разделенным точкой перегиба на криволинейной образующей поверхности сопла на выпуклую часть криволинейной образующей, определяющую профиль первой ступени сопла, и вогнутую часть криволинейной образующей, определяющую профиль второй ступени сопла, при этом уменьшение внутреннего радиуса сопла R по оси у в плоскости, нормальной к оси х, от входного отверстия до точки перегиба (0≤x≤х_i) выражено функциональной зависимостью
y(x) = y(x_o)+a_y(x_i/π)((x_i/π)sin(πx/x_i)-x),
а от точки перегиба до выходного отверстия (xi<х≤х_i) - функциональной зависимостью

х_i - значение абсциссы, при которой образующая сопла у(х) имеет точку перегиба,
х₁ - длина L сопла,
у(x₀) - радиус R входного сечения сопла,
у(x₁) - радиус r выходного сечения сопла.