КАЛОРИМЕТРИЧЕСКИЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА Российский патент 2002 года по МПК G01F1/68 

Изобретение относится к определению расходов жидкостей или газов в трубопроводах и может быть использовано для определения расходов в системах централизованного водяного отопления, кондиционирования, горячего и бытового водоснабжения, в нефтегазовой промышленности, при различных лабораторных исследованиях и во многих других случаях.

Известен калориметрический способ измерения расхода, основанный на нагреве измеряемого потока в трубопроводе и определении эффекта этого нагрева, зависящего от расхода. В этом способе измеряемый расход находят из уравнения температурного баланса, составленного для нагревателя и измеряемого потока (Азимов Р.К. и др. Теплообменные измерительные преобразователи, ФАН, 1974, с.29-32).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является калориметрический способ измерения расхода, основанный на локальном электронагреве участка трубопровода, обдуваемого дополнительным потоком воздуха через кожух, окружающий участок, с измерениями мощности электронагревателя и изменения температуры охлаждаемого воздуха от входа в кожух до выхода из него, а также с измерениями изменения температуры жидкости или газа внутри трубы от входа до выхода из рассматриваемого участка, что позволяет составить уравнение температурного баланса для потоков теплоты от электронагревателя в дополнительный поток воздуха и в измеряемый поток и найти расход жидкости или газа измеряемого потока (Авторское свидетельство 883658 G 01 F 1/68, заявлено 21.03.80 г.).

Недостатком известного способа является сложность организации обдува воздухом с постоянным расходом электрообогреваемого участка трубопровода, низкая точность измерения перепада температур этого воздуха и его расхода.

Неизбежны погрешности измерения мощности электронагревателя, сложность конструктивного устройства с развитой аппаратурой.

Эти недостатки, связанные с измерением большого числа параметров, с неизбежными погрешностями не позволяют получить достаточной точности и достоверности определения расхода через трубопровод. Кроме того, сложное само по себе устройство требует применения вентиляторов или насосов для продувки воздуха через кожух с измерением его расхода, а достаточную теплоизоляцию кожуха сложно обеспечить, утечками же теплоты через него авторы необоснованно пренебрегают.

Задачей изобретения является повышение достоверности результатов измерений и повышение точности измерения расхода жидкости или газа через трубопровод.

Поставленная задача решается тем, что в калориметрическом способе измерения расхода, основанном на том, что осуществляют температурное воздействие на измеряемый поток, измеряют разность температур потока на измерительном участке трубопровода и судят о величине расхода по замеренным параметрам, причем температурное воздействие на измеряемый поток осуществляют путем присоединения к измерительному участку трубопровода емкости с рабочим льдом, на наружной поверхности которой размещают теплобарьерный лед, измеряют массу жидкости при таянии рабочего льда в емкости, время, затраченное на таяние рабочего льда и разность температур измеряемого потока перед и после присоединения емкости с рабочим льдом на установившемся режиме температурного воздействия и определяют расход измеряемого потока по формуле

где τ - контролируемое время таяния льда на установившемся режиме воздействия рабочего льда на измеряемый поток (с);
r - удельная теплота таяния льда (Дж/кг);
М_л - масса жидкости при таянии рабочего льда за время τ на установившемся режиме воздействия рабочего льда на измеряемый поток (кг);
t₁ и t₂ - температуры измеряемого потока без воздействия и при воздействии рабочего льда на измеряемый поток на установившемся режиме (К);
С - теплоемкость измеряемого потока (Дж/кг•К).

На фиг. 1 изображено устройство для осуществления способа; на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1.

Устройство для осуществления способа содержит измерительный участок трубопровода 1, охваченный гибкой двухполостной емкостью 2. В полости 3, соприкасающейся с трубопроводом, размещен рабочий лед, а в полости 4 - термобарьерный лед. В качестве термочувствительной массы использован лед 5. Полость 3 имеет в нижней части штуцер 6 для стекания жидкости при таянии льда 5 в мерную емкость 7 и суфлер 8 для замещения воздухом стекающей жидкости в верхней части. Измеритель температуры 9 установлен на измерительном участке трубопровода 1 после двухполостной емкости 2.

Способ осуществляется следующим образом. Измеряемый поток пропускают через измерительный участок трубопровода 1 и контролируют его температуру измерителем температуры 9. Осуществляют температурное воздействие на измеряемый поток в измерительном участке трубопровода 1 путем охватывания двухполостной емкостью 2. При этом в качестве термочувствительной массы, размещенной в полости 3, соприкасающейся с трубопроводом 1, и термочувствительной массы, размещенной в полости 4, ограждающей полость 3 от окружающей среды, используют лед 5.

При соприкосновении стенки полости 3, заполненной льдом 5, с трубопроводом 1 начнется процесс передачи теплоты от измеряемого потока льду 5, и его таяние с вытеканием образовавшейся жидкости через штуцер 6, а изменение температуры измеряемого потока будет фиксироваться измерителем температуры 9 вплоть до достижения установившегося процесса и стабилизации количества растаявшего льда за единицу времени. Теплобарьерный лед в полости 4 за счет теплоты окружающей среды исключает теплообмен льда в полости 3 с окружающей средой, обеспечивая тем самым температурное воздействие рабочего льда 5 в полости 3 только на измеряемый поток. Объем вытекающей жидкости из полости 3 компенсируется входом воздуха через суфлер 8. После достижения установившегося процесса, контролируемого прекращением изменения температуры по измерителю температуры 9, жидкость, стекающая из штуцера 6, собирается в измерительную емкость 7 (колбу, мензурку и т.д.) с одновременной фиксацией времени начала сбора жидкости. Момент окончания сбора жидкости также фиксируется по времени.

По мере окончания замеров и снятия гибкой двухполостной емкости 2 с трубопровода 1 после установления стабильного состояния в нем исходная температура измеряемого потока может контролироваться дополнительно.

Количество теплоты Q, отводимое от измеряемого потока к рабочему льду за время, определяется по формуле
Q=GC(t₁-t₂)τ (1)
где G - расход измеряемого потока (кг/с);
С - теплоемкость измеряемого потока (Дж/кг • К);
t₁ и t₂ - температуры измеряемого потока без воздействия и при воздействии рабочего льда при установившемся режиме температурного воздействия на измеряемый поток (К);
τ - контролируемое время таяния рабочего льда на установившемся режиме воздействия рабочего льда на измеряемый поток (c).

Количество теплоты, подводимой к рабочему льду, определяется по формуле
Q=rM_л, (2)
где М_л - масса жидкости при таянии рабочего льда за время τ на установившемся режиме воздействия рабочего льда на измеряемый поток (кг);
r - удельная теплота таяния льда (Дж/кг).

Равенство правых частей уравнений (1) и (2) представляет собой уравнение температурного баланса, из которого получается формула для расчета расхода измеряемого потока

Как видно из формулы (3), для определения расхода измеряемого потока при известных теплофизических свойствах льда (удельная теплота таяния льда r) и измеряемого потока (теплоемкость С) достаточно замерять изменение температуры измеряемого потока от t₁ перед воздействием рабочим льдом до t₂ после воздействия одним и тем же измерителем температуры и массу растаявшего льда М_л за контролируемое время.

Преимущество предлагаемого способа заключается в том, что повышается точность определения расхода потока за счет сведения к минимуму числа измеряемых параметров и приборов для их замеров и за счет повышения точности измерения результата температурного воздействия путем сбора жидкости при таянии рабочего льда в мензурки или колбы, а также за счет уменьшения погрешности измерений разности температур (t₁-t₂), т.к. t₁ и t₂ измеряются одним и тем же термометром с одной установки, время же τ может быть определено обычным секундомером с точностью до долей секунды.

Изобретение относится к определению расходов жидкостей или газов в трубопроводах и может быть использовано для определения расходов в системах централизованного водяного отопления, кондиционирования, горячего и бытового водоснабжения, в нефтегазовой промышленности, при различных лабораторных исследованиях и во многих других случаях. В калориметрическом способе измерения расхода, основанном на температурном воздействии на измеряемый поток, контроле изменения температуры измеряемого потока на измерительном участке трубопровода и определении по разности температур величины расхода, температурное воздействие осуществляют путем присоединения льда к участку трубопровода с измеряемым потоком, измеряют массу жидкости при таянии льда, время, затраченное на таяние льда и разность температур измеряемого потока до и после присоединения емкости со льдом на установившемся режиме теплового воздействия, и определяют расход измеряемого потока по формуле где τ - контролируемое время таяния рабочего льда на установившемся режиме воздействия рабочего льда на измеряемый поток (с); r - удельная теплота таяния льда (Дж/кг); М_л - масса жидкости при таянии льда за время τ на установившемся режиме воздействия рабочего льда на измеряемый поток (кг); t₁ и t₂ - температура измеряемого потока без воздействия и при воздействии рабочего льда на измеряемый поток на установившемся режиме (К); С - теплоемкость измеряемого потока (Дж/кг•К), при этом на наружной поверхности емкости со льдом размещают теплобарьерный лед. Техническим результатом является повышение достоверности результатов измерений и повышение точности измерения расхода жидкости или газа через трубопровод. 2 ил.

Калориметрический способ измерения расхода, основанный на том, что осуществляют температурное воздействие на измеряемый поток, измеряют разность температур потока на измерительном участке трубопровода и судят о величине расхода потока по замеренным параметрам, отличающийся тем, что температурное воздействие на измеряемый поток осуществляют путем присоединения к измерительному участку трубопровода емкости с рабочим льдом, на наружной поверхности которой размещают теплобарьерный лед, измеряют массу жидкости при таянии рабочего льда, время, затраченное на таяние рабочего льда и разность температур измеряемого потока до и после присоединения емкости с рабочим льдом на установившемся режиме температурного воздействия и определяют расход измеряемого потока по формуле:

где τ - контролируемое время таяния рабочего льда на установившемся режиме воздействия рабочего льда на измеряемый поток (с);
r - удельная теплота таяния льда (Дж/кг);
М_л - масса жидкости при таянии льда за время τ на установившемся режиме воздействия рабочего льда на измеряемый поток (кг);
t₁ и t₂ - температура измеряемого потока без воздействия и при воздействии рабочего льда на измеряемый поток на установившемся режиме (К);
С - теплоемкость измеряемого потока (Дж/кг•К).