ДАТЧИК ТАХОМЕТРИЧЕСКОГО ШАРИКОВОГО РАСХОДОМЕРА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2003 года по МПК G01F1/05 G01F1/10 

Изобретения относятся к приборостроению, а именно к устройствам для измерения расходов жидкостей и газов в химической, нефтяной, нефтеперерабатывающей промышленности и т.д., а также в ядерной энергетике и медицине.

Известен тахометрический шариковый расходомер, содержащий корпус с цилиндрическим проточным каналом и кольцевой непроточной вихревой камерой, в которой свободно размещен чувствительный элемент в виде шара, коаксиально установленную в канале и консольно закрепленную перед вихревой камерой втулку с завихрителем на заднем ее торце, образующую за вихревой камерой кольцевую щель с корпусом, сообщающую вихревую камеру с проточным каналом, и узел съема сигнала, причем втулка выполнена с кольцевым каналом, сообщающим полость входного патрубка с завихрителем (cм. авторское свидетельство СССР N 621961, МПК G 01 F 1/05, 17.05.77).

В указанном расходомере часть контролируемого потока поступает по кольцевому каналу к завихрителю, а другая (основная) часть потока свободно, минуя завихритель, проходит по центральному каналу. Течение в узком кольцевом канале не является автомодельным во всем диапазоне измеряемых расходов, что обуславливает узкий диапазон с линейной характеристикой. Расходомеру присуща также существенная дополнительная погрешность при измерении вязкой измеряемой жидкости.

Известен также тахометрический шариковый расходомер, содержащий цилиндрический корпус, в полости которого размещены конфузор с цилиндрическим выходным участком с лопатками завихрителя; кольцевая камера чувствительного элемента в виде шара, сообщающаяся с полостью корпуса при помощи кольцевой щели; кольцеобразная вихревая камера, открытая со стороны оси корпуса, боковая и торцевая стенки которой плавно сопряжены; кольцевой элемент на торцевой части консольных лопаток; узел съема сигнала (cм. авторское свидетельство СССР N 1118858, МПК G 01 F 1/05, G 01 F 1/10, 15.10.84).

Снабжение расходомера кольцеобразным элементом на торцевой части консольных лопаток устраняет возможность проникновения включений с большим, чем среда, удельным весом в кольцевую камеру чувствительного элемента, что позволяет измерять расход различных по структуре сред и повышает эксплуатационную надежность тахометрического шарикового расходомера, однако повышает и его гидравлическое сопротивление, что ведет к увеличению затрат энергии на прокачивание измеряемой среды по магистрали.

Кроме того, даже высокоточное изготовление проточной части корпусов датчиков не обеспечивает идентичности их показаний на одном и том же расходе (в пределах диапазона измерений датчика), т.е. их градуировочный коэффициент В = f(n/G) имп./литр, где n - частота вращения шара, а G - соответствующий ему расход в литрах, в пределах диапазона измерений отличается на несколько процентов, что затрудняет процесс измерений, особенно в сетях с большим количеством расходомеров.

Известен также тахометрический шариковый расходомер, содержащий цилиндрический корпус, в полости которого размещены конфузор с цилиндрическим выходным участком и лопатками завихрителя; кольцевая камера чувствительного элемента (шара), сообщающаяся с полостью корпуса при помощи кольцевой щели; кольцеобразная вихревая камера, открытая со стороны оси корпуса, боковая и торцевая стенки которой плавно сопряжены; диффузор; узел съема сигнала (cм. авторское свидетельство СССР N 1051379, МПК G 01 F 1/05, G 01 F 1/10, 30.10.83). В известном устройстве даже высокоточное изготовление датчиков не гарантирует получения одинаковых градуировочных коэффициентов, что усложняет эксплуатацию расходомеров.

Кроме того, газовые или твердые частицы, оказавшись в кольцевой камере шара, вызывают снижение точности измерений, повышают износ стенок камеры и самого шара. Последнее устройство является наиболее близким по своей технической сути к предложенным и поэтому выбрано в качестве прототипа.

В основу настоящего предложения положена задача унификации датчиков тахометрических шариковых расходомеров, повышенния удобства их эксплуатации, расширения диапазона измерений, повышения точности измерений и увеличения срока эксплуатации.

Указанная задача в первом варианте исполнения достигается благодаря тому, что в датчике тахометрического шарикового расходомера, содержащем корпус с проточным каналом и коаксиальной относительно проточного канала кольцеобразной вихревой камерой, в полости которой свободно размещен чувствительный элемент в виде шара, коаксиально установленную в проточном канале перед вихревой камерой консольную втулку, имеющую входной конфузор и цилиндрический выходной участок с завихрителем на торце, которая образует за вихревой камерой кольцевую щель с корпусом, сообщающую ее полость с проточным каналом, и узел съема сигнала, цилиндрический выходной участок консольной втулки выполнен с радиальными отверстиями, которые соединены через верхний дренажный канал, снабженный регулировочным вентилем, с верхней частью кольцеобразной вихревой камеры чувствительного элемента.

Указанная задача во втором варианте исполнения достигается благодаря тому, что в датчике тахометрического шарикового расходомера, содержащем корпус с проточным каналом, входной и выходной участки которого образованы соответственно цилиндрическим патрубком и диффузором с диаметром входного отверстия, меньшим диаметра цилиндрического патрубка, коаксиальную относительно проточного канала кольцеобразную вихревую камеру, в полости которой свободно размещен чувствительный элемент в виде шара, коаксиально установленную в проточном канале перед вихревой камерой консольную втулку, имеющую входной конфузор и цилиндрический выходной участок с завихрителем на торце в виде консольных лопаток, которая образует за вихревой камерой кольцевую щель с корпусом, сообщающую ее полость с проточным каналом, дополнительную кольцеобразную вихревую камеру, выполненную в корпусе между кольцевой щелью и входным отверстием диффузора, открытую со стороны оси проточного канала, боковая и торцевые стенки которой плавно сопряжены, причем последние размещены на расстоянии, превышающем длину консольных лопаток завихрителя, и узел съема сигнала, в стенках диффузора выполнены отверстия, которые через нижний дренажный канал, снабженный регулировочными вентилями, соединены с верхней частью кольцеобразной вихревой камеры чувствительного элемента.

Целесообразно для управления пограничным слоем в проточной части корпуса, оптимизации течения измеряемой среды, уменьшения перепада давлений на датчике и расширения диапазона измерений во втором варианте исполнения датчика тахометрического шарикового расходомера в боковых стенках дополнительной вихревой камеры выполнить радиальные отверстия, которые через магистральный канал, снабженный регулировочным вентилем, соединить с нижним дренажным каналом.

Целесообразно для управления пограничным слоем в проточной части корпуса, оптимизации течения измеряемой среды, уменьшения перепада давлений на датчике и расширения диапазона измерений во втором варианте исполнения датчика тахометрического шарикового расходомера на нижнем дренажном канале по обе стороны врезки в него магистрального канала установить регулировочные вентили.

Особенностью предложенного датчика в первом варианте исполнения является то, что в цилиндрическом выходном участке консольной втулки выполнены радиальные отверстия, которые соединены через верхний дренажный канал, снабженный регулировочным вентилем, с верхней частью кольцеобразной вихревой камеры чувствительного элемента.

Особенностью предложенного датчика во втором варианте исполнения является то, что в стенках диффузора выполнены отверстия, которые через нижний дренажный канал, снабженный регулировочными вентилями, соединены с верхней частью кольцеобразной вихревой камеры чувствительного элемента.

Особенностью предложенного датчика во втором варианте исполнения является также то, что в боковых стенках дополнительной вихревой камеры выполнены радиальные отверстия, которые через магистральный канал, снабженный регулировочным вентилем, соединены с нижним дренажным каналом.

Особенностью предложенного датчика во втором варианте исполнения является также то, что на нижнем дренажном канале по обе стороны врезки в него магистрального канала установлены регулировочные вентили.

На фиг. 1 схематически изображен продольный разрез датчика тахометрического шарикового расходомера, на фиг.2 - его сечение.

На фиг.1 и 2 указаны следующие позиции:
1 - корпус с проточным каналом;
2 - цилиндрический патрубок (входной участок проточного канала);
3 - диффузор (выходной участок проточного канала);
4 - кольцеобразная вихревая камера чувствительного элемента;
5 - чувствительный элемент в виде шара;
6 - консольная втулка;
7 - входной конфузор консольной втулки;
8 - цилиндрический выходной участок консольной втулки;
9 - завихритель в виде консольных лопаток;
10 - кольцевая щель;
11 - дополнительная кольцеобразная вихревая камера;
12 - боковая стенка дополнительной кольцеобразной вихревой камеры;
13, 14 - торцевые стенки дополнительной кольцеобразной вихревой камеры;
15 - узел съема сигнала;
16 - отверстия в стенках диффузора;
17 - нижний дренажный канал;
18а - регулировочный вентиль канала 22;
18b, d - регулировочные вентили канала 17;
18с - регулировочный вентиль канала 20;
19 - радиальные отверстия в боковой стенке дополнительной кольцеобразной вихревой камеры;
20 - магистральный канал;
21 - радиальные отверстия в цилиндрическом выходном участке консольной втулки;
22 - верхний дренажный канал.

Датчик тахометрического шарикового расходомера содержит корпус 1, в котором выполнен проточный канал с входным участком в виде цилиндрического патрубка 2 и выходным участком в виде диффузора 3. Диаметр входного отверстия диффузора 3 несколько меньше диаметра цилиндрического патрубка 2. Коаксиально относительно проточного канала в корпусе 1 выполнена кольцеобразная выемка, которая образует наружную стенку кольцеобразной вихревой камеры 4, в полости которой свободно размещен чувствительный элемент 5 в виде шара. Внутренняя стенка кольцеобразной вихревой камеры 4 образована наружной стороной консольной втулки 6, имеющей входной конфузор 7 и цилиндрический выходной участок 8 с завихрителем 9, которая коаксиально установлена в проточном канале перед вихревой камерой 4. Завихритель 9 выполнен в виде консольных лопаток, размещенных на торце цилиндрического выходного участка 8 консольной втулки 6, которая образует за вихревой камерой 4 кольцевую щель 10 с корпусом 1, сообщающую ее полость с проточным каналом. Кроме того, в корпусе 1 может быть выполнена дополнительная кольцеобразная вихревая камера 11, которая размещается между кольцевой щелью 10 и входным отверстием диффузора 3. Дополнительная вихревая камера 11 открыта со стороны оси проточного канала, а ее боковая 12 и торцевые 13, 14 стенки плавно сопряжены. Расстояние между торцевыми стенками 13, 14 превышает длину консольных лопаток завихрителя 9. На корпусе 1 в непосредственной близости от чувствительного элемента 5 в виде шара закреплен узел 15 съема сигнала. В стенках диффузора 3 выполнены отверстия 16, которые через нижний дренажный канал 17, снабженный регулировочными вентилями 18b и 18d, соединены с верхней частью кольцеобразной вихревой камеры 4 чувствительного элемента 5. В боковой стенке 12 дополнительной вихревой камеры 11 выполнены радиальные отверстия 19, которые через магистральный канал 20, снабженный регулировочным вентилем 18с, соединены с нижним дренажным каналом 17.

Кроме того, в цилиндрическом выходном участке 8 консольной втулки 6 выполнены радиальные отверстия 21, которые соединены через верхний дренажный канал 22, снабженный регулировочным вентилем 18а, с верхней частью кольцеобразной вихревой камеры 4 чувствительного элемента 5.

Датчик тахометрического шарикового расходомера работает следующим образом.

При прохождении измеряемой среды по цилиндрическому патрубку 2 корпуса 1 и далее через конфузор 7 консольной втулки 6 скорость ее в цилиндрическом выходном участке 8 втулки 6 увеличивается, а статическое давление в потоке измеряемой среды уменьшается, что обеспечивает перепад давлений в полости кольцеобразной вихревой камеры 4 чувствительного элемента 5 и появление под его действием перетока жидкости из вихревой камеры 4 в проточный канал корпуса 1, интенсивность которого может регулироваться вентилем 18а. При этом через кольцевую щель 10 происходит увеличение обмена энергией между объемами вихревой камеры 4 и проточного канала корпуса 1. Поскольку в этом случае поток измеряемой среды генерирует вращательное движение в вихревой камере 4 чувствительного элемента 5 с большей интенсивностью, то изменение частоты вращения шара осуществляется с большей интенсивностью за счет поступления в камеру 4 дополнительного вихря, который осуществляет дополнительную "подкрутку" шара, регистрируемую узлом съема сигнала 15, что и вызывает изменение величины градуировочного коэффициента датчика В = f(n/G) имп./литр. Поэтому каждому положению вентиля 18а соответствует и свое значение градуировочной характеристики датчика. Изменяя величину дренажного расхода жидкости, можно добиться полной идентичности градуировочных коэффициентов целой партии датчиков, что упрощает их последующую эксплуатацию в расходомерных сетях. Попутно из камеры 4 удаляются всевозможные примеси (окалина, газ, твердые включения), что уменьшает износ ее стенок и чувствительного элемента 5 (шара), повышает точность измерений и срок эксплуатации датчика.

Возможно и иное соединение участков проточной части корпуса 1 с кольцеобразной вихревой камерой 4 чувствительного элемента 5, которое обеспечивает ряд попутных преимуществ предложенного датчика по сравнению с известными. Так, при подключении нижнего дренажного канала 17 через регулировочный вентиль 18с, магистральный канал 20 к радиальным отверстиям 19 в боковой стенке 12 дополнительной вихревой камеры 11, а также при подключении нижнего дренажного канала 17 (через регулировочный вентиль 18d) к отверстиям 16 в стенках диффузора 3 обеспечивается благодаря управлению пограничным слоем расширение рабочего диапазона измерений. Действительно, при определенном положении штоков регулировочных вентилей 18b, 18с, 18d и соответствующих перепадах давлений может происходить не только удаление жидкости и примесей из вихревой камеры 4 чувствительного элемента 5, но и удаление пограничного слоя со стенок дополнительной вихревой камеры 11, в которой благодаря определенному соотношению размеров создаются устойчивые тороидальные вихри, во многом определяющие измерительный диапазон датчика. Благодаря управлению пограничным слоем устойчивость вихрей в дополнительной вихревой камере 11 возрастает, что обеспечивает расширение диапазона датчика и даже точности измерений.

Изобретение относится к приборостроению и может использоваться в химической, нефтяной, нефтехимической отраслях промышленности, а также в ядерной энергетике и медицине. Целью изобретения является унификация средств измерения, расширение диапазона измерений, повышение точности измерений и увеличение срока службы. Указанная цель реализуется благодаря тому, что датчик расходомера, содержащий корпус, в полости которого размещены последовательно конфузор, обособленная камера шара, лопатки завихрителя, вихревая камера и диффузор, снабжен дренажным каналом с регулировочным вентилем, который соединяет обособленную камеру шара с отверстиями в стенках диффузора, что дает возможность изменять интенсивность дренажного расхода и тем самым регулировать градуировочный коэффициент датчика, изменять диапазон измерений и удалять из обособленной полости шара посторонние включения. 2 с. и 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Датчик тахометрического шарикового расходомера, содержащий корпус с проточным каналом и кольцеобразной вихревой камерой, в полости которой свободно размещен чувствительный элемент в виде шара, установленные в проточном канале конфузор с цилиндрическим выходным участком и завихритель, размещенный на торце цилиндрического выходного участка, который образует за вихревой камерой кольцевую щель с корпусом, сообщающую полость вихревой камеры с проточным каналом, и узел съема сигнала, отличающийся тем, что в цилиндрическом выходном участке конфузора выполнены радиальные отверстия, которые соединены через дренажный канал, снабженный регулировочным вентилем, с верхней частью кольцеобразной вихревой камеры чувствительного элемента. 2. Датчик тахометрического шарикового расходомера, содержащий корпус с проточным каналом, входной и выходной участки которого образованы соответственно цилиндрическим патрубком и диффузором, кольцеобразную вихревую камеру, в полости которой свободно размещен чувствительный элемент в виде шара, установленные в проточном канале конфузор с цилиндрическим выходным участком и завихритель, размещенный на торце выходного цилиндрического участка, который образует за вихревой камерой кольцевую щель с корпусом, сообщающую полость вихревой камеры с проточным каналом, дополнительную кольцеобразную вихревую камеру, выполненную в корпусе между кольцевой щелью и диффузором, открытую со стороны оси проточного канала, боковая и торцевые стенки которой плавно сопряжены, и узел съема сигнала, отличающийся тем, что в стенках диффузора выполнены отверстия, которые через дренажный канал, снабженный регулировочными вентилями, соединены с верхней частью кольцеобразной вихревой камеры чувствительного элемента. 3. Датчик тахометрического шарикового расходомера по п. 2, отличающийся тем, что в боковых стенках дополнительной вихревой камеры выполнены радиальные отверстия, которые через магистральный канал, снабженный регулировочным вентилем, соединены с дренажным каналом. 4. Датчик тахометрического шарикового расходомера по п. 3, отличающийся тем, что на дренажном канале, по обе стороны врезки в него магистрального канала, установлены регулировочные вентили.