РАСХОДОМЕР ТЕКУЩИХ ПРОДУКТОВ Российский патент 2003 года по МПК G01F1/06 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам расходомеров жидких и газообразных продуктов, транспортируемых при их приеме и выдаче.

Известно устройство для измерения расхода жидкого продукта, содержащее тангенциальный канал, камеру, в которой установлена соосно с ней турбинка с лопаткам и средняя окружность которой пересекается в одной точке с продольной осью тангенциального канала, входной и выходной патрубки и узел съема сигнала (авторское свидетельство СССР 3536, кл. G 01 F 1/06, 1926).

Недостатком известного устройства является соединение оси лопастного колеса муфтой с осью электродвигателя малой мощности, который с помощью реостата позволяет изменять число оборотов. Кроме того, на другом конце оси электродвигателя имеется фрикционная передача, соединяемая для производства отсчета по приборам, в качестве которых используются механические счетчик оборотов и секундомер. Счетчик оборотов и секундомер при помощи фрикционной передачи включаются на фиксируемое время счета числа оборотов лопастного колеса, установленного в патрубке, по обеим сторонам которого имеются отверстия для присоединения трубопроводов коленчатого ртутного манометра. Однако такое устройство для определения скорости течения жидкости или газа в трубах при измерении малых расходов продукта приводит к значительным искажениям результатов измерения скорости при заданном диаметре трубы, что приводит к снижению точности измерения скорости.

Наиболее близким из известных устройств по технической сущности и достигаемому результату является устройство турбинно-тангенциального датчика расхода, содержащее тангенциальный канал, камеру, в которой установлена соосно с ней турбинка с лопатками, причем средняя окружность лопаток пересекается в одной точке с продольной осью тангенциального канала, входной и выходной патрубки, узел съема сигнала, внешний радиус лопаток определяется по формуле R = d/(1 - cos360^o/n), м (Патент РФ 2031369, кл. G 01 F 1/06, 1991).

Недостатком известного устройства является наличие прерывателей сигнала, расположенные по окружности среднего радиуса, т.е. между радиусом основания лопатки и внешним радиусом подшипника, которые представляют собой "сквозные" отверстия, используемые в качестве фотоэлектрического элемента преобразователя. Количество прерывателей сигнала выбирается из условия повышения разрешающей способности турбинно-тангенциального датчика, т.е. с увеличением количества прерывателей сигнала повышается разрешающая способность. Однако количество прерывателей ограничивается количеством лопаток турбинки, т.е. зависит от габаритных размеров тангенциальной турбинки. Кроме того, для одного типового размера выбранной турбинки с определенными размерами увеличение количества прерывателей приводят к излишнему делению объемов полостей, заключенных между камерой и лопатками, находящимися в стороне от тангенциального канала. Однако преобразователи сигнала с помощью фотоэффекта совместно с электрическими счетчиками могут быть использованы только при наличии электрической энергии, отсутствие которой не позволяет осуществлять контроль за расходуемым жидким продуктом.

Задачей заявленного изобретения является расширение функциональных возможностей, повышение точности измерения и упрощение конструкции.

Поставленная задача достигается тем, что расходомер текущих продуктов содержит тангенциальный канал, камеру, в которой установлена соосно с ней турбинка с лопатками. Средняя окружность пересекается в одной точке с продольной осью тангенциального канала. Входной и выходной патрубки и узел съема сигнала. Внешний радиус R лопаток определяется по формуле R = d/(1 - cos360^o/n), м. Согласно изобретению тангенциальный канал выполнен прямоугольным, высота лопатки равна диаметру водного и выходного патрубка. Ширина B турбинки определяется выражением B = 0,7854•d. Патрубки выполнены съемными. Узел съема сигнала выполнен множительным устройством, оборудованным счетчиком объемного расхода продукта, определяемого по формуле V = F•i•R•B•(πR - 0,5•n•r•sin360^o/n), м³/с, где d - высота лопатки, равная диаметру входного, выходного патрубка, м; F - частота вращения турбинки, Гц; i - коэффициент передачи, о.е.; В - ширина турбинки, м; n - количество лопаток турбинки, шт. ; r - внутренний радиус лопаток, м.

Для соответствия заявленного объекта критерию "существенные отличия" проведен поиск по классу МКИ G 01 F 1/06.

В результате поиска заявителем не обнаружены технические решения, в которых имеются признаки, сходные с признаками, отличающими заявленное решение от прототипа.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, где изображен расходомер текущих продуктов, общий вид.

Расходомер текущих продуктов содержит тангенциальный канал 1, 2, камеру 3, в которой установлена соосно с ней турбинка 4 с лопатками 5, причем средняя окружность 6 лопаток 5 пересекается в одной точке с продольной осью тангенциального канала 1, 2, входной 8, выходной 7 патрубки и узел съема сигнала 9. Внешний радиус R лопаток 5 определяется по формуле R = d/(1 - cos360^o/n), м. Тангенциальный канал 1, 2 выполнен прямоугольным. Высота лопатки 5 равна диаметру d выходного 7, выходного 8 патрубка. Ширина B турбинки 4 определяется выражением B = 0,7854•d. Патрубки 7, 8 выполнены съемными. Узел съема сигнала 9 выполнен множительным устройством, оборудованным счетчиком 10 объемного расхода жидкого продукта, определяемого по формуле V = F•i•R•B•(π•R - 0,5•n•r•sin360^o/n), м³/с, где d - диаметр патрубков,
высота лопатки турбинки, м; R - внешний радиус лопаток, м; F - частота вращения турбинки, Гц; i - коэффициент передачи, о.е.; В - ширина турбинки, м; n - количество лопаток турбинки, шт.; r - внутренний радиус лопаток, м. Тангенциальный канал 1, 2 выполнен прямоугольным и соответствует профилю лопаток 5. Рабочая площадь лопаток 5 по величине и по форме соответствует тангенциальному каналу 1, 2, по которому проходит текущий продукт при заданных рабочих зазорах между лопатками 5 и рабочей поверхностью камеры 3. Патрубки 7, 8 выполнены съемными и закреплены на камере 3 соосно тангенциальному каналу 1, 2. Внутренняя поверхность патрубков 7, 8 выполнена в виде усеченного конуса, круглая поверхность которого плавно переходит к форме прямоугольника. Тангенциальная турбинка 4 представляет собой диск, внешний радиус которого определяется по формуле R = d/(1 - cos360^o/n), м. Ширина турбинки 4 определяется из условия равенства площади рабочей поверхности лопаток 5 S_лоп и площади поперечного сечения потока протекающего продукта по входному 8 и выходному 7 патрубкам трубопровода S_пот, т.е. S_лоп = S_пот. Так как площадь рабочей поверхности прямоугольной лопатки 5 равна S_лоп = B•d, м², а площадь сечения потока по входному 8 и выходному 7 патрубкам равна S_пот = πd²/4, м², то В•d = πd²/4. Откуда ширина В лопатки 5 равна В = π•d/4, или В = 0,7854•d, где d - диаметр входного 8 и выходного 7 патрубков, равен высоте лопаток 5 турбинки 4, установленной в тангенциальном канале 1, 2. Например, при заданном диаметре, т.е. высоте прямоугольного канала 1, 2 d = 0,015 м, количество лопаток 5 турбинки 4 n = 6 шт., определим внешний радиус турбинки 4 и ее ширину по формуле для R и по выражению для В. R = 0,015/(1 - cos360^o/6) = 0,03 м, В = 0,7854•0,015 = 0,0118 м, которые определяют конструктивные размеры расходомера текущих продуктов. Таким образом, имея расчетные конструктивные параметры тангенциальной турбинки 4, определим объем протекающего жидкого продукта за один оборот турбинки 4, совершаемый в единицу времени (об/с = Гц). Предположим, что турбинка 4 изготовляется из диска радиусом R, м, и шириной B, м, тогда ее объем равен V_диск = S_диск•В, или V_диск = π•R²•В, м³. Объем турбинки 4 представляет собой n (шт.) объемов прямоугольного треугольника ODB шириной B, м, образованного одной лопаткой 5, V_ΔODB = 0,5•r•B•l, м³, где DB = l = R•sin360^o/n, м, т.е. V_ΔODB = 0,5•r•В•R•sin360^o/n, м³. Следовательно, объем турбинки 4 равен V_турб = n•V_ΔODB, м³, или V_турб = 0,5•n•r•В•R•sin360^o/n, м³, где n - количество лопаток турбинки 4, шт.; r = (R - d) - внутренний радиус турбинки 4, м. Объем протекающего жидкого продукта за один оборот турбинки 4 определим как разность объемов диска V_диск, м³, из которого изготовлена турбинка 4 и объемом самой турбинки 4 V_турб, м³, т.е. V = V_диск-V_турб или V = π•R²•В - 0,5•n•r•В•R•sin360^o/n, м³, т.е. V = R•B(π•R - 0,5•n•r•sin360^o/n), м³. Так как турбинка 4 совершает один оборот в единицу времени (oб/с = Гц), то объем протекающего жидкого продукта за определенный период времени транспортирования равен V = F•R•B•(π•R - 0,5•n•r•sin360^o/n), м³/с, где R = d/(1 - cos360^o/n), м; В = 0,7854•d, м; r = R - d, м. Например, при d = 0,015 м, F = 1 Гц, n = 6 шт. имеем R = 0,015/(1 - cos360^o/6) = 0,03 м; В = 0,7854•0,015 = 0,0118 м; r = 0,03 - 0,015 = 0,015 м. Таким образом получим V = 1•0,03•0,0118•(3,14•0,03 - 0,5•6•0,015•sin360^o/6) = 1,9551•10^-5 м³/с, т. е. имеем объем V = 1,9551•10^-5 м³/с, или 19,551 см³/с. Следовательно, за один оборот, совершаемый турбинкой 4 в единицу времени (1 с), турбинка перемещает объем жидкого продукта, равный 19,551 см³/с, или при плотности жидкого продукта 1,0 кг/м³ турбинка 4 перемещает массу продукта 19,551 г/с. Таким образом, расчетное значение объема (массы) жидкого продукта, перемещаемого турбинкой за один ее оборот в единицу времени (1 с) для различных по диаметру трубопроводов и различного количества лопаток турбинки, является дробным десятичным числом, цифровое значение которого, после запятой, возрастает с увеличением числа оборотов турбинки 4. Это дробное числовое значение объема (массы) перемещаемого жидкого продукта при различных диаметрах трубопроводов и различном количестве лопаток турбинки учитывается множительным устройством 9 как постоянная величина V₀ = 19,551 см³/с = const для данного диаметра трубопровода, при этом показания счетчика объемного расхода 10 зависят только от частоты (Гц) вращения турбинки 4. В качестве множительного устройства 9 может быть использовано широко известное электронное устройство, например, содержащее преобразователь вращения, вырабатывающий стандартные импульсы за один оборот турбинки в единицу времени, которые считываются разрядным двоично-десятичным счетчиком с дешифратором, при учете коэффициента передачи, учитываемого цифровым счетчиком объемного расхода 10. Более подробное описание электронного множительного устройства 9 выходит за рамки данной заявки. Аналогично в качестве множительного устройства 9 используется механическое множительное устройство, в качестве которого применяется кинематическая пара с взаимно перпендикулярным расположением осей, на которых закреплены косозубые шестерни, имеющие определенное количество зубьев, отношение которых пропорционально коэффициенту передачи. При этом коэффициент передачи может быть представлен в виде "нормированного" коэффициента передачи i = C/V₀, где С - целые числа объема (массы), кратные десяти, 1, 10, 1000 ... или 2, 20, 2000.... Например, для рассматриваемого расходомера текущих продуктов с трубопроводом диаметром d = 0,015 м и V₀ = 19,551 см³/с коэффициент передачи (i) множительного устройства 9 при С = 10 равен i = 10/19,551 = 0,5115 о.е. Таким образом, показания счетчика 10 объемного расхода жидкого продукта расходомеров текущих продуктов определяют по формуле V = F•i•R•B•(πR - 0,5•n•r•sin360^o/n), м³/с. Известно, что i - коэффициент передачи множительного устройства 9, т.е. кинематической пары, определяется отношением каждого элемента этой пары i = D₁/D₂, где D₁ и D₂ - диаметры шестеренок. Так как в данном примере коэффициент передачи i = 0,5115 о. е., то примем D₁ = 0,012 м и определим D₂ = D₁/i = 0,012/0,5115 = 0,02346 м, что является приемлемым конструктивным значением размеров шестеренок D₁ = 12 мм и D₂ = 23,46 мм. Первая шестерня с D₁ = 12 мм закрепляется неподвижно на оси тангенциальной турбинки 4, а вторая шестерня с D₂ = 23,46 мм закреплена неподвижно на оси, соединенной со счетчиком объемного расхода 10, в качестве которого используются широко известные конструкции механических счетчиков с n-разрядным значением показаний.

Расходомер ткущих продуктов работает следующим образом.

Струя потока тангенциального канала 1, 2 транспортируемого жидкого продукта действует на лопатки 5 тангенциальной турбинки 4 и приводит в работу множительное устройство 9, связанное с турбинкой 4, на оси которой неподвижно закреплена первая косозубая шестерня, которая вращается с частотой, пропорциональной скорости ее вращения. Это вращение передается на вторую косозубую шестерню, закрепленную на оси, перпендикулярной оси турбинки 4, связанной с осью вращения механического n-разрядного десятичного счетчика 10 объемного расхода продукта, с которого считываются показания. Процесс вращения турбинки 4 в динамике потока рассмотрим на примере, в котором допустим, что в определенный момент времени рабочая поверхность лопатки 5 установлена перпендикулярно потоку 1, 2, т.е. при условии заданной площади поперечного сечения струи потока 1, 2, равной рабочей поверхности лопатки 5. При этом струя потока продукта в тангенциальном прямоугольном канале 1, 2 разделена клиновой поверхностью одной лопатки 5. При повороте лопатки под действием струи потока на некотором углу ϕ происходит вытеснение продукта за счет центробежных сил наклонной поверхностью лопатки в выходной канал 1 при одновременном воздействии жидкого продукта на рабочую поверхность предыдущей лопатки 5, угол встречи которой со струей потока возрастает до величины, принятой в исходном состоянии, в котором рабочая поверхность лопатки 5 устанавливается перпендикулярно потоку 1, 2, после чего процесс повторяется. Таким образом, объемы полостей, заключенные между камерой 3 и лопатками 5, представляют собой суммарный объем продукта, вытесняемого турбинкой 4 за один ее оборот. Для удобства проведения считывания по шкалам счетчика объемного расхода 10 в процессе транспортировки используется коэффициент передачи, составляющий определенную часть от объема прокачиваемой турбинкой за один ее оборот в единицу времени, который кратен единице десятичной системы счисления с достаточной точностью измерения для каждого типоразмера трубопроводов.

Предлагаемый расходомер текущих продуктов при заданных конструктивных параметрах тангенциальной турбинки, профилирования лопаток, использование одного из видов множительного устройства, связанного с n-разрядным десятичным счетчиком объемного расхода, позволяет расширить функциональные возможности, повысить точность измерения и упростить его конструкцию.

Использование: при конструировании расходомеров жидких и газообразных продуктов, транспортируемых при их приеме или выдаче. Сущность изобретения: расходомер текущих продуктов содержит тангенциальный канал, камеру, в которой установлена соосно с ней турбинка с лопатками, входной и выходной патрубки, узел съема сигнала, внешний радиус лопаток определяется по формуле, а средняя окружность лопаток пересекается в одной точке с продольной осью тангенциального канала. Тангенциальный канал выполнен прямоугольным, оборудован двумя переходниками. Ширина турбинки пропорциональна диаметру подводящего трубопровода. Узел съема сигнала снабжен множительным устройством и оборудован счетчиком объемного расхода продукта, определяемого по формуле. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерений, расширение функциональных возможностей и упрощение конструкции расходомера. 1 ил.

Расходомер текущих продуктов, содержащий тангенциальный канал, камеру, в которой установлена соосно с ней турбинка с лопатками, причем средняя окружность лопаток пересекается в одной точке с продольной осью тангенциального канала, входной и выходной патрубки, узел съема сигнала, внешний радиус лопаток определяется по формуле R= d/(1-cos 360^o/n), отличающийся тем, что тангенциальный канал выполнен прямоугольным, при этом высота лопатки равна диаметру входного и выходного патрубков, ширина В турбинки определяется выражением В= 0,7854•d, патрубки выполнены съемными, при этом ширина турбинки пропорциональна диаметру подводящего трубопровода, узел съема сигнала выполнен множительным устройством, оборудованном счетчиком объемного расхода продукта, определяемого по формуле
V= F•i•R•B•(π•R-0,5•n•r•sin 360^o/n), м³/с,
где F - частота вращения турбинки, 1/с= Гц;
i - коэффициент передачи, о. е. ;
В - ширина турбинки, м;
n - количество лопаток турбинки, шт. ;
r - внутренний радиус лопаток, м;
d - диаметр патрубков и высота лопатки, м;
R - внешний радиус лопатки, м.