ПЕРВИЧНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ РАСХОДОМЕРА ПЕРЕМЕННОГО ПЕРЕПАДА ДАВЛЕНИЯ Российский патент 2004 года по МПК G01F1/36 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения расхода текучих сред по перепаду давления в закрытых трубопроводах различного назначения.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известные первичные преобразователи расходомеров переменного перепада давления (РППД) представляют собой устройства, выполненные в виде встроенного в трубопровод трубчатого тела с измерительным каналом, содержащим входной и выходной цилиндрические участки с полными поперечными сечениями и расположенные между этими участками входной участок переменного сечения, переходный участок, разделенный по длине поровну характерным поперечным сечением, и выходной участок переменного сечения. Для отбора давления в поперечных сечениях выполнены отверстия со штуцерами для присоединения вторичных преобразователей, например дифманометров или электронных приборов. Возможен вариант исполнения первичного преобразователя, когда для отбора давления в поперечных сечениях равномерно по периметру выполнены отверстия, окруженные усредняющими коллекторами со штуцерами для присоединения вторичных преобразователей. В зависимости от соотношения площадей полного поперечного сечения цилиндрического участка и характерного поперечного сечения переходного участка датчики давления разделяются на два вида: сужающие устройства, когда площадь характерного поперечного сечения меньше площади полного сечения, и расширяющие устройства, когда площадь характерного поперечного сечения больше площади полного сечения.

Сужающие устройства, среди которых наиболее распространены расходомерные диафрагмы, измерительные сопла и трубки Вентури [1], содержат конфузорно-диффузорный измерительный канал, поперечное сечение которого по ходу текучей среды постепенно сужается от полного значения на входном цилиндрическом участке до минимальной величины в характерном поперечном сечении переходного участка, а затем снова расширяется до полного значения на выходном цилиндрическом участке. В этом случае положительный перепад давления измеряют между точкой, лежащей на входном цилиндрическом участке и отвечающей полному поперечному сечению, и точкой, лежащей на переходном участке и отвечающей характерному поперечному сечению, которое является минимальным.

Расширяющие устройства [2, 3] содержат диффузорно-конфузорный измерительный канал, поперечное сечение которого, наоборот, по ходу текучей среды постепенно расширяется от полного значения на входном цилиндрическом участке до максимальной величины в характерном поперечном сечении переходного участка, а затем снова сужается до полного значения на выходном цилиндрическом участке. В этом случае положительный перепад давления целесообразно измерять между точкой, лежащей на переходном участке и отвечающей характерному поперечному сечению, которое является максимальным, и точкой, лежащей на выходном цилиндрическом участке и отвечающей полному поперечному сечению.

Однако известные первичные преобразователи с измерительными каналами сужающего или расширяющего типа обладают недостатком, заключающимся в однонаправленности их действия, когда перепад давления возможно измерить только в одном направлении потока текучей среды. Измерения перепада давления в одном трубопроводе для одного и того же расхода прямого и обратного потоков текучей среды с одинаковой точностью с помощью известных первичных преобразователей невозможны, поскольку входной и выходной участки переменного сечения имеют существенно различные профили. Это обстоятельство вынуждает для двунаправленных или реверсивных потоков текучей среды устраивать два расходомерных узла, в одном из которых по перепаду давления определяют расход прямого, а в другом - обратного потока текучей среды. Все это приводит к существенному удорожанию измерительной системы, например, на реверсивных трубопроводах крупных нефте- и газохранилищ, где закачка продуктов хранения в хранилища и их откачка для практического использования производится, как правило, по одной и той же трубе.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Целью настоящего изобретения является расширение функциональных возможностей расходомера переменного перепада давления на трубопроводах различного назначения, преимущественно на реверсивных трубопроводах, а также удешевление измерительной системы.

Согласно изобретению поставленная цель достигается благодаря тому, что первичный преобразователь расходомера переменного перепада давления выполнен в виде встроенного в трубопровод трубчатого тела с измерительным каналом, содержащим входной и выходной цилиндрические участки с полными поперечными сечениями и расположенные между этими участками по прямому потоку текучей среды входной участок переменного сечения, переходный участок, разделенный поровну характерным поперечным сечением, и выходной участок переменного сечения, при этом для отбора давления в поперечных сечениях выполнены отверстия со штуцерами для присоединения вторичных преобразователей. Отличительной особенностью предлагаемого первичного преобразователя является то, что измерительный канал выполнен с возможностью измерения перепада давления в одном трубопроводе с одинаковой точностью для одного и того же расхода прямого и обратного потоков текучей среды и образован прямым и обратным равнозначными каналами измерения, развернутыми в противоположные стороны симметрично относительно характерного поперечного сечения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР ЧЕРТЕЖЕЙ
Изобретение детально поясняется чертежами, на которых представлены:
фиг. 1 - первичный преобразователь расширяющего типа, вид сбоку, половинный разрез;
фиг.2 - разрез по линии 1-1 на фиг.1;
фиг.3 - разрез по линии 2-2 на фиг.1;
фиг.4 - разрез по линии 3-3 на фиг.1;
фиг. 5 - первичный преобразователь сужающего типа, вид сбоку, половинный разрез;
фиг.6 - разрез по линии 4-4 на фиг.5;
фиг.7 - разрез по линии 5-5 на фиг.5;
фиг.8 - разрез по линии 6-6 на фиг.5.

По стрелке слева направо движется прямой поток текучей среды, по стрелке справа налево - обратный поток текучей среды.

ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Первичный преобразователь расширяющего типа выполнен в виде встроенного в трубопровод трубчатого тела с измерительным каналом, состоящим из входного цилиндрического участка (1) с поперечным сечением (2), далее расположены участок переменного сечения-диффузор (3), расширенный переходный участок (4) с характерным поперечным сечением (5), участок переменного сечения-конфузор (6) и выходной цилиндрический участок (7) с поперечным сечением (8). Площади поперечных сечений (2) и (8) равны между собой и, в свою очередь, равны площади поперечного сечения трубопровода, на котором установлен первичный преобразователь.

На внешней стороне (9) входного участка (1) установлен усредняющий коллектор (10) со штуцером (11) для измерения давления (P₁), равного давлению в сечении (2). Аналогично, на внешней стороне (12) расширенного переходного участка (4) установлен усредняющий коллектор (13) со штуцером (14) для измерения максимального давления (Р₂). И, наконец, на внешней стороне (15) выходного участка (7) предусмотрен усредняющий коллектор (16) со штуцером (17) для измерения давления (Р₃). В поперечных сечениях (2, 5 и 8) располагаются соответствующие отверстия (18) для отбора давления (P₁), отверстия (19) для отбора максимального давления (Р₂) и отверстия (20) для отбора давления (Р₃).

Измерительный канал первичного преобразователя расширяющего типа образован прямым участком измерения (21), длина (L₂₁) которого равна (L₂₁= l₁+l₂+l₃), и обратным участком измерения (22), длина (L₂₂) которого равна (l₂₂= l₄+l₅+1₆), где l₁, l₂, l₃, l₄, l₅ и l₆ - длины по оси соответственно входного участка (1), участка-диффузора (3), расширенного участка (4) до характерного сечения (5), расширенного участка (4) от характерного сечения (5), участка-конфузора (6) и выходного участка (7).

Первичный преобразователь сужающего типа также выполнен в виде встроенного в трубопровод трубчатого тела с измерительным каналом, состоящим из входного участка (1) с поперечным сечением (23), за входным участком расположены участок переменного сечения - конфузор (24), суженый переходный участок (25) с характерным поперечным сечением (26), участок переменного сечения - диффузор (27) и выходной участок (7) с поперечным сечением (28). Площади поперечных сечений (23) и (28) равны между собой и, в свою очередь, равны площади поперечного сечения трубопровода, на котором установлен датчик.

На внешней стороне (9) входного участка (1) установлен усредняющий коллектор (10) со штуцером (11) для измерения давления (Р₄), равного давлению в сечении (23). Аналогично, на внешней стороне (12) суженого переходного участка (25) установлен усредняющий коллектор (13) со штуцером (14) для измерения минимального давления (P5). И, наконец, на внешней стороне (15) выходного участка (7) предусмотрен усредняющий коллектор (16) со штуцером (17) для измерения давления (Р₆). В поперечных сечениях (25, 26 и 28) располагаются соответствующие отверстия (18) для отбора давления (Р₄), отверстия (19) для отбора минимального давления (P₅) и отверстия (20) для отбора давления (Р₆).

Измерительный канал первичного преобразователя сужающего типа образован прямым участком измерения (29), длина (L₂₉) которого равна (L₂₉=l₇+l₈+l₉), и обратным участком измерения (30), длина (L₃₀) которого равна (L₃₀= l₁₀+1₁₁+l₁₂), где l₇, l₈, l₉, l₁₀, l₁₁ и l₁₂ - длины по оси соответственно входного участка (1), участка-конфузора (24), суженого переходного участка (25) до характерного сечения (26), суженого переходного участка (25) от характерного сечения (26), участка-диффузора (27) и выходного участка (7).

Прямой (21) и обратный (22) участки измерения первичного преобразователя расширяющего типа выполнены равнозначными с одинаковыми сходственными характеристиками (геометрическими и другими).

Исходя из этого требования, должны выполняться следующие условия:
L₂₁=L₂₂; l₁=1₆; l₂=l₅; l₃=l₄; d₁=d₂=d₃; ∠α₁ = ∠α₂,
где d₁, d₂ и d₃ - внутренние диаметры соответственно входного и выходного участков и трубопровода, на котором установлен первичный преобразователь;
∠α₁ и ∠α₂ - углы диффузорности по ходу прямого или обратного потока текучей среды соответственно на участке-диффузоре и участке-конфузоре, при этом для углов α₁ и α₂ должно выполняться условие безотрывности потоков текучей среды.

Прямой (29) и обратный (30) участки измерения первичного преобразователя сужающего типа также выполнены равнозначными с одинковыми сходственными характеристиками, а именно:
L₂₉=L₃₀; l₇=l_l2; l₈=l₁₁; l₉=l_l0; d₄=d₅ =d₃; ∠α₃ = ∠α₄,
где d₄, d₅ и d₃ - внутренние диаметры соответственного входного и выходного участков и трубопровода, на котором установлен первичный преобразователь;
∠α₃ и ∠α₄ - углы конфузорности по ходу прямого и обратного потока текучей среды соответственно на участке-конфузоре и участке-диффузоре, при этом для углов α₃ и α₄ также должно выполняться условие безотрывности потоков текучей среды.

Кроме того, одинаковым должен быть характер распределения отверстий для отбора давлений в сечениях (2 и 8) первичного преобразователя расширяющего типа или в сечениях (23 и 28) первичного преобразователя сужающего типа, одинаковыми должны быть диаметры этих отверстий и их количество. Требованию одинаковости должны удовлетворять также геометрические характеристики усредняющих коллекторов (10 и 16) и штуцеров (11 и 17). При выполнении приведенных выше условий соблюдается полная симметрия относительно характерного сечения прямого и обратного участков измерения, развернутых в противоположные стороны, что гарантирует одинаковую точность измерений одинаковых расходов текучей среды в прямом или обратном направлении в первичных преобразователях как расширяющего, так и сужающего типа.

Принцип действия описанного первичного преобразователя следующий.

При прямом течении поток текучей среды в измерительном канале первичного преобразователя расширяющего типа последовательно проходит через входной участок (1), участок-диффузор (3), расширенный участок (4), где регистрируется максимальное давление (Р₂), учаток-конфузор (6) и выходной патрубок (7), в плоскости сечения (8) которого регистрируется давление (Р₃), причем (Р₂>Р₃) и перепад давления (Р₂-Р₃) является положительным. Обратный поток текучей среды проходит в обратной последовательности: выходной участок (7), участок-конфузор (6), расширенный участок (4), где регистрируется максимальное давление (Р₂), участок-диффузор (3) и входной участок (1), в плоскости сечения (2) которого регистрируется давление (Р₁). Т.к. (Р₂>P₁), то перепад давления (P₂-Р₁) также будет положительным.

При прямом течении поток текучей среды в измерительном канале первичного преобразователя сужающего типа последовательно проходит через входной участок (1), в поперечном сечении (23) которого регистрируется давление (Р₄), участок-конфузор (24), суженый участок (25), где регистрируется минимальное давление (Р₅) в характерном сечении (26), участок-диффузор (27) и выходной участок (7). Поскольку (P₄>Р₅), то перепад давления (P₄-P₅) будет положительным. Обратный поток текучей среды проходит в обратной последовательности: выходной участок (7), в поперечном сечении (28) которого регистрируется давление (Р₆), участок-диффузор (27), суженый участок (25), в характерном сечении (25) которого регистрируется минимальное давление (P₅), участок-конфузор (24) и входной участок (1). Перепад давления (Р₆-Р₅) также будет положительным, т.к. (Р₆>Р₅).

К штуцерам (11, 14, 17) для измерения давления присоединены соответствующие вторичные преобразователи давления, например показывающие или самопишущие дифманометры или электронные приборы (не показаны). На основании измеренного перепада давлений можно рассчитать расход по следующим формулам (единица измерения оъем в единицу времени):
первичный преобразователь расширяющего типа:


- первичный преобразователь сужающего типа:


где Q₁, Q₃ и Q₂, Q₄ - расходы соответственно прямых и обратных потоков текучей среды;
k - поправочный коэффициент, учитывающий неравномерность распределения скоростей, потери на трение и соотношение между площадями сечений (2, 5 и 8) или (23, 26, 28);
γ - удельный вес текучей среды.

Описанный первичный преобразователь расходомера позволяет измерять в одном трубопроводе одинаковые расходы прямого и обратного потоков рабочей среды с одинаковой точностью и значительно снизить затраты на оборудование измерительного узла.

ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
Предлагаемый первичный преобразователь РППД может найти применение в напорных трубопроводах различного назначения с условным диаметром от 10 до 2500 мм для измерения расхода жидкости, газа и пара. Особенно перспективно использование этого устройства в реверсивных трубопроводах, в которых измерение расхода текучих сред с одинаковой точностью в обоих направлениях будет давать значительный технико-экономический эффект. Среди возможных областей использования предлагаемого первичного преобразователя РППД можно назвать следующие:
- подземные и наземные хранилища газа, нефти и нефтепродуктов;
- водоснабжение населенных мест и промышленных предприятий;
- химическая и нефтехимическая промышленность;
- системы транспортировки и распределения жидкого и газообразного топлива в энергетике;
- технологические газогидравлические системы пищевой промышленности.

Источники информации
1. Кремлевский П. П. Расходомеры счетчики количества: Справочник. 4-е издание, перераб. и доп. - Л.: Машиностроение, 1989, с.10-18.

2. Патент РФ 2157972, G 01 F 1/36, опубл. 20.10.2000.

3. DE 19648588, G 01 F 1/40, опубл. 19.02.1998.

Первичный преобразователь расходомера переменного перепада давления относится к измерительной технике и предназначен для измерения расхода жидкости, газа и пара в одном трубопроводе в прямом и обратном направлениях с одинаковой точностью. Измерительный канал первичного преобразователя образован прямым и обратным равнозначными участками измерения, развернутыми в противоположные стороны симметрично относительно характерного поперечного сечения. Технический результат: расширение функциональных возможностей расходомера. 2 з.п.ф-лы, 8 ил.

1. Первичный преобразователь расходомера переменного перепада давления, выполненный в виде встроенного в трубопровод трубчатого тела с измерительным каналом, содержащим входной и выходной цилиндрические участки с полными поперечными сечениями и расположенные между этими участками по прямому потоку текучей среды входной участок переменного сечения, переходный участок, разделенный по длине поровну характерным поперечным сечением, и выходной участок переменного сечения, при этом для отбора давления в поперечных сечениях выполнены отверстия со штуцерами для присоединения вторичных преобразователей, отличающийся тем, что измерительный канал выполнен с возможностью измерения перепада давления в одном трубопроводе с одинаковой точностью для одного и того же расхода прямого и обратного потоков текучей среды и образован прямым и обратным равнозначными каналами измерения, развернутыми в противоположные стороны симметрично относительно характерного поперечного сечения.2. Первичный преобразователь расходомера переменного перепада давления по п.1, отличающийся тем, что прямой канал измерения включает входной цилиндрический участок с полным поперечным сечением, входной участок переменного сечения и переходный участок половинной длины до характерного поперечного сечения, а обратный канал измерения включает переходный участок половинной длины от характерного поперечного сечения, выходной участок переменного сечения и выходной цилиндрический участок с полным поперечным сечением.3. Первичный преобразователь расходомера переменного перепада давления но п.1, отличающийся тем, что для отбора давления в поперечных сечениях равномерно по периметру выполнены отверстия, окруженные усредняющими коллекторами со штуцерами, для присоединения вторичных преобразователей.