СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ МАССОВОГО РАСХОДА ЖИДКОСТИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2005 года по МПК G01F1/90 G01F1/08 G01N9/26 

Изобретение относится к области приборостроения, а именно к приборам для измерения расхода жидкости.

Известен датчик малых расходов (Авт. свид. СССР №327383, МПК G 01 F 1/06, 1972), работающий следующим образом. При поступлении измеряемого вещества во входной патрубок и далее в сопло поток раздваивается и в виде двух струй одновременно воздействует на две полулопасти крыльчатки. В результате взаимодействия потока с крыльчаткой последняя вращается со скоростью, прямо пропорциональной скорости (объемному расходу) измеряемого вещества. Обороты крыльчатки фиксируются любыми известными способами: оптическим, индукционным, индуктивным и т.п.

Выполнение лопастей в виде двух криволинейных поверхностей и подача на них определенным образом потока позволяет в два раза увеличить по сравнению с известными приборами величину силы, создающей вращающий момент М_вр. на крыльчатке.

Однако недостатком этого устройства является то, что показания приборов зависят от профиля скорости жидкости на входе и от ее вязкости.

Известен тангенциальный турбинный преобразователь расхода (Авт. свид. СССР №1663436, МПК G 01 F 1/10, 1991), который содержит корпус с измерительной цилиндрической камерой, тангенциальным входным каналом и выходным каналом, установленную в измерительной камере прямолопастную турбинку и турбулизатор потока в виде отверстий в стенке измерительной камеры. С целью повышения точности и расширения диапазона измерения, ось турбинки установлена вертикально, отверстия выполнены диаметром, равным 1-1,2 и глубиной 0,5-1 высоты турбинки, причем в боковой стенке измерительной камеры с шагом 60-120° , а в нижней торцовой стенке с шагом 90-120° , а центральный угол между входным и выходным каналами не превышает 120° .

При таком выполнении устройства, а именно при вращении среды в измерительной камере наличие отверстий на стенках камеры приводит к уменьшению толщины пограничного слоя и тем самым к снижению влияния сил вязкого трения среды на вращение турбинки.

Однако данное устройство не в полной мере решает зависимость показаний от вязкости жидкости.

Известен массовый расходомер с использованием концентрических роторов, основанный на эффекте Кориолиса (Патент РФ №2162207, МПК G 01 F 1/84, 2001). Работа вибрирующих расходных трубок массового расходомера с использованием эффекта Кориолиса основана на силах Кориолиса, вырабатываемых в том случае, когда элемент, через который протекает жидкость, такой как трубка или труба, вращается вокруг оси, перпендикулярной к оси трубы. Расходные трубки Кориолиса обычно не вращаются непрерывно в одном и том же направлении, потому что тогда потребовалось бы вращательное уплотнение (сальник) и сопротивление уплотнения вносило бы ошибки в измерение силы Кориолиса. Вместо этого расходные трубки вибрируют, то есть поворачиваются относительно точки поворота на короткое расстояние в одном направлении, а затем совершают соответствующее движение в инверсном направлении. Сила Кориолиса измеряется не непосредственно, а скорее путем измерения результирующей деформации расходных трубок.

К недостаткам устройства можно отнести его непригодность для измерения расхода при значительных пульсациях давления в среде.

Известен массовый расходомер (заявка РФ №97-117140, МПК G 01 F 1/00, 1997), который решает задачу повышения функциональных возможностей устройства за счет использования его в трубопроводах с различными направлениями движения жидкости и возможностью оперативного перестраивания на заданный диапазон измеряемого расхода и повышения точности замера за счет измерения главного момента количества движения жидкости в устойчивой гидродинамической зоне и применения волоконно-оптических датчиков съема сигнала.

Недостатком устройства является низкий срок службы.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому устройству и способу является первичный преобразователь массового расходомера с одной крыльчаткой (Авт. свид. СССР №310117, МПК G 01 F 1/76, 1971).

Упрощение конструкции, повышение надежности и увеличение срока службы достигается тем, что в нем на крыльчатку, по наружному ее диаметру, установлен полый двусторонний усеченный конус, выполняющий роль цапф конических радиально-упорных гидро- или газостатических подшипников, выполненных в виде установленных в корпусе преобразователя коаксиально по отношению к цапфам двух конических обойм с равномерно расположенными по их периметру радиальными отверстиями, а корпус преобразователя снабжен двумя радиальными отверстиями, сообщающими полости обойм с измерителем разности давлений в этих подшипниках.

В данном преобразователе одновременно измеряются два параметра: скоростной напор и скорость потока, протекающего по трубопроводу вещества, т.е. способ измерения основан на изменении скоростного напора по направлению движения жидкости.

Недостатком этого устройства является недостаточно высокий срок его службы, и имеется зависимость показаний прибора от вязкости жидкости.

Задачей, решаемой настоящим изобретением, является разработка простого в реализации способа измерения массового расхода жидкости и устройства для его осуществления, позволяющего измерять расходы неоднородных жидкостей и имеющих высокие сроки службы и высокую надежность измерений.

Поставленная задача решается с помощью способа измерения массового расхода жидкости путем измерения перепада давления и скорости вращения потока жидкости. Для определения массового расхода жидкости определяют радиальный центробежный перепад давления, и по формуле М=K₁·_{Р· Т, где K1 - определен по калибровке, Р - центробежный перепад давления, Т - период вращения потока жидкости, определяют массовый расход жидкости.}

Поставленная задача решается также с помощью устройства для измерения массового расхода жидкости, содержащего цилиндрический корпус, на оси которого установлена крыльчатка, входной и выходной патрубки и измерительный узел, включающий датчик скорости вращения и связанные со входами дифференциального манометра гидравлические отводы, расположенные входными отверстиями навстречу друг другу. Входной и выходной патрубки расположены тангенциально корпусу, закрытому крышкой с образованием канала для жидкости, при этом гидравлические отводы расположены радиально относительно оси устройства.

Предпочтительно, канал для жидкости с помощью двух разделительных пластин в свою очередь разделен на три канала: канал для втекания жидкости, образованный между первой разделительной пластиной и крышкой, канал постоянного сечения, в который заходят лопатки крыльчатки при ее вращении, и канал вытекания жидкости, образованный второй разделительной пластиной и корпусом.

Предпочтительно, канал для жидкости выполнен в виде спирали и имеет постоянное сечение для снижения нелинейности показаний прибора.

Датчик скорости вращения предпочтительно выполнен тахометрическим.

В предлагаемом способе измерения массового и объемного расхода жидкости предлагается определять радиальный центробежный перепад давления, т.е. перепад давления в жидкости измеряется в направлении, перпендикулярном потоку жидкости, что снижает зависимость показаний прибора от вязкости жидкости, причем способ не требует знания параметров жидкости.

Для реализации способа предложено простое в работе и надежное устройство для измерения массового и объемного расхода жидкости.

На фиг.1 показан вид устройства со снятой крышкой корпуса, на фиг.2 - разрез устройства вдоль оси крыльчатки, а на фиг.3 - разрез устройства по B-B.

Устройство состоит из корпуса 1 с крышкой 2, в сборе образующих между собой на части окружности спиральный канал 3 постоянного сечения, тангенциальных корпусу входного 4 и выходного 5 патрубков, крыльчатки 6, свободно вращающейся на оси 9, с лопатками 7, выходящими в канал 3, и маркерами 8. Области втекания и вытекания жидкости отделены друг от друга и от крыльчатки 6 разделительными пластинами 10, образующими на оставшейся части окружности три канала, соответствующих областям втекания (I), вытекания (II) и балластного вращения (III) жидкости синхронно с крыльчаткой 6. Для измерительных целей устройство снабжено тахометрическим датчиком 11 и гидравлическими отводами 12 для передачи давления на дифференциальный манометр (не показан). Отводы 12 предпочтительно должны располагаться входными отверстиями навстречу друг другу и радиалъно относительно оси устройства.

Устройство работает следующим образом.

Жидкость подается внутрь корпуса 1 через входной патрубок 4 и, пройдя по каналу, образованному первой разделительной пластиной 10 (область втекания I), попадает в спиральный канал 3 постоянного сечения, где она движется одновременно по окружности и вдоль оси 9 устройства. С помощью лопаток 7 движением жидкости в канале 3 приводится во вращение крыльчатка 6 с маркерами 8. Период (или частота) вращения крыльчатки 6 измеряется с помощью тахометрического датчика 11, регистрирующего момент прохождения маркеров 8. Пройдя через спиральный канал 3, жидкость попадает в канал между второй разделительной пластиной 10 и корпусом 1 (область вытекания II) и далее через выходной патрубок 5 покидает устройство. При течении жидкости благодаря его спиральной организации в канале 3 образуется радиальный центробежный перепад давления, который измеряется дифференциальным манометром через гидравлические отводы 12, располагаемые предпочтительно по течению ниже крыльчатки 6.

Таким образом, путем прямого измерения можно определить период Т вращения крыльчатки 6, равный периоду вращения потока жидкости, и центробежный перепад давления Р и для целей дальнейшей обработки получить их в виде цифрового кода на входе произвольного цифрового процессорного устройства необходимой разрядности. Для дальнейшего вычисления объемного расхода Q, массового расхода М и плотности жидкости ρ предлагается воспользоваться следующими закономерностями:

или

Требуемые для расчета постоянные коэффициенты K₁, К₂, К₃ определяются в процессе калибровки прибора и могут быть сохранены в памяти процессорного устройства, осуществляющего вычисление Q, М, ρ по данным первичных измерений Р и Т.

Таким образом, достоинствами предлагаемого способа измерения является то, что способ не требует знания параметров измеряемой жидкости. При этом измеряется центробежный перепад давления, т.е. в направлении, перпендикулярном потоку жидкости, что снижает зависимость показаний прибора от вязкости жидкости. Устройство активно формирует усредненное течение внутри себя за счет взаимодействия неоднородного потока жидкости со спиральным каналом и с крыльчаткой. За счет этого снижается зависимость показаний прибора от профиля скорости жидкости на входе и от ее вязкости. Становится возможным также применение устройства для измерения расхода неоднородных жидкостей (эмульсий, суспензий, газонасыщенных смесей и т.п.), для которых такие характеристики, как вязкость и средняя плотность не определены либо могут изменяться в широких пределах.

Изобретения могут быть использованы для измерения расхода неоднородных жидкостей (эмульсий, суспензий и т.п.), вязкость и средняя плотность которых изменяются в широких пределах. Массовый расход определяют по измерению периода (скорости) вращения потока и радиального центробежного перепада давления. Устройство, реализующее способ, содержит цилиндрический корпус, на оси которого установлена крыльчатка, входной и выходной патрубки, расположенные тангенциально корпусу, и измерительный узел. Корпус закрыт крышкой с образованием канала для жидкости, в который заходят лопатки крыльчатки. Измерительный узел включает в себя датчик скорости вращения и связанные со входами дифференциального манометра гидравлические отводы, расположенные радиально относительно оси устройства входными отверстиями навстречу друг другу. В варианте выполнения канал для жидкости выполнен спиральным. Изобретения отличаются простой реализацией, обеспечивают высокую точность и надежность измерений независимо от профиля скорости жидкости. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ измерения массового расхода жидкости путем измерения перепада давления при движении жидкости и скорости вращения потока, отличающийся тем, что для определения массового расхода жидкости определяют радиальный центробежный перепад давления и по формуле М=К₁·_{Р· Т, где K1 - определен по калибровке, Р - центробежный перепад давления, Т - период вращения потока жидкости, определяют массовый расход жидкости.}2. Устройство для измерения массового расхода жидкости, содержащее цилиндрический корпус, на оси которого установлена крыльчатка, входной и выходной патрубки и измерительный узел, включающий датчик скорости вращения и связанные со входами дифференциального манометра гидравлические отводы, расположенные входными отверстиями навстречу друг другу, отличающееся тем, что входной и выходной патрубки расположены тангенциально корпусу, закрытому крышкой с образованием канала для жидкости, при этом гидравлические отводы расположены радиально относительно оси устройства.3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что канал для жидкости с помощью двух разделительных пластин в свою очередь разделен на три канала: канал для втекания жидкости, образованный между первой разделительной пластиной и крышкой, канал постоянного сечения, в который заходят лопатки крыльчатки при ее вращении, и канал вытекания жидкости, образованный второй разделительной пластиной и корпусом.4. Устройство по п.2 или 3, отличающееся тем, что канал для жидкости выполнен в виде спирали и имеет постоянное сечение.5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что датчик скорости вращения выполнен тахометрическим.