СТРУЙНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ СКОРОСТИ ТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТИ ИЛИ ГАЗА Российский патент 2006 года по МПК G01F1/20 

Объект патента на изобретение относится к категории измерительных систем, предназначенных для контроля скорости и расхода легкоподвижной жидкости или газа. Главная цель - повысить точность и расширить диапазон измерения. Это достигается при помощи новой конструкции струйного элемента, входящего в состав измерителя.

Чувствительным элементом измерителя, первичным преобразователем или датчиком скорости служит автогенератор струйных импульсов, состоящий из одного или нескольких струйных элементов. Струйные элементы содержат сопло, формирующее силовую струю, приемный канал или несколько каналов, в которые втекает силовая струя, камеру взаимодействия струй и течений, расположенную между выходом из сопла и входами и приемные каналы, сливные полости.

В каждом из струйных элементов заявленного измерителя расстояние между выходом из сопла и входами в приемные каналы меньше, чем длина ядра турбулентной струи (А). Кроме того, сопла, формирующие силовые струи, спрофилированы таким образом, что скорость в поперечных сечениях струй на выходах из сопел распределяется равномерно при ламинарной, турбулентной и смешанной формах течения. Соединение в одном элементе этих двух признаков, характеризующих расстояние между фрагментами элемента и геометрию сопла соответственно, привело к новому качеству работы измерителя - существенно расширился диапазон линейной части измерительной шкалы за счет охвата области малых скоростей.

Принцип работы измерителя основан на свойстве ламинарных и турбулентных струй. Направления распространения струй изменяются при их соударении и при взаимодействии с близко расположенными кромками и стенками. В струйных элементах автогенераторов возникают автоколебания струй за счет отклонения струй другими струями, и на выходах струйных элементов образуются импульсы давления, которые преобразуются в электрический сигнал при помощи, например, бароэлектрического преобразователя. Частота импульсов прямо пропорционально зависит от скорости струи на выходе из сопла струйного элемента и скорости контролируемого течения. При определенных условиях скорости распределяются равномерно в поперечных сечениях струй.

"На начальном участке струи протяженностью h_н имеется ядро постоянных скоростей, в котором скорость частиц равна их скорости на выходе из сопла. Остальную часть сечения на этом участке занимает пограничный слой. На основном участке струи при h>h_н пограничный слой занимает все сечение и скорость на оси струи уменьшается с увеличением h. В литературе приводятся различные данные о форме и протяженности ядра постоянных скоростей. На начальном участке, т.е. при h≤h_н, или h/d₀≤5 (с учетом принятого соотношения h/do=5), ν_ос/ν_o=1. Здесь d₀ - диаметр сопла, ν_oc - скорость на оси струи, ν_o - скорость на выходе из сопла". (Л.А.Залманзон. Теория элементов пневмоники. «НАУКА», М., 1969, 58, 59, 65). См. также: B.G.Newman. The deflection of plane jets by adjacent boundaries - Coanda effect. Boundary layer and flow control. Pergamon Pross. London - New-York, 1961; С.Л.Трескунов. Особенности соударения струй в камерах струйных элементов, Новое в пневмонике. Наука, М., 1969, 93-98;. А.Н.Климов. Основы теории автогенератора гидродинамических импульсов, Датчики и системы, 2000, №5, 19-23.

Авторы заявки описывают конструкцию струйного элемента автогенератора, в которой расстояние l между выходом из сопла к входом в приемный канал меньше, чем пятикратная ширина сопла: l<5b (b - ширина сопла). В этом случае скорость на оси отклоненной струи, попеременно входящей в одно из приемных сопел (поз.2 и 3 на чертеже), приближенно равна скорости ν_o на выходе из сопла.

Суть изобретения заключается в том, что при заявленном условии, которое характеризует признак (А) п.1 ф-лы, в приемный канал всегда попадает часть ядра струи.

Таким образом в заявленной конструкции измерителя при соблюдении соотношения в струйном элементе, которое характеризует признак (А), обеспечивается существенное улучшение линейности метрологической характеристики измерителя и тем самым повышение точности измерения за счет того, что скорость струи на входе в приемный канал струйного элемента всегда равна приближенно скорости на выходе из сопла. В экспериментах авторы заявки получили удовлетворительные результаты при l=4b. Однако расстояние l между выходом из сопла и входами в приемные каналы может быть даже меньше, чем 4b, оставаясь в то же время меньшим длины ядра.

Известно устройство (см. Струйный расходомер. А.с. СССР 1295230. Бюл. №9, 07,03.1987), "содержащее размещенные между двумя параллельными пластинами сопло, клинообразный разделитель, установленный против сопла, и рабочую камеру, расположенную между соплом и клинообразным разделителем, в котором частота колебаний струи, являющаяся выходным сигналом расходомера, линейно зависит от величины измеряемого расхода в автомодельном по числу Рейнольдса режиме скоростей основной и обратной струй."

Однако в этом устройстве частота колебаний струи нелинейно зависит от расхода при малой скорости струи, соответствующей ламинарной форме течения.

Известен струйный датчик расхода, принятый здесь за прототип (см. Струйный датчик расхода. А.с. СССР 1629757, кл. G 01 F 1/48, Бюл. №7, 23.02.1991), «содержащий корпус и струйный переключатель, состоящий из набора бистабильных струйных переключателей, выходные окна которого сообщены каналами с бароэлектрическим преобразователем, выполненным в виде пьезокерамического диска. В струйном переключателе происходит периодическое переключение направления течения формирующейся силовой струи за счет обратных связей. При этом в выходных окнах возникают поочередно импульсы давления. Частота этих импульсов пропорциональна расходу измеряемой среды. При прохождении измеряемой среды на датчике создается перепад давлений, формирующий силовые струи бистабильных усилителей, или в случае байпасного подключения перепад давлений создается дополнительным сужающим устройством, установленным в основной магистрали трубопровода."

Датчик расхода, принятый за прототип, обладает следующими недостатками.

1. Частота импульсов не пропорциональна расходу при малой скорости течения вследствие неравномерного распределения скорости в соплах бистабильных усилителей и в поперечных сечениях силовых струй.

2. В случае байпасного подключения датчика к магистральному трубопроводу дополнительное сужающее устройство существенно увеличивает гидравлическое сопротивление трубопровода.

3. При работе датчика используется дополнительный источник электроэнергии для питания вторичной электроаппаратуры.

Основные отличия разработанного устройства от известных

1. В струйных элементах автогенератора расстояние между выходом из сопла и входами в приемные каналы меньше, чем длина ядра турбулентной струи. При этом сопла струйных элементов спрофилированы таким образом, что скорость в соплах и в поперечных сечениях силовых струй в пределах ядра турбулентной струи распределяется равномерно при ламинарной, турбулентной и смешанной формах течения.

2. В случае байпасного подключения датчика к магистральному трубопроводу дополнительное сужающее устройство не используется и гидравлическое сопротивление трубопровода практически не изменяется.

В одной из конструкций измерителя автогенератор встроен внутрь хорошо обтекаемого тела, которое при измерениях погружается определенным образом в свободный поток или помещается во фрагмент магистрального трубопровода таким образом, что площади проходных сечений фрагмента в любом его месте равны площади проходного сечения трубопровода. Жидкость или газ обтекают корпус измерителя, как это схематично изображено на чертеже, без какого-либо сужения трубопровода. За счет такого подключения, которое конструктивно может быть выполнено многими способами, измеритель практически не создает дополнительного гидравлического сопротивления трубопровода в месте установки. Перепад давления, необходимый для формирования струи, создается за счет скоростного напора потока.

3. Измеритель работает только за счет кинетической энергии контролируемого течения. То есть он полностью автономен относительно источников электропитания. Для выработки электроэнергии питания вторичной электрической аппаратуры используется часть кинетической энергии контролируемого потока, например, путем преобразования струйных импульсов (давления) в электрические сигналы с аккумулированием.

На чертеже приведена схема, поясняющая суть заявленного изобретения. Этот пример схематично раскрывает существо изобретения независимо от конструкции автогенератора.

Жидкость или газ, проходя через точку контроля, попадают в струйные элементы автогенератора струйных импульсов. В сопле 1 формируется силовая струя, скорость которой на выходе приближенно равна скорости контролируемого течения. Направление струи периодически изменяется в процессе ее автоколебаний, и в приемных каналах 2 и 3 возникают струйные гидродинамические импульсы, частота которых пропорциональна скорости струи. Каналы 2 и 3 подсоединены к бароэлектропреобразователю ЭП, например, пьезокерамического типа, в котором струйные импульсные сигналы преобразуются в электрические. По частоте f импульсов определяются скорость и объемный расход контролируемого течения.

Области применения: измерение скорости ветра, стратосферных, морских и океанских течений, путевой скорости летательных аппаратов и кораблей, в системах автоматического учета и контроля за расходом нефтепродуктов, в технологическом освоении углеводородов континентального шельфа, в технологии воздействий на нефтегазовые пласты, в атомной и водородной энергетике и др.

Измеритель содержит автогенератор струйных импульсов, состоящий из струйных элементов с соплами и приемными каналами. В каждом струйном элементе расстояние между выходом из сопла и входами в приемные каналы меньше, чем длина ядра турбулентной струи. Измеритель может быть выполнен с возможностью работы только за счет кинетической энергии контролируемого потока, используемой для выработки энергии питания вторичной электроаппаратуры. Изобретение обеспечивает повышение точности и расширение диапазона измерения скорости и объемного расхода. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Струйный измеритель скорости течения жидкости или газа, содержащий автогенератор струйных импульсов, частота которого зависит от скорости течения, состоящий из струйных элементов с соплами и приемными каналами, отличающийся тем, что в каждом струйном элементе расстояние между выходом из сопла и входами в приемные каналы меньше, чем длина ядра турбулентной струи.2. Струйный измеритель по п.1, отличающийся тем, что он выполнен с возможностью работы только за счет кинетической энергии контролируемого течения.