ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ВИХРЕВОГО ТЕЧЕНИЯ Российский патент 2006 года по МПК G01F1/32 

Изобретение относится к измерительным преобразователям вихревого течения для измерения объемного расхода, массового расхода или скорости течения протекающей в расходомерной трубке в направлении течения среды, содержащим расположенное по ширине в свету расходомерной трубки тело обтекания, служащее для создания вихрей Кармана.

Объемный или массовый расход является, по определению, протекающим в единицу времени через сечение расходомерной трубки соответственно объемом или массой среды. При работе подобного измерительного преобразователя вихревого течения возникает, как известно, вниз по потоку от тела обтекания вихревая дорожка, колебания давления которой преобразуются вихревым датчиком в электрический сигнал, частота которого пропорциональна объемному расходу или скорости течения.

В US-A 6003384 описан обычный на сегодня измерительный преобразователь вихревого течения для измерения объемного расхода или скорости течения среды, протекающей в содержащей стенку расходомерной трубке в направлении течения, содержащий расположенное вдоль диаметра расходомерной трубки тело обтекания, служащее для создания вихрей Кармана и соединенное изнутри со стенкой расходомерной трубки в первом и втором противоположных друг другу местах фиксации, срабатывающий от созданных вихрями колебаний давления вихревой датчик, который вниз по потоку от тела обтекания вставлен в отверстие стенки расходомерной трубки и герметизирует его, причем центр отверстия вместе с центром первого места фиксации тела обтекания лежит на образующей расходомерной трубки, причем вихревой датчик содержит перекрывающую отверстие мембрану с обращенной к среде первой и обращенной от среды второй поверхностями, закрепленный на первой поверхности мембраны клинообразный сенсорный флажок, который меньше диаметра расходомерной трубки и имеет совпадающие с образующей расходомерной трубки основные поверхности и переднюю кромку, и закрепленный на второй поверхности сенсорный элемент.

При определении еще и температуры среды можно с учетом мгновенной плотности среды и, при необходимости, также мгновенного давления в среде определить другие свойства среды, в частности ее мгновенное термодинамическое состояние, и, тем самым, используя объемный расход, измерить также массовый расход. Это может осуществляться, например, посредством микропроцессора, который расположен в электронном блоке обработки, соединенном соответственно с измерительным преобразователем вихревого течения и обрабатывающем подаваемые им измерительные сигналы.

Названные обстоятельства уже давно описаны в связи с измерением температуры у измерительных преобразователей вихревого течения с разными видами вихревых датчиков. Так, в US-A 4048854 и US-A 4404858 описан соответственно температурный датчик, который расположен изнутри на стенке расходомерной трубки с возможностью обтекания протекающей средой.

В JP-A 2000-2567 описан измерительный преобразователь вихревого течения для измерения массового расхода, объемного расхода или скорости течения среды, протекающей в имеющей стенку расходомерной трубке в направления течения, содержащий фиксированную одной стороной на стенке трубы изнутри посредством основания лопасть, которая создает при работе вихри Кармана, выполнена меньше диаметра расходомерной трубки и имеет ориентированные перпендикулярно направлению течения параллельные основные поверхности и скругленную переднюю поверхность, на которой расположен температурный датчик, закрепленные вблизи места фиксации первые сенсорные элементы для созданных вихрями Кармана колебаний давления протекающей среды и закрепленные вблизи места фиксации вторые сенсорные элементы для созданных протекающей средой отклонений лопасти.

Также этот температурный датчик обтекается протекающей средой и, как установили авторы, не является стойким ко всем встречающимся при работе средам, т.е. некоторые среды вызывают коррозию расположенных таким образом температурных датчиков.

Эти вызывающие коррозию температурного датчика среды должны быть поэтому исключены изготовителем измерительных преобразователей вихревого течения из применения вместе с ним. Подобное исключение сужает, однако, диапазон применения этих измерительных преобразователей вихревого течения, т.е. универсальность их применения, и, тем самым, уменьшает их привлекательность на рынке.

Лежащей в основе изобретения задачей является создание измерительных преобразователей вихревого течения, содержащих тело обтекания и фиксированный в стенке расходомерной трубки вихревой датчик, а также, по меньшей мере, два температурных датчика, расположенных с возможностью использования соответствующего измерительного преобразователя вихревого течения также вместе с такими средами, которые вызвали бы коррозию температурных датчиков.

Эта задача решается, согласно изобретению, посредством измерительного преобразователя вихревого течения для измерения протекающей в трубопроводе среды, в частности для измерения скорости течения, объемного и/или массового расхода среды, который включает в себя вставленную в трубопровод расходомерную трубку для пропускания протекающей среды, расположенное по ширине в свету расходомерной трубки тело обтекания, служащее для создания вихрей Кармана в среде, срабатывающий от созданных вихрями колебаний давления вихревой датчик с погруженным в протекающую среду вниз по потоку от тела обтекания, движимым вихрями, в частности повторно, сенсорным флажком и, по меньшей мере, одним, механически связанным с сенсорным флажком и реагирующим на движения сенсорного флажка сенсорным элементом, а также первый и, по меньшей мере, один второй температурный датчики для регистрации температур протекающей среды.

В первом варианте осуществления изобретения оба температурных датчика расположены к тому же внутри сенсорного флажка на расстоянии друг от друга и вставлены в сенсорный флажок так, что не смачиваются при работе протекающей средой.

Согласно предпочтительному первому выполнению изобретения сенсорный флажок или тело обтекания имеет, по меньшей мере, одно глухое отверстие, в которое вставлен, по меньшей мере, один из обоих температурных датчиков.

Согласно предпочтительному второму выполнению изобретения оба температурных датчика вставлены, по меньшей мере, в одно глухое отверстие.

Одно преимущество изобретения состоит в том, что температурные датчики не имеют возможности соприкосновения с протекающей средой и, тем самым, не могут корродировать. Тем не менее, температурные датчики расположены настолько близко к среде, что могут регистрировать ее температуру практически без задержки, в частности, также в различных измерительных точках; они отделены от среды лишь тонкой стенкой вихревого датчика или тела обтекания, и эти детали, как и остальные детали измерительного преобразователя вихревого течения, изготовлены из металла, предпочтительно высококачественной стали, и, тем самым, обладают хорошей теплопроводностью.

Другое преимущество изобретения состоит в том, что расположенные в сенсорном флажке или в теле обтекания температурные датчики, как это описано, например, в F.P.Incropera und D.P.DeWitt "Fundamentals of Heat and Mass Transfer", 4. Edition, 1996, ISBN 0-471-30460-3, стр.114-119 и 407, приводят к улучшению измерения температуры среды, в частности также протекающей среды.

Изобретение и другие преимущества более подробно поясняются с помощью примеров выполнения, изображенных на чертежах. Одинаковые детали обозначены на разных фигурах одинаковыми ссылочными позициями, которые, однако, опущены, если это требуется для наглядности.

Фиг.1 - в перспективе и частично в разрезе, если смотреть в направлении течения, измерительный преобразователь вихревого течения в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения.

Фиг.2 - в перспективе и частично в разрезе, если смотреть против направления течения, измерительный преобразователь вихревого течения из фиг.1.

Фиг.3 - в перспективе вид снизу вихревой датчик из фиг.1 и 2.

Фиг.4 - в перспективе продольный разрез вихревого датчика из фиг.3.

Фиг.5 - аналогично фиг.2 в перспективе и частично в разрезе измерительный преобразователь вихревого течения в соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения.

Фиг.1-4 описаны ниже сообща, поскольку все подробности представлены не на каждой фигуре. Изображенные на фиг.1 и 2 и служащие для обзора перспективные виды примера выполнения первого варианта показывают в направлении течения (фиг.1) и против направления течения (фиг.2) частично в разрезе измерительный преобразователь 1 вихревого течения с фиксированным на стенке 21 расходомерной трубки 2 и проходящим через отверстие 22 вихревым датчиком 3. Последний представляет собой предпочтительно динамически компенсирующий вихревой датчик с емкостным сенсорным элементом, как он описан в US-A 6003384, содержание которого включено в данную заявку.

Вдоль диаметра расходомерной трубки 2 внутри нее расположено тело 4 обтекания, которое прочно соединено с расходомерной трубкой 2 с образованием видимого первого 41 и скрытого второго 41^* мест фиксации. Центры отверстия 22 и места 41 фиксации лежат на образующей расходомерной трубки 2.

Тело 4 обтекания имеет отражающую поверхность 42, на которую натекает измеряемая при работе среда, например жидкость, газ или пар. Тело 4 обтекания имеет далее две боковые поверхности, из которых на фиг.1 и 2 видна лишь (передняя) боковая поверхность 43. Отражающая поверхность 42 и боковые поверхности образуют две кромки отрыва, из которых на фиг.1 лишь (передняя) кромка 44 отрыва видна полностью, а (задняя) кромка 45 отрыва - схематично.

Тело 4 обтекания на фиг.1 и 2 имеет, в основном, форму прямого треугольного столба, т.е. столба треугольного сечения. В изобретении могут использоваться также и другие обычные формы тела обтекания.

За счет натекания среды на отражающую поверхность 42 вихревая дорожка Кармана образуется в среде вниз по потоку от тела 4 обтекания за счет того, что на каждой кромке отрыва попеременно отрываются вихри, захватываемые протекающей средой. Эти вихри создают локальные колебания давления в среде, отнесенная ко времени частота отрыва которых, т.е. так называемая частота вихрей, является мерой скорости течения и/или объемного расхода среды.

Колебания давления преобразуют посредством вихревого датчика 3 в электрический вихревой сигнал, подаваемый к электронному блоку обработки (не показан), который обычным образом вычисляет скорость течения и/или объемный расход среды.

Вихревой датчик 3 вставлен вниз по потоку от тела 4 обтекания в отверстие 22 стенки 21 расходомерной трубки 2 и герметизирует отверстие 22 от образующей расходомерной трубки 2, для чего вихревой датчик 3 свинчен со стенкой 21. Для этого служат, например, четыре винта, из которых на фиг.1 и 2 видны три винта 5, 6, 7, тогда как на фиг.3 изображены соответствующие отверстия 50, 60, 70, 80.

От вихревого датчика 3 на фиг.1 и 2 видны направленный внутрь расходомерной трубки 2 через отверстие 22 в стенке 21 клинообразный сенсорный флажок 31 и крышка 32 корпуса. Крышка 32 корпуса переходит через тонкостенную проставку 323 в продолжение 322, см. US-A 6003384.

Сенсорный флажок 31 имеет основные поверхности, из которых на фиг.1 и 2 видна только основная поверхность 311. Основные поверхности совпадают с упомянутой образующей расходомерной трубки 2 и образуют переднюю кромку 313. Сенсорный флажок 31 может иметь также другие подходящие пространственные формы; так, он может иметь, например, две параллельные основные поверхности, которые образуют две параллельные передние кромки.

Сенсорный флажок 31 меньше диаметра расходомерной трубки 2; он более изгибно-жесткий и имеет глухое отверстие 314 (видно только на фиг.4). Для того чтобы глухое отверстие 314 имело достаточный диаметр, из основных поверхностей выступают части стенки, из которых на фиг. 3 обозначена часть 315 стенки. Глухое отверстие 314 доходит близко к передней кромке 313 и имеет там дно.

К вихревому датчику 3 относится далее перекрывающая отверстие 22 мембрана 33 с обращенной к среде первой 331 и обращенной от среды второй 332 поверхностями (фиг.3 и 4). На поверхности 331 фиксирован сенсорный флажок 31, а на поверхности 332 - сенсорный элемент 36. Предпочтительно сенсорный флажок 31, мембрана 33, ее кольцеобразный край 333 и закрепленная на мембране 33 часть 361 сенсорного элемента 36 изготовлены из цельного куска материала, например металла, в частности высококачественной стали. Сенсорный элемент 36 создает упомянутый выше сигнал, частота которого пропорциональна объемному расходу протекающей среды.

Вблизи дна глухого отверстия 314 фиксирован первый температурный датчик 34, который служит для подачи температурного сигнала, на который влияет температура протекающей среды, к уже упомянутому электронному блоку обработки. Также в глухом отверстии 314 над температурным датчиком 34 расположен второй температурный датчик 35, который при работе создает второй температурный сигнал, на который также влияет температура среды. Оба температурных датчика 34, 35 реализованы предпочтительно посредством платиновых резисторов, например Pt100 или Pt1000; для температурных датчиков 34, 35 могут быть использованы, например, также термоэлементы или восприимчивые к температуре полупроводниковые элементы.

Поскольку сенсорный флажок 31 и, в частности, часть 315 его стенки могут быть сделаны достаточно тонкими и, кроме того, состоят предпочтительно из металла, расположенный ближе к дну глухого отверстия 314 температурный датчик 34 имеет практически мгновенную температуру протекающей мимо сенсорного флажка 31 среды. Из-за небольшой теплоемкости устройства он также способен достаточно быстро и практически без задержки следить за изменениями температуры среды.

Температурный датчик 35, напротив, позиционирован в глухом отверстии 314 предпочтительно близко к мембране 33, так что с его помощью можно регистрировать температуру, на которую минимально влияет мгновенная характеристика течения среды.

Таким образом, при использовании подаваемых температурными датчиками 34, 35 температурных сигналов в сочетании, например, с хранящимися в электронном блоке обработки математическими моделями теплопередачи от среды к сенсорному флажку 31 или процессов распространения тепла внутри сенсорного флажка 31 температуру можно определить гораздо точнее, чем, например, только одним температурным датчиком.

Исходя из определяемой соответственно с высокой точностью температуры среды в сочетании с также определяемым мгновенным объемным расходом можно с высокой точностью определить также плотность и/или массовый расход среды. Кроме того, при работе с помощью определяемой таким образом температуры среды можно очень точно определить также число Рейнольдса и Струхаля и, тем самым, осуществить возможные корректировки измеренного объемного расхода.

Попарно соединенные с температурными датчиками 34, 35, служащие для их связи с электронным блоком обработки подводящие провода 341, 342, 343, 344 выведены центрально вверх через вихревой датчик 3. Конструктивно простым образом один из подводящих проводов одной пары 341, 342 или 343, 344 может отпасть, если температурный датчик 34, 35 электрически контактирует с сенсорным флажком 31 и, тем самым, имеет потенциал нейтрали схемы; подводящие провода 341, 343 могут быть также, например, заменены одним общим проводом нейтрали схемы.

Для фиксации обоих температурных датчиков 34, 35 в глухом отверстии 314 последнее при изготовлении вихревого датчика 3 после позиционирования температурных датчиков 34, 35 заполняют заливочной массой, в частности заливочной массой с высокой температуропроводностью и высокой температуростойкостью. В качестве заливочной массы можно использовать, например, керамический клей или эпоксидную смолу.

Предпочтительным образом глухое отверстие 314 может быть на верхнем, близком к мембране участке, в частности в зоне выступающих частей стенки, немного расширено по сравнению с близким к дну участком, чтобы облегчить монтаж обоих температурных датчиков 34, 35 и их подводящих проводов 341, 342, 343, 344 и/или заполнение заливочной массой.

На фиг.5 по аналогии с фиг.2 в перспективе и частично в разрезе изображен измерительный преобразователь 1' вихревого течения в соответствии со вторым вариантом изобретения. Совпадающие с деталями на фиг.2 детали на фиг.5 еще раз не поясняются, однако их ссылочные позиции снабжены на фиг.5 апострофом.

Отличия примера выполнения второго варианта изобретения от примера выполнения его первого варианта состоят, с одной стороны, в том, что тело 4' обтекания снабжено глухим отверстием 46, которое соосно второму отверстию 24 в стенке 2' и в которое вставлены оба температурных датчика 34', 35', а с другой стороны, в том, что клинообразный сенсорный флажок 31' имеет две плоские основные поверхности 311'. Температурные датчики 34', 35' соединены соответствующим образом с подводящими проводами 341', 342' и 343', 344'.

Глухое отверстие 46 может быть выполнено в теле 4' обтекания на любую глубину; предпочтительно его дно 461 лежит так, что температурный датчик 34' расположен посередине тела 4' обтекания. Аналогично первому варианту второй температурный датчик 35' расположен предпочтительно как можно ближе к стенке 21' в глухом отверстии 46.

Поскольку тело 4' обтекания может быть сделано в зоне глухого отверстия 46 достаточно тонким и состоит, как и сенсорный флажок 31 на фиг.1-4, предпочтительно из металла, в частности высококачественной стали, температурный датчик 34' имеет опять-таки мгновенную температуру протекающей мимо тела 4' обтекания среды и из-за небольшой теплоемкости устройства также способен достаточно быстро и практически без задержки следить за изменениями температуры среды. Таким образом, на основе подаваемых температурными датчиками 34', 35' температурных сигналов можно очень точно измерить температуру среды, в частности с использованием математических моделей теплопередачи от среды к телу 4' обтекания или процессов распространения тепла внутри тела 4' обтекания.

Измерительный преобразователь вихревого течения, согласно изобретению, благодаря своей высокой точности, с которой можно измерить как скорость течения, так и температуру протекающей среды, прекрасно подходит также для измерения пара, в частности также для определения аккумулированного в протекающей среде количества тепла и/или плотности среды.

Измерительный преобразователь вихревого течения предназначен для измерения объемного и массового расхода, а также плотности. Преобразователь содержит вставленную в трубопровод расходомерную трубку, в которой расположено тело обтекания, создающее вихри Кармана и, тем самым, колебания давления. В отверстие стенки расходомерной трубки вниз по потоку от тела обтекания вставлен вихревой датчик с погруженным в протекающую среду сенсорным флажком, с которым механически связан сенсорный элемент, установленный на мембране, перекрывающей отверстие стенки. В глухом отверстии тела обтекания или сенсорного флажка, заполненном заливочной массой с высокой температуропроводностью, расположены два температурных датчика. Тело обтекания и вихревой датчик изготовлены из металла. Изобретение повышает точность измерения в агрессивных средах, позволяет определить аккумулированное в протекающей среде количество тепла. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Измерительный преобразователь (1) вихревого течения для измерения протекающей в трубопроводе среды, в частности для измерения скорости течения, объемного и/или массового расхода среды, включающий в себя вставленную в трубопровод расходомерную трубку (2) для пропускания протекающей среды, расположенное по ширине в свету расходомерной трубки (2) тело (4) обтекания, служащее для создания вихрей Кармана в среде, срабатывающий от созданных вихрями колебаний давления вихревой датчик (3) с погруженным в протекающую среду вниз по потоку от тела (4) обтекания, движимым вихрями, в частности повторно, сенсорным флажком (31) и, по меньшей мере, одним, механически связанным с сенсорным флажком (31) и реагирующим на движения сенсорного флажка (31) сенсорным элементом (36), а также первый (34) и, по меньшей мере, один второй (35) температурные датчики для регистрации температур протекающей среды, причем оба температурных датчика (34, 35) расположены внутри сенсорного флажка (31) на расстоянии друг от друга и вставлены в него так, что не смачиваются при работе протекающей средой.2. Преобразователь (1) по п.1, у которого сенсорный флажок (31) имеет, по меньшей мере, одно глухое отверстие (314), в которое вставлен, по меньшей мере, один из обоих температурных датчиков (34, 35).3. Измерительный преобразователь (1') вихревого течения для измерения протекающей в трубопроводе среды, в частности для измерения скорости течения, объемного и/или массового расхода среды, включающий в себя вставленную в трубопровод расходомерную трубку (2') для пропускания протекающей среды, расположенное по ширине в свету расходомерной трубки (2') тело (4') обтекания, служащее для создания вихрей Кармана в среде, срабатывающий от созданных вихрями колебаний давления вихревой датчик (3') с погруженным в протекающую среду вниз по потоку от тела (4') обтекания, движимым вихрями, в частности повторно, сенсорным флажком (31') и, по меньшей мере, одним, механически связанным с сенсорным флажком (31') и реагирующим на движения сенсорного флажка (31') сенсорным элементом (36'), а также первый (34') и, по меньшей мере, один второй (35') температурный датчики для регистрации температур протекающей среды, причем оба температурных датчика (34', 35') расположены внутри тела (4') обтекания на расстоянии друг от друга и вставлены в него так, что не смачиваются при работе протекающей средой.4. Преобразователь (1) по п.3, у которого тело (4') обтекания имеет, по меньшей мере, одно глухое отверстие (314'), в которое вставлен, по меньшей мере, один из обоих температурных датчиков (34', 35').5. Преобразователь (1;1') по п.2 или 4, у которого температурные датчики (34, 35; 34', 35') вставлены, по меньшей мере, в одно глухое отверстие (314; 314').