БЕСКОНТАКТНЫЙ ТЕПЛОВОЙ РАСХОДОМЕР ЖИДКОСТИ Российский патент 2007 года по МПК G01F1/708 G01F1/69 G01F15/02 

Изобретение относится к области приборостроения, в частности к средствам измерения расхода потоков веществ, а именно к тепловым расходомерам.

Известны тепловые расходомеры (калориметрические, теплового пограничного слоя, меточные), обладающие таким существенным преимуществом, как бесконтактность. Это качество позволяет измерять расход агрессивных и токсичных жидкостей, пульп, суспензий (Расходомеры и счетчики количества веществ: Справочник: Кн. 2. - 5-е изд., перераб. и доп. - СПб.: Политехника, 2004. - С.66, 82, 92). Тем не менее такие расходомеры не могут измерять расход жидкостей в трубопроводах с частично заполненным поперечным сечением.

Известен поплавковый расходомер с преобразователями термоанемометрического типа и преобразователем уровня в виде угловых перемещений (Азимов Р.К. Измерительные преобразователи с тепловыми распределенными параметрами. - М.: Энергия, 1977. - С.56-59). Указанный расходомер применим для измерения расхода жидкости в открытом канале. При этом расход определяется произведением величин скорости (определяемой термоанемометром) и уровня (определяемого поплавковым методом) при постоянной ширине потока в точке установки термоанемометров. Таким образом, в устройстве используются два преобразователя различных видов, чувствительные элементы которых размещены непосредственно в потоке жидкости, что ограничивает его практическое применение преимущественно измерением расходов чистых жидкостей без механических примесей (например, в гидромелиоративных системах). Кроме того, точность измерения расхода таким устройством существенно зависит от стабильности величины уровня и распределения скоростей по сечению канала.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности является бесконтактный тепловой меточный расходомер (RU, N 2152593 C1, G01F 1/708, 10.07.2000). Указанный расходомер имеет теплоизолирующий корпус, в котором размещен металлический патрубок с расположенными на его наружной поверхности нагревателем, измерительным и компенсационным термопреобразователями и дополнительными измерительным и компенсционным термопреобразователями, включенными в смежные плечи мостов, выходные сигналы которых поступают на вход вычислительного блока.

Известный расходомер не пригоден для измерения расхода жидкости в трубопроводах с частично заполненным поперечным сечением, так как основные закономерности его функционирования предполагают наличие жидкости во всем поперечном сечении трубопровода (канала), а при частичном заполнении трубопровода точность измерения расхода жидкости будет низкой.

Задачей предлагаемого технического решения является расширение функциональных возможностей расходомера за счет обеспечения измерения расхода в трубопроводах с частично заполненным поперечным сечением и увеличение точности измерения.

Поставленная задача достигается тем, что в бесконтактном тепловом расходомере жидкости, включающем теплоизолирующий корпус, в котором размещен металлический патрубок с расположенными на его наружной поверхности нагревателем, измерительным и компенсационным термопреобразователями и дополнительными измерительным и компенсационным термопреобразователями, установленными в нижней (донной) части патрубка, включенными в смежные плечи мостов, выходные сигналы которых поступают на вход вычислительного блока, согласно изобретению измерительный и компенсационный термопреобразователи выполнены кольцевыми, при этом измерительный термопреобразователь размещен непосредственно за нагревателем, а дополнительный измерительный термопреобразователь установлен на расстоянии l от нагревателя по ходу потока, определяемом по формуле l=16·α/v_min, где α - коэффициент температуропроводности материала стенки патрубка, v_min - минимальная скорость потока жидкости в измеряемом диапазоне.

Заявленный расходомер позволяет использовать в одном устройстве метод совокупных измерений двух величин - скорости (v) потока и степени его заполнения (S_n), в котором информативными величинами являются среднеинтегральная температура (Т) стенки патрубка в зоне активного наружного нагрева, представляющая совокупную информацию от v и S_n, и время (τ) переноса метки потоком (G) жидкости по контрольному участку, зависящее только от скорости (v) потока, а расход жидкости в трубопроводе с частично заполненным поперечным сечением (Q=v·S_n) определяется из решения системы уравнений:

Установка дополнительного термопреобразователя на наружной поверхности стенки патрубка расходомера по ходу потока после нагревателя на расстоянии (l) исключает влияние осевой теплопроводности материала стенки трубы на время переноса метки потоком жидкости, а его расположение в нижней (донной) части трубопровода позволяет измерять скорость потока во всем диапазоне изменения степени заполнения сечения трубы (0<S_k≤S_n). Все это приводит к достижению желаемого результата, а именно к более точному измерению расхода в трубопроводах с частично заполненным поперечным сечением.

Чтобы тепловая метка гарантированно переносилась потоком жидкости, а не по стенке патрубка расходомера путем теплопроводности дополнительный термопреобразователь 8 располагается на расстоянии l, равном 16·α/v_min или более на величину погрешности измерения. Зависимость l=16·α/v_min получена в результате сравнения переноса тепловой метки по стенке патрубка расходомера путем теплопроводности и непосредственно потоком жидкости. Расстояние x, на которое перемещается метка по материалу патрубка с коэффициентом температуропроводности α за время t определяется из выражения x=4·√α·t (П.А.Обновленский, Г.А.Соколов "Тепловые системы контроля параметров процессов химической технологии", с.38). Расстояние l, на которое переносится метка потоком жидкости, движущимся со скоростью v за время t, определяется по формуле l=v·t. Условие, при котором метка будет переноситься в зону регистрации потоком жидкости, определяется из неравенств: l≥x; v·t≥4√α·t; l·v·t≥l6·α·t→l≥16·α/v. Минимальная величина l соответствует минимальной скорости (V_min). В исследуемом диапазоне l=16·α/v_min.

При исследовании известного уровня техники не было выявлено аналогичных технических решений, которые характеризовались бы идентичной совокупностью существенных признаков с достижением такого же технического результата, какой получен в предлагаемом техническом решении, что позволяет сделать вывод о его соответствии критериям "новизна" и "изобретательский уровень". Заявляемый бесконтактный тепловой расходомер может быть изготовлен с применением известных материалов и технических средств, что говорит о соответствии его критерию "промышленная применимость".

На фиг.1 представлена блок-схема предлагаемого расходомера. Заявленный тепловой расходомер состоит из теплоизолирующего корпуса 1, внутри которого расположен канал 2 (металлический патрубок) с поперечным сечением S_к, на наружной поверхности которого расположен нагреватель 3, управляемый блоком 4; имеются компенсационный 5 и измерительный 6 кольцевые термопреобразователи, которые навиты на наружную поверхность патрубка, а также дополнительный компенсационный термопреобразователь 7 и дополнительный измерительный термопреобразователь 8 (пленочные терморезисторы), которые установлены в донной части патрубка. При этом термопреобразователь 6 устанавливают непосредственно за нагревателем по ходу потока, как у известных бесконтактных расходомеров теплового пограничного слоя, а термопреобразователь 8 - на расстоянии l от нагревателя 3 по ходу потока. Термопреобразователи 5 и 6 включены в смежные плечи моста 9, а термопреобразователи 7 и 8 - в смежные плечи моста 10. Выходные сигналы с измерительных диагоналей мостов после усиления в блоках 11 и 12 поступают на вход вычислительного блока 13 и далее - на устройство отображения (монитор) 14.

Расходомер работает следующим образом. Блок управления 4 включает нагреватель 3 на постоянную по величине мощность. При этом в зависимости от степени заполнения патрубка 2 и скорости потока жидкости изменяется коэффициент конвективного теплообмена (α) от стенки патрубка к потоку жидкости, частично заполняющего сечение канала. Как следствие изменяется среднеинтегральная температура стенки канала и сопротивление термопреобразователя 6. При этом выходной сигнал моста 9 после усиления в блоке 11 будет функцией двух величин - v и S_n. Для генерации тепловой метки в потоке жидкости вычислительный блок 13 посылает сигнал в блок управления 4, который в свою очередь временно (импульсно) увеличивает мощность нагревателя 3.

Тепловая метка переносится потоком жидкости и при достижении максимумом метки зоны установки дополнительного компенсационного термопреобразователя 7, измерительный мост 10 выходит из равновесия. Это является сигналом для вычислительного блока 13 о фиксации времени τ переноса метки по контрольному участку l, которое зависит только от локальной скорости потока v. Далее в вычислительном блоке 13 решается система уравнений (1) и определяется величина расхода в частично заполненном трубопроводе как Q=v·S_n.

На фиг.2а, б представлены результаты измерения (графики зависимостей a) τ=f(v); б) T=f(v) при 1-S_n=S_к, 2-S_n=0,5S_к, 3-S_n=0,25S_к), что иллюстрирует возможность графического определения расхода Q=v·S_n тепловым методом в безнапорных системах по результатам прямых измерений величин τ_и и Т_и.

Экспериментальная проверка предлагаемого устройства проводилась на потоках воды в диапазоне скоростей 0,03÷0,12 м/с. Датчик расходомера изготавливался из патрубка ⊘18×0,25 мм. Материал - сталь 1Х18Н9Т.

Проведенный эксперимент показал, что величина l=16·α/v_min для исследуемого расходомера при α=1,7·10^-5 м²/с; v_{min n}=10^-2 м/с, будет: l=(16·1,7·10^-5)/10^-2=27,2 мм.

Учитывая приближенность вычисления, погрешность которого составляет +5% (Обновленский П.А., Соколов Г.А. "Тепловые системы контроля параметров процессов химической технологии", с.38), получим l=28,5 мм. При рассчитанной длине контрольного участка l время переноса метки т зависит только от скорости потока (см. фиг.2). Определяют величину расхода в частично заполненном трубопроводе как Q=v·S_n.

Таким образом, предлагаемый бесконтактный тепловой расходомер позволяет измерять расход жидкостей в трубопроводах с частично заполненным поперечным сечением с меньшей погрешностью.

В теплоизолирующем корпусе расходомера размещен металлический патрубок. На наружной поверхности патрубка расположены нагреватель, измерительный и компенсационный термопреобразователи и установленные в нижней (донной) части патрубка дополнительные измерительный и компенсационный термопреобразователи, включенные в смежные плечи мостов. После усиления выходные сигналы мостов поступают на вход вычислительного блока. Измерительный и компенсационный термопреобразователи выполнены кольцевыми. Измерительный термопреобразователь размещен непосредственно за нагревателем, а дополнительный измерительный термопреобразователь установлен на расстоянии от нагревателя по ходу потока, определяемом по приведенной формуле. Изобретение обеспечивает повышение точности измерения при частично заполненном трубопроводе. 2 ил.

Бесконтактный тепловой расходомер жидкости в трубопроводах с частично заполненным поперечным сечением, включающий теплоизолирующий корпус, в котором размещен металлический патрубок с расположенными на его наружной поверхности нагревателем, измерительным и компенсационным термопреобразователями и дополнительными измерительным и компенсационным термопреобразователями, установленными в нижней (донной) части патрубка, включенными в смежные плечи мостов, выходные сигналы которых поступают на вход вычислительного блока, отличающийся тем, что измерительный и компенсационный термопреобразователи выполнены кольцевыми, при этом измерительный термопреобразователь размещен непосредственно за нагревателем, а дополнительный измерительный термопреобразователь установлен на расстоянии 1 от нагревателя по ходу потока, определяемом по формуле l=16·α/v_min, где α - коэффициент температуропроводности материала стенки патрубка, v_min - минимальная скорость потока жидкости в измеряемом диапазоне.