ГАЗОИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ПРЕИМУЩЕСТВЕННО ДЛЯ МАЛЫХ РАСХОДОВ Российский патент 2009 года по МПК G01F5/00 F15D1/02 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Данное изобретение относится к области измерения потребления газа посредством датчиков расхода, в частности тепловых датчиков расхода. Оно основано на газоизмерительном устройстве, предназначенном для измерения потребления газа в соответствии с ограничительной частью пункта 1 формулы изобретения.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В документе WO 01/96819 А1 описан газовый счетчик, который градуирован в качестве прибора для измерения энергии. Градуировка основана на значениях сигналов датчика, определяемых в зависимости от расхода градуировочного газа и хранящихся в газовом счетчике в виде градуировочной кривой датчика. Градуировочную кривую датчика, или соответственно значения сигналов датчика, умножают на коэффициент преобразования сигналов и на коэффициент теплотворной способности для исходной газовой смеси, так что полученное произведение дает потребление газа в единицах энергии. Реальное значение теплотворной способности расходуемой газовой смеси можно учесть при градуировке по меньшей мере приближенно с помощью дополнительного корректирующего множителя. В качестве действительного значения теплотворной способности может быть использовано значение теплотворной способности, измеренное и усредненное за определенный период.

В патенте США №5750892 описано устройство для измерения расхода, в котором имеется датчик расхода в обводной трубе, причем в устройстве создается протяженный ламинарный элемент потока в основном течении и имеется большое число каналов для потока, а соединения с обводной трубой лежат внутри линейного участка элемента потока. Таким образом, посредством элемента потока или обводной трубы падение давления можно поддерживать в значительной степени линейным в виде функции объемного расхода газа, так как минимизируются нелинейные составляющие, являющиеся результатом турбулентных составляющих потока во впускной и выпускной областях обводной трубы и непостоянного поперечного сечения.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Целью данного изобретения является разработка газоизмерительного устройства, имеющего средство создания перепада давления, причем средство создания перепада давления и газовый счетчик отличаются улучшенным диапазоном измерений. В соответствии с изобретением эта цель достигается с помощью признаков пункта 1 формулы изобретения.

Изобретение заключается в газоизмерительном устройстве, предназначенном для измерения потребления газа, в частности, в частной, общественной или промышленной областях и содержащем газовый счетчик, представляющий собой КМОП-анемометр, который расположен в ответвлении к газопроводу, и средство создания перепада давления, которое расположено в газопроводе и имеет ряд каналов для потока, которые имеют типичный диаметр, причем каналы выполнены на средстве создания перепада давления в различных радиальных положениях, и те каналы для потока, радиальное положение которых находится ближе к входному отверстию обводной трубы, имеют меньший диаметр, а те каналы для потока, радиальное положение которых находится дальше от входного отверстия обводной трубы, имеют больший диаметр, при этом отношение полной длины к полному диаметру средства создания перепада давления составляет более 1. Благодаря такому газоизмерительному устройству выгодное увеличение давления для обводных труб и, следовательно, увеличение результата измерения в обводной трубе для низких расходов потока в газопроводе достигаются даже тогда, когда ветви обводной трубы, т.е. впускной и выпускной каналы, расположены случайным образом в поперечном сечении основного газопровода. Такое средство создания перепада давления обеспечивает улучшенную чувствительность измерений для малых объемных расходов потока и увеличенный диапазон измерений и поэтому особенно удобно для устройств с ламинарным потоком.

В одном варианте каналы для потока имеют диаметры, которые монотонно уменьшаются при увеличении радиального положения начиная от центральной оси средства создания перепада давления. Таким образом, достигается особенно успешная линеаризация и расширение диапазона ламинарного измерения.

В другом варианте входные и/или выходные отверстия каналов имеют углы конусности, в частности, в диапазоне 30°-90°, предпочтительней 45°-75°, особенно предпочтительно 55°-65°. Это создает уменьшенный перепад давления при высоких расходах потока, так что при высоких расходах доля турбулентного потока уменьшается.

В вариантах по п.6 и п.7 дополнительно улучшаются область ламинарного течения в основной трубе и, следовательно, линейность между объемным расходом потока в основной и обводной трубах и диапазон линейных измерений.

Дополнительные варианты выполнения, преимущества и применения изобретения вытекают из зависимых пунктов формулы изобретения, а также из приведенного ниже описания и чертежей.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 является схематическим изображением в поперечном сечении геометрии газового счетчика;

фиг.2 представляет графики, на которых сравниваются относительные распределения давления для различных известных элементов создания перепада давления;

фиг.3а, 3b изображают элемент с пучком трубок для создания перепада давления согласно изобретению, который представлен на виде спереди и в поперечном сечении;

фиг.4 представляет кривые измерения значений относительного перепада давления на элементе с пучком трубок для создания перепада давления согласно изобретению и обычном элементе с пучком трубок для создания перепада давления.

На чертежах одинаковые элементы имеют одинаковые номера позиций.

ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На фиг.1 показано газоизмерительное устройство 1, содержащее газовый счетчик 2, который расположен в измерительном канале или обводной трубе 3, и средство 4 создания перепада давления, которое находится в основной трубе 5. Обычно газовый счетчик 2 имеет тепловой датчик расхода (не показан), предназначенный для определения объема, объема при стандартных условиях или значения энергии протекающего газа. Обводная труба 3 здесь в качестве примера расположена преимущественно на боковой стенке 5а газопровода 5 и имеет в области ответвлений на боковой стенке 5а входное отверстие 3а и выходное отверстие 3b. Обводная труба 3 здесь проходит по существу параллельно газопроводу 5. Возможны также другие варианты расположения, ответвлений и форм обводной трубы 3, которые здесь не показаны. В газопроводе 5 протекает основной поток газа 6а, от которого ответвляется небольшой обводной поток газа 6b. Коэффициент ветвления, т.е. отношение объемных расходов потоков 6b и 6а в значительной степени предопределяется средством 4 создания перепада давления.

На фиг.2 показаны результаты сравнения относительного падения давления Δp_rel в виде функции объемного расхода или объемной скорости течения потока dV/dt для разных средств 4 создания перепада давления, которые известны в настоящее время, а именно для тонкостенной сотовой конструкции 4а, пучка 4b трубок или расходомера 4с Вентури. Сотовая конструкция 4а имеет очень хорошую линейность роста давления в виде функции основного объемного потока 6а. Неблагоприятным является то, что максимально достижимые перепады давления слишком малы, чтобы создать достаточный поток 6b в обводной трубе 3. Расходомер 4с Вентури имеет в целом слишком малую область с ламинарным течением потока и, соответственно, линейным ростом давления и линейным коэффициентом ветвления объемных расходов газа 6b и 6а. Средство 4b с пучком трубок для создания перепада давления имеет ряд каналов 40, которые обычно являются круглыми и расположены так, что проходят вдоль основной трубы 5 и параллельны друг другу. Обычные средства 4b с пучком трубок для создания перепада давления также страдают от упомянутых выше недостатков. Как видно из фиг.2, линейность, конечно, лучше, чем в случае расходомера 4с Вентури, но перепад давления Δp_rel для малых объемных потоков 6а слишком мал.

На фиг.3а, 3b показан вариант средства 4b для создания перепада давления с пучком трубок согласно изобретению. Каналы 40 для потока на средстве 4 для создания перепада давления выполнены в различных радиальных положениях R₁, R₂,

R₃ или, в общем случае, R₁,…,R_n, где n - целочисленный индекс, и имеют типичный диаметр D₁,…,D₄, или, в общем случае, D₁,…,D_m, где m - целочисленный индекс, и, в частности, круглое поперечное сечение. Предпочтительней, если m находится между 2 и 6 или 3 и 5 или m=4.

Согласно данному изобретению те каналы 40 для потока, которые расположены на средстве 4 создания перепада давления ближе к радиальному положению R₁, находящемуся вблизи центра, имеют больший диаметр D₁, D₂, а те каналы 40 для потока, которые расположены на средстве 4 создания перепада давления ближе к радиальному положению R₃, находящемуся вблизи периметра, имеет меньший диаметр D₃, D₄. Предпочтительней, если диаметры каналов 40 D₁>D₂>D₃>D₄ или, в общем случае, D₁>…>D_m начиная от центральной оси А средства 4 создания перепада давления или соответственно газопровода 5 уменьшаются непрерывно, когда радиальная координата R₁<R₂<R₃ или, в общем случае, R₁<…<R_n возрастает. В целом, если ответвления 3а, 3b обводной трубы, т.е. входное и выходное отверстия 3а, 3b, расположены в основной трубе 5 в случайных радиальных положениях R, то согласно изобретению те каналы 40, радиальное положение R₁,…,R_n которых лежит ближе к входному отверстию 3а обводной трубы 3, должны иметь меньший диаметр D₁,…,D_m, а те каналы 40, радиальное положение R₁,…,R_n которых лежит дальше от входного отверстия 3а обводной трубы, должны иметь меньший диаметр D₁,…,D_m.

На фиг.4 представлено сравнение зависимостей относительного перепада давления обычного средства создания перепада давления с пучком трубок, в которых D₁=D₂=D₃=D₄ (8b), и средства создания перепада давления по данному изобретению, в котором D₁≥D₂≥D₃≥D₄ (8a). Видно, что при изменении диаметра отверстия D₁,…,D₄ в соответствии сданным изобретением, а именно увеличении входных отверстий D₁, D₂ вблизи центра и/или уменьшении входных отверстий D₃, D₄, которые расположены по периметру и удалены от центра, относительный перепад давления Δp_rel для малых значений 6а объемного расхода потока увеличивается, и поэтому весь диапазон измерений в значительной степени линеаризуется. Причина этого полезного эффекта согласно изобретению состоит в том, что в случае ламинарного потока 6а диаметры D₃, D₄ отверстий, лежащих вблизи обводной трубы 3, оказывают на общее падение давления Δр более сильное влияние, чем диаметры D₁, D₂ отверстий вблизи центра Z средства 4 создания перепада давления или газопровода 5. В экспериментах для средств 4 создания перепада давления максимально достижимое падение давления Δр=p₁-p₂ составляло 2 мбар. В целом была получена большая область ламинарного течения и расширенной линейности коэффициента ветвления объемных расходов 6b и 6а без ограничения верхнего предела измерений.

Предпочтительней, если входные отверстия 41 и/или выходные отверстия 42 каналов 40 согласно фиг.3 имеют углы α конусности в диапазоне 30°-90°, предпочтительней 45°-75°, особенно предпочтительно 55°-65°. Это вызывает уменьшенный перепад давлений для высоких объемных расходов dV/dt и, таким образом, поддерживает линеаризацию диапазона измерений для большого объемного расхода 6а. Именно конусность подавляет условия возникновения частично турбулентного потока при высоких расходах dV/dt (переходная область). Так как за счет средства 4 создания перепада давления перепад давления Δр возрастает для турбулентной составляющей потока пропорционально квадрату скорости или объемному расходу 6а dV/dt, то результатом является уменьшенный перепад давления Δр или Δp_rel при высоких объемных расходах 6а. При отверстиях 41 и/или 42, имеющих конусность, достигается уменьшение турбулентной составляющей потока с большим числом Рейнольдса при высоких значениях расхода потока.

Предпочтительней, если для дополнительного улучшения ламинарности объемного расхода 6а отношение общей длины L к полному диаметру D₀ средства 4 создания перепада давления выбрано больше 1, предпочтительней 1,3 и особенно предпочтительно 1,5. Таким образом, улучшается образование ламинарного трения в каждом канале 40 для потока, а относительная доля турбулентного потока снижается. Чем больше отношение L/D₀ общей длины к общему диаметру, тем более линейной является связь между объемным расходом 6а через газопровод и перепадом давления Δр=p₁-р₂, создаваемым средством 4 создания перепада давления, который в свою очередь пропорционален объемному расходу 6b через обводную трубу 3 и газовый счетчик 2 или его тепловой датчик потока. Предпочтительней, если каналы 40 для потока имеют круглое поперечное сечение с типичным диаметром D₁,…,D_m, являющимся диаметром D₁,…,D_m входных отверстий 41 каналов 40. Предпочтительней также, если каналы 40 имеют постоянное поперечное сечение потока по всей длине L средства 4 создания перепада давления.

В варианте выполнения, показанном на фиг.3а и фиг.3b, каналы 40 для потока расположены на равном расстоянии на концентрических окружностях 7 по площади поперечного сечения Q средства 4 создания перепада давления. Площадь поперечного сечения Q средства 4 создания перепада давления может иметь коэффициент заполнения в диапазоне 0,3…0,8, предпочтительней 0,3…0,6, в частности 0,4…0,5.

В дополнительном аспекте изобретение относится к газоизмерительному устройству 1, предназначенному для измерения потребления газа, в частности, в домашнем хозяйстве и содержащему газовый счетчик 2 в обводной трубе 3 и упомянутое выше средство 4 создания перепада давления в газопроводе 5. Здесь длину L' линейного участка обводной трубы 3 следует выбирать так, чтобы она превышала полную длину L средства 4 создания перепада давления или была равна ей, а средство 4 создания перепада давления следует располагать в газопроводе 5 между входным отверстием 3а и выходным отверстием 3b обводной трубы 3. Подходящим является центральное расположение средства 4 создания перепада давления между отверстиями 3а, 3b обводной трубы. Таким образом обеспечивается преобладание в обводной трубе 3 только перепада давления Δр=р₁-р₂, определяемого средством 4 создания перепада давления. Благодаря выполненной по данному изобретению конструкции средства 4 создания перепада давления, а именно уменьшенным диаметрам D₁,…,D_m каналов 40 для потока вблизи входного и выходного отверстий 41 обводной трубы 3, профиль потока так модифицирован по поперечному сечению Q средства 4 создания перепада давления или газопровода 5, что при малых объемных расходах 6а потока в обводной трубе преобладает сверхпропорционально увеличенная разность давлений Δр.

В предпочтительном варианте газовый счетчик 2 имеет тепловой датчик потока, в частности, КМОП-анемометр, с нагревательной проволокой и по меньшей мере одним датчиком температуры, расположенным выше и/или ниже по потоку. В частности, газовый счетчик 2 может иметь средство для градуировки потребления газа в единицах объема при стандартных условиях, например литр/минута (л/мин), и/или единицах энергии, например кВтч. Это описано подробно в документе WO 01/96819, который полностью включен в это описание посредством ссылки.

Перечень обозначений

1 Газоизмерительное устройство

2 Газовый счетчик с тепловым датчиком расхода, газовый счетчик с датчиком на КМОП-микросхеме

3 Обводная труба

3а Входное отверстие обводной трубы

3b Выходное отверстие обводной трубы

4 Средство создания перепада давления

40 Каналы для потока, малые трубки

41 Входные отверстия

42 Выходные отверстия

4а Сотовая структура

4b Пучок трубок

4с Расходомер Вентури

5 Канал для потока, труба, основная труба

5а Боковая стенка в основной трубе

6а Объемный расход в основной трубе

6b Объемный расход в обводной трубе

7 Концентрические окружности

8а, 8b Кривые относительного перепада давления

α Угол конусности

А Центральная ось

D₀ Общий диаметр

D₁,…,D₄ Диаметр трубок

L Длина средства создания перепада давления

L' Длина линейного участка обводной трубы

p₁, p₂ Давления перед средством создания перепада давления и после него

Δр_rel Относительный перепад давления

Q Площадь поперечного сечения

r Радиус

R₁,…,R₃ Радиальные положения

U Положение на окружности

dV/dt Объемный расход

Z Центр средства создания перепада давления, центральное радиальное положение

Изобретение относится к области измерения потребления газа посредством тепловых датчиков расхода. В газопроводе между входным и выходным отверстиями обводной трубы, содержащей газовый счетчик, имеющий КМОП-анемометр, расположено средство (4) создания перепада давления, имеющее каналы (40) для потока, диаметры (D₁>D₂>D₃> D₄) которых уменьшаются при увеличении радиального положения (R₁<R₂<R₃) начиная от центральной оси (А) средства (4) по направлению к его периметру. Входные отверстия (41) и выходные отверстия (42) каналов (40) для потока имеют угол (α) конусности. Каналы (40) концентрически расположены на равном расстоянии по площади (Q) поперечного сечения средства (4) создания перепада давления. Изобретение обеспечивает повышенную чувствительность для малых расходов благодаря увеличению перепада давления при низком объемном расходе и линеаризацию в расширенном диапазоне измерения за счет увеличения области ламинарного потока. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Газоизмерительное устройство, предназначенное для измерения потребления газа, в частности в частной, общественной или промышленной области, и содержащее газовый счетчик, имеющий КМОП-анемометр и расположенный в обводной трубе к газопроводу, и средство создания перепада давления, которое расположено в газопроводе и имеет ряд каналов для потока, которые имеют типичный диаметр и выполнены на средстве создания перепада давления в различных радиальных положениях, отличающееся тем, что
a) те каналы для потока, которые расположены на средстве создания перепада давления ближе к радиальному положению, находящемуся вблизи центра, имеют больший диаметр, а
b) те каналы для потока, которые расположены на средстве создания перепада давления ближе к радиальному положению, находящемуся вблизи периметра, имеют меньший диаметр,
c) отношение полной длины к полному диаметру средства создания перепада давления составляет более 1,
d) каналы для потока имеют круглое поперечное сечение, а типичный диаметр является диаметром входных отверстий каналов для потока,
e) каналы для потока имеют постоянное поперечное сечение по всей длине средства создания перепада давления.

2. Газоизмерительное устройство по п.1, отличающееся по меньшей мере одним из следующих признаков:
a) входное отверстие и выходное отверстие обводной трубы расположены на боковой стенке газопровода,
b) длина линейного участка обводной трубы выбрана такой, что превышает полную длину средства создания перепада давления или равна ей, а средство создания перепада давления расположено в газопроводе между входным отверстием и выходным отверстием обводной трубы.

3. Газоизмерительное устройство по п.1, отличающееся тем, что каналы для потока имеют диаметры, которые монотонно убывают при возрастании радиального положения, начиная от центральной оси средства создания перепада давления.

4. Газоизмерительное устройство по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что входные отверстия и/или выходные отверстия каналов для потока имеют углы конусности.

5. Газоизмерительное устройство по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что углы конусности находятся в диапазоне 30-90°, предпочтительно 45-75°, особенно предпочтительно 55°.

6. Газоизмерительное устройство по любому из пп.1-3, отличающееся по меньшей мере одним из следующих признаков:
a) каналы для потока расположены на равном расстоянии на концентрических окружностях по площади поперечного сечения средства создания перепада давления,
b) площадь поперечного сечения средства создания перепада давления имеет коэффициент заполнения в диапазоне 0,3…0,8, предпочтительно 0,3…0,6, в частности 0,4…0,5.

7. Газоизмерительное устройство по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что газовый счетчик имеет средство для градуировки потребления газа в единицах объема при стандартных условиях (л/мин) и/или единицах энергии (кВтч).

8. Газоизмерительное устройство по п.2, отличающееся тем, что каналы для потока имеют диаметры, которые монотонно убывают при возрастании радиального положения, начиная от центральной оси средства создания перепада давления.

9. Средство создания перепада давления для газоизмерительного устройства, содержащего газовый счетчик в обводной трубе к газопроводу, предназначенный для измерения расхода газа через газопровод, причем средство создания перепада давления предназначено для установки в газопроводе и имеет ряд каналов для потока, которые имеют типичный диаметр и выполнены на средстве создания перепада давления в различных радиальных положениях, отличающееся тем, что
a) те каналы для потока, которые расположены ближе к радиальному положению, находящемуся вблизи центра, имеют больший диаметр, а
b) те каналы для потока, которые расположены ближе к радиальному положению, находящемуся вблизи периметра, имеют меньший диаметр,
c) отношение полной длины к полному диаметру средства создания перепада давления составляет более 1,
d) каналы для потока имеют круглое поперечное сечение, а типичный диаметр является диаметром входных отверстий каналов для потока,
e) каналы для потока имеют постоянное поперечное сечение по всей длине средства создания перепада давления.

10. Средство создания перепада давления по п.9, отличающееся тем, что каналы для потока имеют диаметры, которые монотонно убывают при возрастании радиального положения, начиная от центральной оси средства создания перепада давления.

11. Средство создания перепада давления по п.9 или 10, отличающееся тем, что входные отверстия и/или выходные отверстия каналов для потока имеют углы конусности.

12. Средство создания перепада давления по п.9 или 10, отличающееся тем, что углы конусности находятся в диапазоне 30-90°, предпочтительно 45-75°, особенно предпочтительно 55°.

13. Средство создания перепада давления по п.9 или 10, отличающееся по меньшей мере одним из следующих признаков:
a) каналы для потока расположены на равном расстоянии на концентрических окружностях по площади поперечного сечения средства создания перепада давления,
b) площадь поперечного сечения средства создания перепада давления имеет коэффициент заполнения в диапазоне 0,3…0,8, предпочтительно 0,3…0,6, в частности 0,4…0,5.