УСРЕДНЯЮЩАЯ ДИАФРАГМА С ОТВЕРСТИЯМИ, РАСПОЛОЖЕННЫМИ РЯДОМ С ВНУТРЕННЕЙ СТЕНКОЙ ТРУБЫ Российский патент 2013 года по МПК G01F1/37 

Область техники

[01] Настоящее изобретение относится к расходомеру технологических текучих сред с измерительной диафрагмой, имеющей несколько отверстий, которые усредняют дифференциальное давление текучей среды между противоположными сторонами диафрагмы при асимметричном профиле потока.

Уровень техники

[02] Необходимость стабилизаторов потока в системах трубопроводов ниже по потоку от изгибов труб, клапанов и других устройств, прерывающих поток, убедительно подтверждена во многих предшествующих патентах. Использование расходомера с измерительной диафрагмой, имеющей несколько отверстий для самостабилизации нарушенного и нелинейного потока путем усреднения перепадов давления на диафрагме, является целью патента США №7284450. Описание в патенте США №7284450 предпосылок проблемы, решаемой путем усредняющей измерительной диафрагмы, включено в данное описание путем ссылки на этот патент.

[03] После использования в течение некоторого времени расходомера с усредняющей измерительной диафрагмой, описанного в патенте США №7284450, было обнаружено, что конструкции расходомеров с некоторыми бета-соотношениями создают мертвую зону у стенок трубопровода для транспортировки текучей среды. Такая мертвая зона отклоняет абразивные частицы, которые при других обстоятельствах перемещались бы вдоль стенки трубы, внутрь потока текучей среды, в результате чего эти частицы разрушают острые кромки отверстий выше по потоку, что снижает точность измерения расхода текучей среды. Расположенные выше по потоку кромки отверстий особенно чувствительны к эрозии, так как они не только острые, но и тонкие, а расположенные ниже по потоку кромки скошены, чтобы позволить текучей среде расширяться после ее прохождения через отверстие.

[04] Таким образом, основной целью настоящего изобретения является предотвращение мертвой зоны в текучей среде посредством расположения отверстий измерительной диафрагмы близко к стенке трубы.

[05] Другой целью изобретения является расположение отверстий усредняющей измерительной диафрагмы таким образом, чтобы твердые частицы, а также жидкости при транспортировке газа, могли свободно проходить через расходомер с минимальным воздействием на острые кромки отверстий диафрагмы, как при кольцевом, так и расслоенном потоке текучей среды в трубе.

[06] Еще одной целью изобретения является существенное уменьшение протяженности подвергающихся разрушению кромок отверстий в расходомере с усредняющей измерительной диафрагмой.

[07] Другие цели, особенности и преимущества настоящего изобретения станут ясны из нижеследующего подробного описания изобретения и приложенных чертежей.

$$$$ Сущность изобретения

[08] Настоящее изобретение относится к дифференциальному расходомеру текучей среды с измерительной диафрагмой. Средства для отбора статического давления, которые являются необходимой частью расходомера, имеют стандартную конструкцию и расположены в их обычном положении выше и ниже по потоку.

[09] В предпочтительном варианте изобретения плоская измерительная диафрагма вставлена между соединительными фланцами трубопровода. В дополнительном варианте изобретения измерительная диафрагма помещена в кольцо, которое вставляется между участками трубопровода для транспортировки текучей среды, при этом центральное отверстие монтажного кольца по форме и размеру соответствует внутреннему поперечному сечению круглого трубопровода для транспортировки текучей среды, расход которой измеряют. Плоская диафрагма, создающая сопротивление потоку, установлена внутри центрального отверстия кольца в плоскости, перпендикулярной продольной оси центрального отверстия. Вместо нескольких круглых отверстий, подобных описанным в патенте США №7284450, создающая сопротивление потоку диафрагма в обоих вариантах настоящего изобретения имеет несколько отверстий или вырезов, расположенных на расстоянии друг от друга по периметру диафрагмы. Отверстия, расположенные по периметру, имеют форму сегментов круга, ограниченных дугой, совпадающей для каждого круга с дугой внутреннего периметра монтажного кольца. Создающая сопротивление потоку диафрагма с четырьмя расположенными на равном расстоянии друг от друга отверстиями вышеописанной формы, имеет в целом крестообразную форму.

Перечень чертежей

[10] Фиг.1 представляет собой вид в перспективе, в частичном поперечном разрезе, первичного датчика расхода по альтернативному варианту настоящего изобретения, где плоская диафрагма, создающая сопротивление потоку, установлена в монтажном кольце.

[11] Фиг.2 - вид сбоку в разрезе диафрагмы и монтажного кольца, показанных на Фиг.1.

[12] Фиг.3 - вид спереди предпочтительной формы создающей сопротивление потоку плоской диафрагмы по настоящему изобретению.

[13] Фиг.4 - перспективное изображение с пространственным разделением деталей предпочтительного варианта измерительной диафрагмы по настоящему изобретению, где диафрагма вставлена между двумя смежными соединительными фланцами трубы, закрепленными на концах трубопровода для транспортировки текучей среды.

[14] Фиг.5 - схематический изображение в разрезе показанного на фиг.4 предпочтительного варианта установки диафрагмы, создающей сопротивление потоку, с иллюстрацией асимметричного профиля потока текучей среды после поворота трубы выше по потоку от расходомера с измерительной диафрагмой по настоящему изобретению.

Подробное описание изобретения

[15] Нормальная работа традиционных расходомеров с измерительной диафрагмой основана на теореме Бернулли. Бернулли утверждает, что вдоль какого-либо направления потока в движущейся текучей среде общая энергия, слагаемая из потенциальной энергии, энергии давления и кинетической энергии текучей среды, в расчете на единицу массы является постоянной. Таким образом, когда текучая среда проходит через отверстие в диафрагме, сужающей трубу, скорость текучей среды в отверстии возрастает. Такое возрастание скорости текучей среды вызывает повышение ее динамического давления непосредственно за измерительной диафрагмой и одновременное понижение статического давления текучей среды в той же точке. Понижение статического давления на нижней относительно направления потока стороне измерительной диафрагмы приводит к появлению перепада давления dP между верхней и нижней относительно направления потока сторонами диафрагмы, которое измеряют посредством измерений статических давлений на напорной и выходной сторонах диафрагмы. Расход потока жидкости пропорционален $$\sqrt{dP}$$ .

[16] Известные традиционные расходомеры с измерительной диафрагмой хорошо работают, если профиль скоростей текучей среды является параболическим, т.е. когда этот профиль симметричен относительно продольной оси трубы, по которой движется текучая среда. В этом случае текучая среда с наибольшей скоростью течет вдоль центральной оси трубы, соосной с отверстием, расположенным в центре диафрагмы, сужающей трубу. При прохождении текучей среды, имеющей наибольшую скорость, через отверстие традиционной измерительной диафрагмы на ней создается перепад давления, который обеспечивает определение расхода потока.

[17] Однако, если профиль скоростей является асимметричным, через центральное отверстие будет проходить текучая среда, имеющая меньшую скорость, что повлияет на статическое давление ниже по потоку. Получаемый при этом перепад давлений на сужающей диафрагме не будет являться верным показателем расхода текучей среды.

[18] Настоящее изобретение применимо для двух различных вариантов установки расходомера, но в обоих вариантах функция и действие вырезанных по периметру отверстий одинаковы. Несколько отверстий усредняют перепад давления на диафрагме в различных точках профиля скоростей, а их расположение рядом со стенкой трубы предотвращает образование мертвой зоны в текучей среде и обеспечивает достижение других целей изобретения.

[19] Согласно одному из вариантов настоящего изобретения создающая сопротивление потоку диафрагма 2 первичного датчика расхода 3 полностью помещена в центральное отверстие монтажного кольца 5. Внутри кольца 5 расположены отверстия 6 и 8 для отбора статического давления выше и ниже по потоку. Эти отверстия сообщены с клапанным коллектором 23, датчиками давления и преобразователем сигналов, которые расположены за пределами трубы для транспортировки текучей среды, посредством соответствующих каналов 10 и 12, выполненных в ножке 15, выходящей из наружной поверхности кольца 5.

[20] Независимо от способа установки, в создающих сопротивление диафрагмах 2 и 2а выполнено несколько расположенных по периметру отверстий 4 и 4а. Каждое из нескольких расположенных по периметру отверстий пропускает через себя часть общего потока текучей среды в трубопроводах 21, 27 и 28. Согласно теореме Бернулли, скорость текучей среды, проходящей через каждое из отверстий, будет повышенной, в то время как статическое давление текучей среды на выходной стороне каждого отверстия в сужающих диафрагмах 2 и 2а будет пониженным. Статические давления, относящиеся к отдельным отверстиям, внутри жидкости будут усредняться, в результате чего выходное статическое давление в отверстии для отбора давления на выходе, таком как отверстие 8 в альтернативном варианте или отверстие 34 во фланце 25 в варианте, показанном на фиг.4, будет усредненным. Усредненное выходное статическое давление сравнивают с входным статическим давлением, полученным в отверстии для отбора давления на выходе, таком как отверстие 6 в кольце 5 или отверстие 32 во фланце 24, чтобы получить усредненный перепад давления при любом профиле скоростей потока, поступающего к измерительным диафрагмам 2 и 2а с несколькими отверстиями, что дает точное измерение расхода потока текучей среды в трубе, несмотря на асимметричный профиль скоростей.

[21] Как указано выше, целью изобретения является такое расположение отверстий 4 и 4а в усредняющих измерительных диафрагмах 2 и 2а, чтобы отверстия были смежными с внутренней поверхностью трубопроводов 27, 28 (в варианте, показанном на фиг.3 и 4) и смежными с кольцом 5 в варианте, показанном на фиг.1 и 2, для того чтобы твердые частицы, а также жидкости при транспортировке газа могли свободно проходить через отверстия в расходомере, оказывая минимальное воздействие на острые кромки отверстий диафрагмы при любом, кольцевом или расслоенном, потоке текучей среды в трубе.

[22] Кольцевой поток влажного газа образуется при его высокой скорости, когда какая-либо жидкость в газе вытесняется в форму круглого кольца, которое покрывает стенки трубы. Кольцевой поток может образовываться в горизонтально и вертикально расположенных трубопроводах. С другой стороны, расслоенный поток влажного газа образуется при его относительно низкой скорости, что дает возможность жидкости в газе течь вдоль нижней части горизонтального трубопровода. Одна из целей изобретения достигается расположением отверстий диафрагмы смежно со стенкой трубопровода, чтобы при этом самое нижнее отверстие располагалось смежно с нижним участком трубопровода.

[23] Отверстия, расположенные таким образом, больше не могут быть круглыми, а должны быть вытянутыми, чтобы открытый участок диафрагмы, создающей сопротивление потоку, располагался близко к внутренней поверхности либо трубопровода 21, либо кольца 5, внутренняя поверхность которого идентична внутренней поверхности стенки трубопровода 21. Для этого внешний периметр каждого отверстия в варианте, показанном на фиг.1 и 2, образован внутренней периферийной поверхностью 13 монтажного кольца 5, которая конгруэнтна внутренней поверхности трубопровода для транспортировки жидкости.

[24] В предпочтительном варианте выполнения первичный датчик расхода За по настоящему изобретению содержит создающую сопротивление потоку диафрагму 2а увеличенного диаметра, которая вставляется между соединительными фланцами 24 и 25 двух трубопроводов 27 и 28 для транспортировки жидкости. Отверстия 4а в диафрагме вырезаны в форме сегмента 17 круга с внешними дугами 20, лежащими на окружности, конгруэнтной внутренним периметрам трубопроводов 27 и 28. Увеличенный диаметр диафрагмы позволяет закреплять ее между фланцами 24 и 25. Первичный датчик расхода 3а снабжен также первым и вторым средствами измерения статического давления на входе и выходе соответственно, имеющими отверстия 32 и 34 для отбора давления соответственно на входе и выходе, выполненные во фланцах 24 и 25 соответственно. Диафрагма 2а, являющаяся элементом сопротивления, может быть снабжена рукояткой 7, радиально выступающей наружу от периметра диафрагмы.

[25] Совпадение внешней поверхности отверстий с внутренней поверхностью трубопровода для транспортировки текучей среды служит двум важным и неочевидным целям. Во-первых, это позволяет текучей среде и находящимся в ней твердым частицам протекать через вырезанные по периметру отверстия 4 без образования мертвых зон. Во-вторых, поскольку внешняя, периферийная часть каждого вырезанного отверстия образована внутренней поверхностью стенки трубопровода или, как в дополнительном варианте, внутренним периметром 13 кольца 5, суммарная длина кромок 14 всех отверстий существенно уменьшена.

[26] Предпочтительная форма расположенных по периметру отверстий 4 и 4а в создающих сопротивление потоку диафрагмах 2 и 2а может быть описана как сегмент (участок) 17 круга, ограниченного дугой 20 окружности, образованной внутренней поверхностью 13 кольца 5 или внутренней поверхностью трубопровода 21.

Элемент расходомера с усредняющей измерительной диафрагмой для измерения объемного расхода потока текучей среды в трубопроводе для ее транспортировки с внутренним периметром, содержащий создающую сопротивление потоку плоскую диафрагму, расположенную по ширине внутренней части трубопровода перпендикулярно потоку текучей среды и выполненную с несколькими отверстиями, расположенными на расстоянии друг от друга. Причем профиль каждого отверстия представляет собой сегмент круга, ограниченный дугой, совпадающей с частью внутреннего периметра трубопровода. Технический результат - возможность твердых частиц, а также жидкости при транспортировке газа свободно проходить через отверстия в расходомере, оказывая минимальное воздействие на открытые кромки отверстий диафрагмы при любом, кольцевом или расслоенном, потоке текучей среды в трубе. 4 н. и 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Расходомер с усредняющей измерительной диафрагмой для измерения объемного расхода потока текучей среды в трубопроводе, содержащий трубопровод с внутренним периметром для транспортировки текучей среды от места, расположенного вверх по течению потока, до места, расположенного вниз по течению потока; создающую сопротивление потоку плоскую диафрагму, располагаемую по ширине внутренней части трубопровода перпендикулярно потоку текучей среды; несколько расположенных на расстоянии друг от друга отверстий в диафрагме, профиль каждого из которых является сегментом круга, ограниченного дугой, совпадающей с частью внутреннего периметра трубопровода; первое средство измерения статического давления непосредственно перед создающей сопротивление потоку плоской диафрагмой и второе средство измерения статического давления непосредственно за создающей сопротивление потоку плоской диафрагмой.

2. Расходомер по п.1, отличающийся тем, что создающая сопротивление потоку плоская диафрагма, перпендикулярная потоку текучей среды, имеет крестообразную форму.

3. Первичный датчик расхода усредняющего дифференциального расходомера, вставляемый между участками круглого трубопровода для транспортировки текучей среды и содержащий кольцо, выполненное с центральным отверстием, соответствующим по форме и размеру внутреннему поперечному сечению круглого трубопровода, и создающую сопротивление потоку круглую плоскую диафрагму, конгруэнтно установленную в центральном отверстии кольца и выполненную с несколькими отверстиями, расположенными на расстоянии друг от друга смежно с периметром диафрагмы, каждое из которых имеет форму сегмента круга, ограниченного дугой, совпадающей с участком дуги внутреннего периметра кольца.

4. Первичный датчик расхода по п.3, отличающийся тем, что диафрагма имеет крестообразную форму.

5. Первичный датчик расхода по п.3, отличающийся тем, что расположенные ниже по потоку кромки отверстий скошены.

6. Элемент сопротивления для расходомера с усредняющей измерительной диафрагмой для измерения объемного расхода потока текучей среды в трубопроводе, вставляемый между участками трубопровода и содержащий круглую плоскую диафрагму, выполненную с несколькими отверстиями, расположенными по окружности на расстоянии друг от друга, каждое из которых имеет форму сегмента круга, ограниченного дугой, совпадающей с дугой внутренней поверхности трубопровода.

7. Элемент сопротивления по п.6, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен монтажным кольцом, диаметр внутреннего отверстия которого равен внутреннему диаметру трубопровода, причем диафрагма установлена в указанном внутреннем отверстии, а плоскость диафрагмы перпендикулярна продольной оси кольца.

8. Элемент сопротивления для расходомера с усредняющей измерительной диафрагмой для измерения объемного расхода потока текучей среды в трубопроводе, вставляемый между участками трубопровода и содержащий круглую плоскую диафрагму, выполненную с несколькими отверстиями, расположенными на расстоянии друг от друга, форма каждого из которых содержит сегмент круга, ограниченного дугой, совпадающей с частью дуги внутренней поверхности трубопровода.

9. Элемент сопротивления по п.8, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен рукояткой, радиально выступающей наружу от периметра диафрагмы.