Способ определения расходных характеристик (РХ) струйных датчиков расхода (СДР) Российский патент 2022 года по МПК G01F25/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при определении РХ струйных датчиков расхода.

Известен способ определения РХ канала управления (или канала питания, или выходного канала) струйного элемента, путем установки давления на входе в канал управления струйного элемента, измерения расхода воздуха в канале управления и определения РХ канала управления ΔРу=f(Qy) (или канала питания, или выходного канала) (см. Л.А. Залманзон «Теория элементов пневмоники», Из-во «Наука», М., 1969 г., стр. 418).

Недостаток данного способа - низкая точность определения РХ.

Известен так же способ определения РХ гидравлического тракта и устройство для его осуществления, заключающийся в экспериментальном определении потерь напора на местных сопротивлениях в гидравлическом тракте путем его проливки - установки величины H постоянного уровня напора (где: H - перепад давлений на гидравлическом тракте) и определения расхода среды через гидравлический тракт путем взвешивания доз воды прошедших за заданное время (см. патент RU №2582486 С1 от 04.03.2015 г.)

Недостаток данного способа - низкая точность определения РХ при малых расходах - при малых величинах перепада Н.

Известен так же способ определения расчетной РХ последовательно соединенных местных сопротивлений, заключающийся в использовании уравнения Бернулли для установившегося турбулентного движения жидкости с определением потерь напора на местных сопротивлениях с помощью справочной литературы (см. И.Е. Идельчик «Справочник по гидравлическим сопротивлениям», М., Машиностроение, 1992 г.).

Недостаток данного способа - низкая точность определения РХ местных сопротивлений при малых расходах, особенно на переходных (ламинарный-турбулентный) режимах течения в местных сопротивлениях.

Наиболее близким техническим решением является «Стенд для проверки счетчиков газа с электромеханическим отсчетным устройством» (см. патент RU №2873 U1, G01F 25/00, от 28.02.95 г.) содержащий задатчик расхода, выход которого соединен с входом полости с низким давлением, вход - с выходным каналом счетчика (расходомера), входной канал счетчика соединен с атмосферой, причем канал на входе в задатчик расхода (выход счетчика) соединен со средством измерения давления (средством измерения перепада давлений на счетчике). Способ определения РХ счетчика газа заключается в замере температуры воздуха на входе в счетчик и атмосферного давления, замере разряжения на входе в образцовое микросопло (ОМС) (равного перепаду ΔP давлений на счетчике), определение расхода Q проходящего через счетчик и определения РХ (зависимости ΔP=f(Q)) счетчика.

Недостаток данного способа - не обеспечивает высокой точности определения РХ СДР счетчика из-за низкой точности определения перепадов на счетчике газа при малых расходах, когда перепады на счетчике составляют доли миллиметров водяного столба (в настоящее время наша промышленность не производит измерителей перепада давлений, способных измерять перепады с погрешностью 0,001 мм вод. ст.).

Техническим результатом, на достижение которого направлен заявленный способ, является повышение точности определения РХ СДР.

Для достижения указанного технического результата способ определения РХ СДР реализуют следующим образом: протягивают воздух из атмосферы через последовательно установленные три СДР и ОМС, фиксируют температуру, давление атмосферного воздуха, разряжения на выходе первого, второго и третьего СДР, выходной сигнала f₁ первого СДР, проводят определение РХ первого СДР при подключении параллельно первому СДР двух последовательно установленных второго и третьего СДР, идентичных по характеристикам первому, причем третий СДР установлен для получения разряжения на втором СДР, равным половине разряжения на первом, при этом:

- на первом этапе устанавливают протяжку воздуха такой, чтобы выходной сигнал f₁₁ первого СДР соответствовал выходному сигналу f₁ первого СДР при испытаниях СДР с ОМС, фиксируют выходные сигналы f₁₁, f₂₁ первого и второго СДР, разряжения на выходе первого ΔР₁₁ и второго ΔР₂₁ СДР,

- на втором этапе устанавливают протяжку воздуха такой, чтобы выходной сигнал f₁₂ первого СДР стал равен выходному сигналу f₂₁ второго СДР на предыдущем этапе, фиксируют выходные сигналы f₁₂, f₂₂ первого и второго СДР,

- на N-том этапе устанавливают протяжку воздуха такой, чтобы выходной сигнал f_{1 N} первого СДР стал равен выходному сигналу f_{2 N-1} второго СДР на предыдущем (N-1)-вом этапе, фиксируют выходные сигналы f_{1 N}, f_{2 N} первого и второго СДР,

- определяют РХ ΔР_{1 N}=f(Q_{1 N}) СДР,

где ΔР_{1 Ν}=ΔР₁₁/2^(N-1) - величина разряжения на выходе первого СДР;

Q_{1 N} - величина расхода через первый СДР, соответствующая выходному сигналу f_{1 N}.

На каждом последующем (N+1)-вом этапе устанавливают протяжку воздуха такой, чтобы f_{1 N+1}=K₂₁*f_{2 N}, то есть, чтобы выходной сигнал f_{1 N+1} первого СДР стал равен выходному сигналу f_{2 N} второго СДР на предыдущем этапе, умноженному на коэффициент коррекции K₂₁, учитывающий отклонения в характеристиках первого и второго СДР, связанных с допустимыми отклонениями при их изготовлении.

При построении РХ первого СДР величину перепада давлений на первом СДР, для повышения точности определения РХ, принимают по этапам: ΔР_{1 Ν}=ΔР₁₁*(ΔР₂₁/ΔР₁₁)^N-1. Это позволяет повысить точность определения РХ путем учета не идентичности характеристик второго и третьего СДР, связанных с допустимыми отклонениями при их производстве, когда перепад на втором СДР на 0,3% и более отличается от половины перепада на первом СДР

Отличительные признаки заявленного способа определения РХ СДР, а именно, подключении параллельно первому СДР двух последовательно установленных второго и третьего СДР, идентичных по характеристикам первому, причем третий СДР установлен для получения разряжения на втором СДР, равного половине разряжения на первом, при этом:

- на первом этапе устанавливают протяжку воздуха такой, чтобы выходной сигнал f₁₁ первого СДР соответствовал выходному сигналу f₁ первого СДР при испытаниях СДР с ОМС, фиксируют выходные сигналы f₁₁, f₂₁ первого и второго СДР, разряжения на выходе первого ΔР₁₁ и второго ΔР₂₁ СДР,

- на втором этапе устанавливают протяжку воздуха такой, чтобы выходной сигнал f₁₂ первого СДР стал равен выходному сигналу f₂₁ второго СДР на предыдущем этапе, фиксируют выходные сигналы f₁₂, f₂₂ первого и второго СДР,

- на N-том этапе устанавливают протяжку воздуха такой, чтобы выходной сигнал f_{1 N} первого СДР стал равен выходному сигналу f_{2 N-1} второго СДР на предыдущем (N-1)-вом этапе, фиксируют выходные сигналы f_{1 N}, f_{2 N} первого и второго СДР,

- определяют РХ ΔP_1N=f(Q_{1 N}) СДР,

где ΔР_{1 N}=ΔP₁₁/2^(N-1) - величина разряжения на выходе первого СДР;

Q_{1 N} - величина расхода через первый СДР, соответствующая выходному сигналу f_{1 N}.

На каждом последующем (N+1)-bom этапе устанавливают протяжку воздуха такой, чтобы f_{1 N+1}=K₂₁*f_{2 N}, то есть, чтобы выходной сигнал f_{1 N+1} первого СДР стал равен выходному сигналу f_{2 N} второго СДР на предыдущем этапе, умноженному на коэффициент коррекции K₂₁, учитывающий отклонения характеристик первого и второго СДР, связанных с допустимыми отклонениями при их изготовлении.

При построении РХ первого СДР величину перепада давлений на первом СДР, для повышения точности определения РХ, принимают по этапам: ΔР_{1 N}=ΔР₁₁*(ΔР₂₁/ΔР₁₁)^N-1. Это позволяет повысить точность определения РХ путем учета не идентичности характеристик второго и третьего СДР, связанных допустимыми отклонениями при их производстве, когда перепад на втором СДР на 0,3% и более отличается от половины перепада на первом СДР.

Таким образом, заявленный способ позволяет повысить точность установки и определения перепада давлений на первом СДР без применения датчиков давления с погрешностью менее 0,001 мм вод. ст., которые нашей промышленностью не выпускаются, повышает точность определения РХ СДР.

Заявленный способ представлен на чертежах и описан ниже.

На Фиг. 1 представлена функциональная схема установки, реализующая предлагаемый способ определения РХ СДР при больших и малых (очень маленьких) разряжениях (перепадах) на СДР, которые невозможно зафиксировать с достаточной степенью точности имеющимися средствами измерений.

На Фиг. 2 представлена функциональная схема установки, реализующая способ определения РХ СДР при достаточных разряжениях (перепадах) на СДР.

Установки содержат: первый СДР (1), второй СДР (2) и третий СДР (3), ОМС (4), регулируемый вентиль (5), средства (6), (7), (8) для фиксации выходных сигналов, первого СДР (1), второго СДР (2) и третьего СДР (3). Средства для фиксации разряжения на выходе (9), (10), (11), соответственно, первого СДР (1), второго СДР (2) и третьего СДР (3).

В установке на Фиг. 1, реализующей способ определения РХ СДР, воздух из атмосферы протягивают через СДР (1), (2), (3) и ОМС (4). При этом фиксируют разряжения воздуха ΔР₁, ΔР₂, ΔР₃ на выходе СДР (1), (2), (3), температуру и давление атмосферного воздуха, выходной сигнал f₁ СДР (1). Определяют расход через ОМС (4), отнесенный к атмосферному давлению:

Q₁=К_ОМС*((Рн-ΔP₃)/Рн)*sqrt(Тн/293),

где К_ОМС - коэффициент ОМС, определяемый в метрологическом центре, при градуировке данного ОМС;

Тн и Рн - температура и давление атмосферного воздуха (зависимости для критического расхода через ОМС известны специалистам с техническим образованием).

Таким образом определяют первую точку на РХ ΔP₁=f(Q₁) СДР (1). Проводят испытания с иными ОМС, имеющими иную площадь критического сопла F_KCN и определяют иные точки РХ ΔP_{1 N}=f(Q_{1 N}) СДР (1).

В установке на Фиг. 2, реализующей предлагаемый способ определения РХ СДР, воздух из атмосферы протягивают через СДР (1) и параллельно ему последовательно подключенные СДР (2), (3). При этом протяжку воздуха устанавливают такой, чтобы выходной сигнал f₁₁ СДР (1) соответствовал выходному сигналу f₁ СДР (1) при испытаниях СДР с ОМС по схеме на Фиг. 1.

Фиксируют выходные сигналы f₁₁, f₂₁ СДР (1) и (2), разряжение ΔР₁₁ на выходе СДР (1) (с высокой степенью точности равное разряжению ΔР₃₁ на выходе СДР (3)), разряжение ΔР₂₁ на выходе СДР (2). Если все три СДР идентичные, то перепад давлений (разряжение на выходе) на СДР (2) с достаточно высокой степенью точности равен перепаду давлений на СДР (3) и равен половине перепада давлений на СДР (1) (ΔР₂₁=0,5*ΔР₁₁). Используя определенные на первом этапе величину выходного сигнал f₁₁ и разряжение ΔР₁₁ СДР (1), определим расход Q₁₁ через СДР (1) и определим первую точку на PX ΔP₁=f(Q₁) СДР (1).

На втором этапе устанавливают протяжку воздуха такой, чтобы выходной сигнал f₁₂ СДР(1) стал равен выходному сигналу f₂₁ СДР (2) на предыдущем этапе, фиксируют выходные сигналы f_l2, f₂₂ СДР (1) и (2). Определив на втором этапе выходной сигнал f₁₂ СДР (1), определяем расход Q₁₂ через СДР (1). А так как на втором этапе устанавливали протяжку через СДР (1) такую, чтобы сигнал f₁₂ СДР (1) стал равен выходному сигналу f₂₁ СДР (2) на предыдущем этапе и так как характеристики всех СДР идентичные, то на втором этапе перепад на СДР (1) равен перепаду на СДР (2) на предыдущем этапе, когда он был равен половине перепада ΔР₁₁. Следовательно ΔР₁₂=0,5*ΔР₁₁.

Исходя из вышеизложенного определяем вторую точку на РХ ΔР₁=f(Q₁) СДР (1).

Далее, последовательно устанавливая протяжку воздуха такой, чтобы на N-том этапе выходной сигнал f_{1 N} СДР (1) стал равен выходному сигналу f_{2 N-1} СДР (2). Фиксируя выходной сигнал f_{1 N} СДР (1), определяем (по f_{1 N}) расход Q_{1 N} воздуха через СДР (1) на N-том этапе, находим очередную точку на РХ СДР (1). Нахождение точек на расходной характеристике СДР (1) можем проводить во всем диапазоне работоспособности СДР. При этом можем определять точки на РХ СДР при перепадах на СДР существенно менее 1 мм вод. ст. В дальнейшем, СДР, с определенной по изложенному способу РХ, можем использовать для контроля перепадов менее 1 мм вод. ст.

Так же, согласно п. 2 формулы, на каждом последующем этапе с помощью вентиля (7) устанавливают выходной сигнал f_{1 N+1} СДР (1) равный выходному сигналу f_{2 N} СДР (2) на предыдущем этапе, умноженному на коэффициент коррекции K₂₁ учитывающий степень не идентичности РХ СДР (когда при одинаковых перепадах на СДР (1) и (2) их выходные сигналы существенно отличаются) и устанавливая f_{1 N+1}=f_{2 N}*K₂₁ получаем снижение перепада на СДР (1) от этапа к этапу ровно в 2 раза.

Коэффициент коррекции К₂₁ зависит только от геометрических параметров СДР (1) и СДР (2) и не зависит от режимов работы СДР.

Возможный способ нахождения коэффициента коррекции К₂₁: установить вентилем (7) перепад давлений на СДР (1) равный, например, 100 мм вод. ст., зафиксировать выходной сигнал СДР (1) f₁'. Затем изменяя вентилем (7) перепад давлений на СДР, установить на СДР (2) перепад давлений равный, например, 50 мм вод. ст., зафиксировать выходной сигнал f₂' СДР (2) и определить значение коэффициента коррекции К₂₁=f₁'/f₂'.

Такой учет не идентичности расходных характеристик СДР (1) и (2) позволяет повысить точность определения РХ СДР (1) при испытаниях СДР с неидентичными характеристиками (не идентичности из-за неточностей изготовления СДР (1) и (2)).

Так же согласно п. 3 формулы для учета не идентичности РХ СДР (2) и СДР (3) (возникшей вследствие неточностей при изготовлении СДР (2) и (3)) для учета не идентичности характеристик СДР (2) и СДР (3), (для учета неодинакового понижения перепадов давления на СДР (2) от СДР (3)), вследствие чего: ΔР_{2 N} ≠ ΔP_{3 N} и ΔΡ_{2 N} ≠ 0,5*ΔР_{1 N}, при выполнении этапов принимают реальное понижение давления ΔР_{1 N} на каждом этапе (не в 2 раза, а в (ΔР₁₁/ΔР₁₂)).

Так как на каждом этапе степень понижения давления одна и та же, то: ΔΡ_{1 Ν}=ΔР₁₁*(ΔР₁₁/ΔР₁₂)^Ν-1.

Таким образом, уменьшая на каждом этапе перепад давлений на СДР (1) в 2 раза мы с достаточной высокой степенью точности получаем РХ СДР при малых перепадах, без использования специальных средств для измерения малых перепадов давления. Дополнительно, использование на каждом этапе зависимостей f_{1 N+1}=f_{2 N}*K₂₁ и ΔР_{1 N}=ΔР₁₁*(ΔР₁₁/ΔР₁₂)^Ν-1 позволяет повысить точность определения РХ СДР.

Знание расходных характеристик СДР позволяет проводить работы по расширению рабочего диапазона СДР путем параллельного подсоединения к СДР жиклеров с расходными характеристиками, подобранными идентичным СДР, что позволяет получить расходомер с широким диапазоном измерения расходов с высокой степенью точности.

Определенная связь между f₁ и ΔР₁, а так же дает возможность использования СДР для измерения малых перепадов давлений, которые в настоящее время невозможно измерить с помощью средств измерения давления выпускаемых нашей промышленностью.

Способ определения расходных характеристик струйных датчиков расхода путем протяжки воздуха из атмосферы через последовательно установленные три датчика и образцовое микросопло, фиксации температуры, давления атмосферного воздуха, разрежения на выходе первого, второго и третьего датчика, выходного сигнала f₁ первого датчика. Определение характеристик первого датчика (1) проводят при подключении параллельно первому датчику двух последовательно установленных второго (2) и третьего (3) датчиков, идентичных по характеристикам первому (1), причем третий датчик (3) установлен для получения разрежения на втором датчике (2), равного половине разрежения на первом (1), при этом: - на первом этапе устанавливают протяжку воздуха такой, чтобы выходной сигнал f₁₁ первого датчика (1) соответствовал выходному сигналу f₁ первого датчика (1) при испытаниях датчика с образцовым микросоплом (4). Фиксируют выходные сигналы f₁₁, f₂₁ первого (1) и второго датчика (2), разрежения на выходе первого ΔР₁₁ и второго ΔР₂₁ датчика, - на втором этапе устанавливают протяжку воздуха такой, чтобы выходной сигнал f₁₂ первого датчика (1) стал равен выходному сигналу f₂₁ второго датчика (2) на предыдущем этапе, фиксируют выходные сигналы f₁₂, f₂₂ первого и второго датчиков, - на N-м этапе устанавливают протяжку воздуха такой, чтобы выходной сигнал f_1N первого датчика (1) стал равен выходному сигналу f_2N-1 второго датчика (2) на предыдущем (N-1)-м этапе, фиксируют выходные сигналы f_1N, f_2N первого и второго датчика, - определяют РХ ΔР_1N = f(Q_1N) датчика, где ΔР_1N = ΔР₁₁/2^(N-1) - величина разрежения на выходе первого датчика (1); Q_1N - величина расхода через первый датчик, соответствующая выходному сигналу f_1N. Достигается повышение точности определения расходных характеристик струйных датчиков расхода. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ определения расходных характеристик (РХ) струйных датчиков расхода (СДР) путем протяжки воздуха из атмосферы через последовательно установленные три СДР и образцовое микросопло (ОМС), фиксации температуры, давления атмосферного воздуха, разрежения на выходе первого, второго и третьего СДР, выходного сигнала f₁ первого СДР,

отличающийся тем, что определение РХ первого СДР проводят при подключении параллельно первому СДР двух последовательно установленных второго и третьего СДР, идентичных по характеристикам первому, причем третий СДР установлен для получения разрежения на втором СДР, равного половине разрежения на первом, при этом:

- на первом этапе устанавливают протяжку воздуха такой, чтобы выходной сигнал f₁₁ первого СДР соответствовал выходному сигналу f₁ первого СДР при испытаниях СДР с ОМС, фиксируют выходные сигналы f₁₁, f₂₁ первого и второго СДР, разрежения на выходе первого ΔР₁₁ и второго ΔР₂₁ СДР,

- на втором этапе устанавливают протяжку воздуха такой, чтобы выходной сигнал f₁₂ первого СДР стал равен выходному сигналу f₂₁ второго СДР на предыдущем этапе, фиксируют выходные сигналы f₁₂, f₂₂ первого и второго СДР,

- на N-м этапе устанавливают протяжку воздуха такой, чтобы выходной сигнал f_1N первого СДР стал равен выходному сигналу f_2N-1 второго СДР на предыдущем (N-1)-м этапе, фиксируют выходные сигналы f_1N, f_2N первого и второго СДР,

- определяют РХ ΔР_1N = f(Q_1N) СДР,

где ΔР_1N = ΔР₁₁/2^(N-1) - величина разрежения на выходе первого СДР;

Q_1N - величина расхода через первый СДР, соответствующая выходному сигналу f_1N.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что на каждом последующем (N+1)-м этапе устанавливают протяжку воздуха такой, чтобы f_1N+1 = K₂₁*f_2N, то есть чтобы выходной сигнал f_1N+1 первого СДР стал равен выходному сигналу f_2N второго СДР на предыдущем этапе, умноженному на коэффициент коррекции K₂₁, учитывающий отклонения в характеристиках первого и второго СДР, связанных с допустимыми отклонениями при их изготовлении.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при построении РХ первого СДР величину перепада давлений на первом СДР, для повышения точности определения РХ, принимают по этапам: ΔР_1N = ΔР₁₁*(ΔР₂₁/ΔР₁₁)^N-1.