Расходомер постоянного перепада давления типа ротаметра с дистанционной передачей величины расхода Российский патент 2023 года по МПК G01F1/34 

Изобретение относится к области измерения объемных расходов газов и жидкостей и может быть использовано в нефтяной и газовой отраслях промышленности, а также в областях науки и техники, имеющими дело с газами и жидкостями.

Преимущественная область применяемости - расходы газа при небольших скоростях, где расходомеры переменного перепада давления работают с большими погрешностями из-за малости перепада давления ΔР на сужающем устройстве, а вихревые расходомеры вообще не работают.

Существует множество конструкций расходомеров, измеряющих объемный расход, различающихся принципом действия, областью применения, величиной относительной погрешности и пр. [1]

Одним из самых распространенных расходомеров являются ротаметры. Они просты в устройстве и в эксплуатации, надежны в работе, их показания наглядны.

Однако им присущи недостатки: хрупкость и непригодность для измерения расхода газа или жидкости, находящихся при значительных давлениях, связанность прибора с местом измерения, отсутствие дистанционной передачи показаний; непригодность для измерения больших расходов.

Предлагается конструкция исполнения ротаметра, лишенная этих недостатков.

Известен ротаметр с дистанционной передачей данных, содержащий поплавок, в который встроен магнит, так что при измерении расхода постоянное магнитное поле поплавка перемещается по оси ротаметра [2].

Пространственное смещение такого поплавка регистрируется системой специальных датчиков расположенных на стенках ротаметра (катушек). Такой ротаметр содержит неподвижную центральную направляющую, в которой размещен токопровод, элемент считывания, усилитель - формирователь импульсов считывания и блок формирования временного интервала, т.е. достаточно сложную систему, регистрирующую положение поплавка, что является его недостатком.

Известен также ротаметр с дистанционной передачей данных с емкостным преобразователем перемещения поплавка [3].

Измерительная схема состоит из ВЧ автогенератора, микро-ЭВМ и цифрового индикатора. Недостатком его также является сложность электронной схемы, являющаяся следствием низкой чувствительности, малый динамический диапазон изменения емкости, а также нелинейность функции преобразования емкостного преобразователя в перемещение поплавка.

Известны также ротаметры с дистанционной передачей данных, основанные на изменении частоты СВЧ резонатора в зависимости от положения поплавка [4]. Однако там используются два последовательно установленных открытых цилиндрических резонатора, каждый из которых по длине должен быть в ~ 5-6 раз больше собственного диаметра, что при больших диаметрах трубопровода делают систему достаточно громоздкой, что нередко представляется неудобным.

За прототип изобретения примем Патент РФ №2406976 [5].

Устройство включает в себя цилиндрический СВЧ резонатор, связанный с генератором и детектором, и ротаметр. Резонатор заполнен диэлектриком с малыми потерями на рабочей частоте. В диэлектрике выполнена коническая полость ротаметра. В полости размещен поплавок ротаметра, выполненный из диэлектрического материала с малыми потерями. В верхней части СВЧ резонатора расположена кольцевая диэлектрическая пластина из материала с диэлектрической проницаемостью существенно более высокой, чем диэлектрическая проницаемость диэлектрика. При работе в резонаторе возбуждаются ТЕ₀₁₁ типы колебаний.

Недостатком указанной конструкции является малый диапазон работы ротаметра. Для измерений используется только около половины высоты подъема поплавка.

Недостатком является также нелинейность выходной характеристики ротаметра - смещения частоты СВЧ резонатора - от величины расхода.

Техническим результатом предложенного изобретения является расширение диапазона измеряемых расходов.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для измерения расхода газа, включающем в себя цилиндрический СВЧ резонатор, заполненный диэлектриком с малыми потерями и имеющий в центре отверстие для пропуска потока, ротаметр выносится из СВЧ резонатора и размещается под ним (резонатором) соосно, а поплавок ротаметра имеет длину равную высоте ротаметра и постоянную погонную массу, а сам СВЧ резонатор возбуждается на колебаниях вида Е₀₁₀.

За прототип изобретения примем Патент РФ [5]. В нем предлагается использовать для измерения расхода потока ротаметр, образованный конической полостью в теле СВЧ резонатора. Входное отверстие расположено внизу и в отсутствие потока закрыто телом возмущения («поплавком»), выполненным в виде шара. Выходное отверстие располагается вверху. При прохождении газа поплавок смещается вверх; высота подъема поплавка h в первом приближении пропорциональна объемному расходу: где k - коэффициент пропорциональности.

В указанном патенте используется для работы мода Н₀₁₁. При этом для однозначного отсчета расхода поплавок не должен подниматься свыше половины высоты резонатора. С целью расширить диапазон расходов за счет частичного использования второй половины резонатора, в СВЧ резонатор сверху вводится пластина с высокой диэлектрической проницаемостью. При всем этом динамический диапазон работ ротаметра расширяется лишь на 30%, т.е. остается небольшим. Это является недостатком этого устройства.

Техническим результатом предложенного изобретения является расширение диапазона измеряемых расходов, снижение погрешности измерений, обеспечение дистанционной передачи данных, возможность работы с потоками, находящимися под высоким давлением и при любых рабочих температурах.

Технический результат достигается тем, что конструкция ротаметра включает в себя коническую трубку и цилиндрический поплавок, над которыми размещается СВЧ резонатор, работающий на моде Е₀₁₀, заполненный диэлектриком и имеющим проходное отверстие по оси резонатора, в которое входит поплавок, который при появлении потока газа поднимается и входит в резонатор, частота которого смещается на величину пропорциональную расходу газа где k - коэффициент, устанавливаемый при калибровке.

Технический результат достигается также тем, что величина частотного смещения может передаваться на любые расстояния, т.е. обеспечивается дистанционная передача данных.

Технический результат достигается также тем, что за счет непрерывной записи величины расхода Q открывается возможность усреднять величину Q за любой промежуток времени, что приводит к снижению погрешности, связанной с непрерывными колебаниями поплавка при работе с реальным потоком газа, всегда испытывающим некоторые пульсации расхода.

Технический результат достигается также тем, что ротаметр и СВЧ резонатор могут быть размещены в стальном силовом корпусе, позволяющем устройству работать при высоких давлениях, а также в широком диапазоне температур.

Технический результат достигается также тем, что размеры СВЧ резонатора принципиально ничем не ограничены сверху, что позволяет сделать диаметр проходного отверстия СВЧ резонатора ~ 100 мм и более и использовать ротаметр для измерения расходов в трубопроводах в ~ 10÷30 раз больших по диаметру, чем это традиционно принято.

На фиг. 1-4 приводятся пояснения работы предлагаемого устройства.

На фиг. 1 - показана конструкция устройства. На ней показано: 1 - корпус ротаметра, 2, 3 - присоединительные фланцы к входной части трубопровода и к СВЧ резонатору, 4 - коническая трубка, 5 - поплавок, хвостовая часть, 6 - поплавок, головная часть, 7 - корпус СВЧ резонатора, 8 - диэлектрик, частично заполняющий резонатор, 9 - проходное отверстие резонатора, 10, 11 - петли связи резонатора с СВЧ генератором (10 - вход) и СВЧ детектором (11 - выход), 12 - присоединительный фланец выходной части трубопровода, 13 - выходной трубопровод, 14 - входной трубопровод, 15 - его присоединительный фланец к ротаметру.

На фиг. 2 показана электрическая схема, на ней обозначены: 16 - СВЧ генератор; 17 - СВЧ резонатор; 18 - блок управления частотой СВЧ генератора, 19 - СВЧ детектор, 20 - блок обработки информации.

На фиг. 3 показаны эпюры напряжения на выходе детектора 19:21 - временной (он же - частотный) сигнал с детектора в отсутствие потока, т.е. при нулевом расходе Q=0 (резонансная частота резонатора ); 22 - то же самое при наличии потока при ненулевом расходе (Q>0) (резонансная частота резонатора ).

На фиг. 4 показан график 23 величины расхода Q как функции - разницы между частотами

Поясним, как устройство работает на практике. Пусть в разрыв газопровода 13, 14, в котором необходимо измерять расход, устанавливается предлагаемое устройство - расходомер, включающий в себя две секции - ротаметр 1 и СВЧ резонатор 7. Расходомер ставится вертикально. Ротаметр 1 представляет из себя трубную секцию, внутренняя часть которой расточена под конус (конусную трубку) с малой конусностью (~ 1:30). Поплавок ротаметра 5 представляет собой цилиндрическую трубку из диэлектрика, имеющего малые потери в диапазоне рабочих частот резонатора. Это могут быть тефлон или поликор, тангенс угла потерь которых Нижняя часть поплавка 6 делается металлической с тем, чтобы быть более тяжелой и стабилизировать положение поплавка.

На поплавке могут быть нанесены спиралеобразные канавки, придающие ему вращение, также способствующие его стабилизации (на фиг. 1 не показаны).

Рабочий тип колебания резонатора При этом типе колебаний электрическое поле резонатора имеет одну компоненту параллельную оси Z и зависящую от радиуса r по закону:

где - функция Бесселя нулевого порядка, - волновое число, - длина волны рассматриваемого колебания, r - расстояние от оси резонатора до точки наблюдения [6]. При этом в центре резонатора почти не зависит от радиуса r.

Резонатор заполняется диэлектриком с малыми потерями (тефлон, поликор), с целью сокращения его линейных размеров. По центру резонатора проходит отверстие диаметра При этом распределение электрического поля по радиусу в отверстии почти не меняется. При заполнении тефлоном величина диаметра при заполнении поликором где D - диаметр резонатора.

Работа расходомера происходит следующим образом. В отсутствие потока на поплавок не действует сила напора и он занимает нижнее положение (фиг. 1). При этом его хвостовая часть 5 оканчивается на срезе у входа в резонатор, и частота последнего равна При появлении потока газа (далее для определенности будем говорить о газе) на поплавок начинает действовать сила аэродинамического напора

где ρ - плотность газа, ν - его скорость, S - площадь поперечного сечения поплавка, C_n - коэффициент, определяемый формой поплавка.

Сила скоростного потока приподнимает поплавок и между ним и конической трубкой появляется кольцевая щель, через которую газ и проходит далее. Поплавок поднимается до тех пор, пока щель не достигнет такой ширины, при которой сила скоростного напора становится равной весу поплавка: где m - масса поплавка.

Регистрирующая часть устройства работает следующим образом (фиг. 2). Генератор пилообразного напряжения 18 модулирует частоту СВЧ генератора 16, так что она во времени периодически меняется по пилообразному закону. В момент прохождения частоты мимо резонансной частоты резонатора 17, детектор 19 регистрирует всплеск напряжения, и на блоке обработки информации наблюдается сигнал 21 (фиг. 3). При этом блок 20 регистрирует как положение максимума кривой - резонансную частоту, так и ее полуширину.

При перемещении поплавка вверх его хвостовая часть 5 входит в проходное отверстие СВЧ резонатора 9; при этом частота резонатора смещается - она понижается (фиг. 3). Величина сдвига частоты пропорциональна объему введенного в резонатор диэлектрика и его диэлектрической проницаемости ε [6].

Поскольку в свою очередь где S_n - сечение концевой части поплавка, а h_n - высота поплавка, введенного в резонатор, то

С другой стороны величина h_n - это высота подъема поплавка, которая в ротаметре в первом приближении пропорциональна объемному расходу Q:h=kQp, где ρ - плотность газа.

Тогда можно записать:

Здесь коэффициент η - включает в себя все промежуточные коэффициенты (фиг. 4). Коэффициент η (в общем случае - при больших диапазонах расходов - это функция, зависящая от числа Рейнольдса) определяется из опыта.

Калибровка ротаметра, т.е. определение величины коэффициента η, проводится на специальном стенде с использованием эталонного расходомера.

После этого величина расхода газа Q находится по уравнению (1).

Литература

1. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества веществ. Справочник. Книга 2. - СПб.: Политехника, 2004. - 412 с.

2. Дрейзин В.Э., Поляков В.Г., Овсянников Ю.А., Басов С.В., Счетчик расхода газа // Патент на изобретение №2235977. 2004. RU. Опубликовано: 10.09.2004 Бюл. №25.

3. Артемов Э.А. Ротаметр//Патент на изобретение №2290608. 2006. RU. Опубликовано: 27.12.2006 Бюл. №36.

4. Вышиваный И.Г., Москалев И.Н., Седаков А.Ю. Устройство для измерения расхода газа на основе ротаметра // Патент на изобретение №2436049. 2011. RU. Опубликовано: 10.12.2011 Бюл. №34.

5. Костюков В.Е., Вышиваный И.Г., Москалев И.Н. и др. Устройство для измерения расхода газа // Патент на изобретение №2406976. 2010. RU. Опубликовано: 20.12.2010 Бюл. №35.

6. Брандт А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. - М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1963. - 404 с.

Изобретение относится к области измерительной техники, прежде всего, к измерению расходов газа, добываемого из газоконденсатных и нефтяных скважин. Расходомер постоянного перепада давления типа ротаметра с дистанционной передачей величины расхода включает в себя цилиндрический СВЧ резонатор, заполненный диэлектриком с малыми потерями и имеющий в центре отверстие для пропуска потока, соосно установленный ротаметр, включающий конусную полость и поплавок, а также комплект электронной аппаратуры, позволяющей определить резонансную частоту СВЧ резонатора, пропорциональную расходу газа, отличающийся тем, что поплавок выполнен в виде цилиндрической трубки из диэлектрика с металлической нижней частью, при этом ротаметр установлен под резонатором, который выполнен с возможностью возбуждения на колебаниях вида E₀₁₀. Технический результат - расширение диапазона измеряемых расходов. 4 ил.

Расходомер постоянного перепада давления типа ротаметра с дистанционной передачей величины расхода, включающий в себя цилиндрический СВЧ резонатор, заполненный диэлектриком с малыми потерями и имеющий в центре отверстие для пропуска потока, соосно установленный ротаметр, включающий конусную полость и поплавок, а также комплект электронной аппаратуры, позволяющей определить резонансную частоту СВЧ резонатора, пропорциональную расходу газа, отличающийся тем, что поплавок выполнен в виде цилиндрической трубки из диэлектрика с металлической нижней частью, при этом ротаметр установлен под резонатором, который выполнен с возможностью возбуждения на колебаниях вида E₀₁₀.