Способ измерения объёмного расхода струйным преобразователем Российский патент 2023 года по МПК G01F1/22 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно, к струйным расходомерам газа и может быть использовано в теплоэнергетической, газовой, авиационной и других отраслях промышленности.

Известен способ измерения объемного расхода стандартным сужающимся устройством (СУ) и струйным автогенератором (СГ) преобразователем расхода (СПР) [1], вход которого соединен с камерой высокого давления на входе в СУ, а выход с камерой низкого давления на выходе СУ, заключающийся в замере частоты колебаний СГ и в определении расхода по формуле:

Q_CУ = α_CУ/α_A*F_CУ*L_A/Sh_A*f, (1)

где: Q_CУ - объемный расход газа через СУ;

α_CУ - коэффициент расхода СУ;

α_СПР - коэффициент расхода СГ;

F_CУ - площадь сопла СУ;

L_СПР - длина камеры автогенератора;

Sh_СПР = f*L_СПР/V_СПР - число Струхаля СПР:

f - частота колебаний СПР;

V_СПР = α_СПР*(2*ΔP/ρ)^0,5 - средняя скорость истечения из сопла питания СПР;

ΔP - перепад давлений на СПР;

ρ - плотность измеряемой среды на входе в СПР.

Более точное измерение расхода измеряемой среды возможно с учетом расхода через СПР:

Q = Q_CУ + Q_СПР = α_CУ/α_СПР*(F_CУ + F_СПР)*L_СПР/Sh_СПР*f, (2)

где: Q - суммарный расход через СУ и СПР;

Q_СПР - расход через СПР;

F_СПР - площадь сопла питания СПР.

Недостаток данного способа - небольшой диапазон измерения расхода стандартным СУ. Согласно [4, на странице 5, п.1.6] измерение расхода газа СУ проводится когда отношение абсолютных давлений (давление на выходе СУ к давлению на входе в СУ) на СУ больше или равно 0.75, что существенно ограничивает область применения данного способа.

Известны так же способы измерения расхода СУ и СПР, в одном из которых профили набора СУ выполняют идентичными профилю сопла питания СПР [2], а в другом профили сопла СУ и сопла питания СПР профилируют по закону постоянства отношения их текущих параметров и постоянства отношения значений текущих площадей поперечного сечения, при равных отношениях текущих значений расстояний от выходного сечения к гидравлическим радиусам в узком сечении [3], что обеспечивает равенство коэффициентов расходов сопл СУ и СПР (в формуле (2) выполняется α_CУ = α_СПР ) и позволяет определять расход по формуле:

Q = (F_CУ + F_СПР)*L_СПР/Sh_СПР*f, (3)

Недостаток этих способов - узкий диапазон измерения расходов, связанный с нарушением линейной зависимости между Q и f в области больших расходов, когда нарушается пропорциональность расхода корню квадратному из перепада давлений на СУ и СПР.

Наиболее близким техническим решением является способ измерения объемного расхода струйным преобразователем (СПР) [5], заключающийся в том, что расход газа, проходящего по трубопроводу, определяют посредством пропускания газа через струйный генератор СПР, фиксируют выходной сигнал СПР, определяют объемный расход проходящий через СПР по формуле Q_СПР=A_СПР*f, определяют расход Q_ЛС проходящий через параллельно подключенное ламинарное сопротивление (ЛС) с известными геометрическими параметрами по формуле Q_ЛС = А_ЛС*f ²/υ и определяют объемный расход Q, проходящей по трубопроводу, по формуле:

Q = Q_СПР + Q_ЛС = А_СПР*f+А_ЛС*f ²/υ, (4)

где Q_СПР - объемный расход через СПР;

Q_ЛС - объемный расход через ЛС;

А_СПР и А_ЛС - коэффициенты пропорциональности, зависящие от геометрических параметров СПР и ЛС;

υ - кинематическая вязкость среды, расход которой определяется.

Недостаток этого способа - зависимость величины определяемого расхода Q от кинематической вязкости среды, что повышает сложность этого способа, снижает точность определения расхода, сужает область применения данного способа.

Технический результат, на достижение которого направлен способ, является расширение диапазона измерения расходов, при больших перепадах давлений на СУ.

Для достижения указанного результата в способе измерения объемного расхода струйным преобразователем, заключающимся в том, что газ, проходящий по трубопроводу, пропускают через СУ и подключенный к СУ параллельно СПР, состоящий из струйного усилителя, замкнутого обратной связью, у которого

f / f_max = [2 * Р₂ / Р₁ * (1 - Р₂ / Р₁)]^0,5

где f - частота выходного сигнала СПР;

f_max - частота выходного сигнала СПР при Р₂ = Р₁ / 2;

Р₁ - абсолютное давление на входе в СПР;

Р₂ - абсолютное давление на выходе СПР;

фиксируют выходной частотный сигнал f СПР, отличающийся тем, что объемный расход газа, проходящего через СУ, определяют по формуле:

Q_СУ = Q_СУmax * [1 - [1- 0,5 * (f / f_max)² / (1 - Р_2КР / Р₁)]²]^0,5

где Q_СУ - объемный расход газа, проходящего через СУ;

Q_СУmax - максимальный (критический) объемный расход газа, проходящего через СУ, при абсолютном давлении на входе равном Р₁ ;

Р_2КР - абсолютное давление на выходе СУ при котором достигается критическое истечение из СУ (при текущем Р₁).

Расход через СПР определяют по формуле:

Q_СПР = А_СПР*f,

где А_СПР - коэффициент пропорциональности, зависящий от геометрических параметров СПР.

Определяют объемный расход газа, проходящего по трубопроводу, по формуле:

Q = Q_СУ+Q_СПР = Q_СУmax*[1-[1-0,5*(f/f_max)²/(1-Р_2КР/Р₁)]²]^0,5+А_СПР*f, (5)

Способ измерения объемного расхода струйным преобразователем реализуется следующим образом.

Газ пропускают через параллельно установленные СПР и СУ (в данном случае СУ может быть выполнено в виде диафрагмы, сопла или в виде сопла Лаваля) с известной величиной Q_КР критического расхода, которая может быть рассчитана (при достаточно простой геометрии СУ) или определена экспериментально (при испытаниях последовательно установленных СУ и аттестованного расходомера) и величиной критического отношения абсолютных давлений σ_КР = Р_2КР/Р₁ (отношения абсолютного давления на выходе из СУ к абсолютному давлению Р_2КР на входе в СУ, при котором достигается критический режим течения в СУ). Величину расхода определяют по формуле:

Q = Q_max*[1-[1-0,5*(f/f_КР)²/(1-σ_КР))]²]^0,5, (6)

В качестве СУ могут использоваться отверстия, выполненные в виде диафрагмы, сопла или в виде сопла Лаваля. В этом случае расход газа через СУ можно рассчитать по формуле (см. [6] стр. 35):

Q/Q_max = [1-((σ-σ_КР)/(1-σ_КР))²]^0,5, (7)

Эту зависимость возможно использовать при расчете расходов как через стандартные сопла, у которых σ_КР=0,5 и тогда формула (6) вырождается в известную зависимость [8]:

Q/Q_max = 2*[σ*(1-σ)]^0,5, (8)

так и при определении расхода при течении через СУ типа диафрагмы или СУ среднее между соплом и диафрагмой, у которого необходимо дополнительно экспериментально определить σ_КР. При этом, для СУ типа предохранительных клапанов (см. [6] стр. 35) рассматриваемое критическое отношение давлений близко к σ_КР = 0,3 (часто принимают равным 0,3).

Для СУ типа сопла Лаваля так же необходимо делать продувку трубопровода с СУ и определять σ_КР, которое может быть порядка σ_КР = 0,7.

Рассмотрим характеристики СПР, которые содержат струйные дискретные усилители. Например, СПР бытового счетчика газа типа СГ-1 содержит четыре дискретных струйных усилителя, счетчики газа СГБ-1.8 содержит один дискретный струйный усилитель, счетчики газа СГМ-1.6 содержит три аналоговых струйных усилителя. В диапазоне изменения σ=Р₂/Р₁ от 1,0 до 0,5 переходные характеристики f=f(σ) этих СПР с достаточно высокой степенью точности подчиняются зависимости:

f/f_max = [2*(1-σ)]^0,5 = [2*(1-Р₂/Р₁)]^0,5, (9)

Например, у счетчика газа СГ-1, СПР в диапазоне изменения σ от 1,0 до 0,5 отличия экспериментально зафиксированных f/f_max от расчетных по формуле (8) не превышает 2% (см. Таблицу ниже).

Таблица зависимости f от σ = Р₂/Р₁ для СПР счетчика газа СГ-1:

Р₁ Р₁-Р₂ σ f f_р=f_КР*2*[σ*(1-σ)]^0,5 Δf=(f_р-f)/f*100% кгс/см² кгс/см² - Гц Гц % 1,04 0,02 0,0192 485,5 495,6 1,99 1,04 0,04 0,0305 690,2 700,9 1,55 1,04 0,06 0,0577 863 858,4 0,63 1,04 0,08 0,0769 991 991,2 0,02 1,04 0,1 0,0962 1109 1108,2 -0,08 1,04 0,15 0,1442 1355 1357,2 0,16 1,04 0,2 0,1923 1592 1567,2 -1,56 1,04 0,25 0,2404 1783 1752,2 -1,73 1,04 0,3 0,2885 1955 1919,4 -1,82 1,04 0,35 0,3365 2097 2073,2 -1,14 1,04 0,4 0,3846 2246 2216,3 -1,32 1,04 0,45 0,4327 2362 2350,8 -0,48 1,04 0,5 0,4808 2473 2478 -0,08 1,04 0,55 0,5288 2586 2598,9 0,49

Здесь при σ=0,5 и f_КР=2527 Гц, расчетное значение частоты можно представить:

f_P=2527*(2*(Р₁-Р₂)/Р₁)^0,5, (10)

Следовательно в данном случае имеем:

σ=1-(f_P/f_КР)²/2=1-0,5*(f/2527)², (11)

Расход газа через СУ можем определить:

Q_СУ=Q_СУmax*[1-[1-0,5*(f/f_КР)²/(1-σ_КР)]²]^0,5, (12)

Расход газа Q_СПР через СПР (согласно [5]):

Q_СПР=А_СПР*f, (13)

где А_СПР - коэффициент пропорциональности, величина которого определяется геометрическими параметрами СПР. У исследуемого СПР счетчика газа СГ-1 А_СПР =0,98 см³ /импульс.

Из (12) и (13) следует, что расход газа проходящего по трубопроводу можно определить по формуле:

Q = Q_СУ+Q_СПР=Q_СУmax*[1-[1-0,5*(f/f_КР)²/(1-Р_2КР/Р₁)]²]^0,5+А_СПР*f, (14)

Если площадь проходного сечения СУ во много раз больше площади проходного сечения СПР, то Q_СПР << Q_СУ, что имеет место, например, в системе подачи воздуха в ГТД, на охлаждение корпуса турбины, когда площадь охлаждающих сопл (отверстий, через которые охлаждающий воздух подается на обдув корпуса) в 100 и более раз больше площади сопла питания усилителя, то формула (14) можно представить:

Q = Q_СУmax*[1-[1-0,5*(f/f_КР)²/(1-Р_2КР/Р₁)]²]^0,5, (15)

Если расходные характеристики СУ (охлаждающих отверстий) неизвестны, неизвестно f_КР СПР (у СПР счетчика газа СГ-1 мы определили f_КР=2527 Гц), то для определения Q_СУmax , Р_2КР , f_КР достаточно провести испытания СУ с подключенным СПР при выходе рабочего воздуха в атмосферу на трех режимах:

- с расходом близким к максимальному (при давлении Р₁ близком к максимальному);

- с расходом близком к минимальному (при давлении Р₁ близком к минимальному);

- на среднем режиме (между максимальным и минимальным расходе давления).

Зафиксировать на трех режимах Q, f и Р₁. Решив систему алгебраических уравнений определим Q_СУmax , Р_2КР , f_КР .

Таким образом, заявленный способ позволяет определять расход газа при больших перепадах давлений, в большем диапазоне измеряемых расходов, с достаточно высокой степенью точности (нет необходимости учитывать вязкость измеряемой среды), что расширяет область его применения по сравнению с известными.

Список литературы

1. П.А. Аристов, Г.В. Белоусов, В.С. Евсюткин, В.А. Хлыст «Использование струйного автогенератора в качестве измерителя переменного перепада давлений для стандартных сужающих устройств», Приборы и системы управления, 1995, №9, стр. 10-12.

2. Патент РФ №2396516, кл. G01F1/20, G01F7/00.

3. Свидетельство РФ на полезную модель №3820, кл.G01F1/00.

4. Правила измерения расхода газов и жидкостей стандартными сужающими устройствами, РД 50-213-80, М., Издательство стандартов, 1982, стр. 5, п. 1.6 («В случае измерения расхода газа отношение абсолютных давлений на выходе и входе в СУ должны быть больше или равны 0,75.»)

5. Патент РФ №2735899, кл. G01F1/22.

6. Кондратьева Т.Ф. Предохранительные клапаны. Л., «Машиностроение», 1976.

7. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика, из-во «Наука». М., 1976.

8. Дмитриев В.Н., Градецкий В.Г. Основы пневмоавтоматики. М., «Машиностроение», 1973.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в теплоэнергетической, газовой, авиационной и других отраслях промышленности. Способ измерения объемного расхода струйным преобразователем (СПР) заключается в том, что газ, проходящий по трубопроводу, пропускают через сужающее устройство (СУ) и подключенный к СУ параллельно СПР, состоящий из струйного усилителя замкнутого обратной связью, фиксируют выходной частотный сигнал СПР и определяют объемный расход по формуле: Q = Q_СУ+Q_СПР = Q_СУmax*[1-[1-0,5*(f/f_max)²/(1-Р_2КР/Р₁)]²]^0,5+А_СПР*f, где f - частота выходного сигнала СПР; f_max - частота выходного сигнала СПР при Р₂ = Р₁ / 2; Р₁ - абсолютное давление на входе в СПР; Р₂ - абсолютное давление на выходе СПР; Q_СУ - объемный расход газа, проходящего через СУ; Q_СПР - объемный расход газа, проходящего через СПР; Q_СУmax - максимальный (критический) объемный расход газа, проходящего через СУ, при абсолютном давлении на входе равном Р₁ ; Р_2КР - абсолютное давление на выходе СУ при котором достигается критическое истечение из СУ (при текущем Р₁). А_СПР - коэффициент пропорциональности, зависящий от геометрических параметров СПР. Технический результат - расширение диапазона измерения расходов, при больших перепадах давлений на СУ. 1 табл.

Способ измерения объемного расхода струйным преобразователем (СПР) заключающийся в том, что газ, проходящий по трубопроводу, пропускают через сужающее устройство (СУ) и подключенный к СУ параллельно СПР, состоящий из струйного усилителя замкнутого обратной связью, у которого

f/f_max=[2*P₂/P₁*(1-P₂/P₁)]^0,5,

где

f - частота выходного сигнала СПР;

f_max - частота выходного сигнала СПР при Р₂=P₁/2;

P₁ - абсолютное давление на входе в СПР;

Р₂ - абсолютное давление на выходе СПР;

фиксируют выходной частотный сигнал f СПР, отличающийся тем, что объемный расход газа, проходящего через СУ, определяют по формуле:

Q_CУ=Q_СУmax*[1-[1-0,5*(f/f_max)²/(1-P_2KP/P₁)]²]^0,5,

где

Q_СУ - объемный расход газа, проходящего через СУ;

Q_СУmax - максимальный (критический) объемный расход газа, проходящего через СУ, при абсолютном давлении на входе равном Р₁;

Р_2КР - абсолютное давление на выходе СУ при котором достигается критическое истечение из СУ при текущем P₁, расход через СПР определяют по формуле:

Q_СПР=А_СПР*f,

где

А_СПР - коэффициент пропорциональности, зависящий от геометрических параметров СПР, определяют объемный расход газа, проходящего по трубопроводу, по формуле:

Q=Q_CУ+Q_СПР=Q_СУmах*[1-[1-0,5*(f/f_max)²/(1-Р_2КР/Р₁)]²]^0,5+А_СПР*f.