Струйный датчик расхода Российский патент 2024 года по МПК G01F1/48 

Изобретение относится к измерительным устройствам и может быть использовано для измерения расходов газа или жидкости в производственных процессах, в системах автоматического регулирования, например, ГТД, а также в узлах учета энергоресурсов (для коммерческого учета).

Известен струйный датчик расхода (СДР) («Приборы и устройства струйной техники», Материалы краткосрочного семинара 12 - 13 февраля 1980 года, Ленинград, Ленинградский дом научно-технической пропаганды), представляющий собой первичный частотный струйный преобразователь расхода (ПЧСП), содержащий струйный переключатель (СП) с каналами обратной связи, соединяющими выходные каналы СП с управляющими соплами СП и подключенный к выходным каналам СП бароэлектропреобразователь (БЭП), причем параллельно ПЧСП установлено сужающее устройство (СУ) с последовательно СУ установленным управляемым клапаном (УК). Недостаток этого устройства - небольшой диапазон измеряемых расходов.

Наиболее близким техническим решением является струйный датчик расхода (СДР) (свидетельство на полезную модель №3820, G01F1/00, от 28.02.1995), содержащий первичный частотный струйный преобразователь (ПЧСП), выполненный в виде струйного переключателя (СП), замкнутого отрицательными обратными связями, имеющий бароэлектропреобразователь (БЭП) (преобразователь пульсаций давления рабочей среды в электрический сигнал), подключенный к выходным каналам СП, причем (для увеличения диапазона измерения) параллельно ПЧСП подключены последовательно сужающее устройство (СУ) и управляемый (по электрическому сигналу) клапан (УК).

Недостатком такого СРД является излишняя его сложность - наличие электроуправляемого клапана с системой управления. Так же релейное изменение перепада на СДР при открытии (закрытии) управляемого клапана, что, например, при применении данного СДР в системе управления подачи топлива в камеру сгорания ГТД, после релейного подключения (отключения) СУ в СДР может вызвать нестабильную работу САУ, что снижают область применения этого СДР.

Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является создание относительно простого датчика расхода с ограниченным (небольшим) рабочим перепадом давлений, без резких изменений перепада давлений на СДР во время его работы.

Для достижения указанного технического результата в СДР, содержащем первичный частотный струйный преобразователь (ПЧСП1), выполненный в виде струйного переключателя (СП1), вход которого соединен с входной полостью СДР, замкнутого отрицательными обратными связями, бароэлектропреобразователь (БЭП1), преобразующий пульсации давления в выходных каналах СП1 в выходной электрический сигнал, причем параллельно ПЧСП1 установлен управляемый клапан (УК1), последовательно с ПЧСП1 установлен дополнительный, идентичный ПЧСП1, первичный частотный струйный преобразователь (ПЧСП2), вход которого соединен с выходом ПЧСП1, а выход с выходной полостью СДР, и параллельно ПЧСП2 установлено сужающее устройство СУ2, суммарная проходная площадь ПЧСП2 и СУ2 в 2... n1... и более раз (далее в n1 раз) больше проходной площади ПЧСП1, проходные сечения УК1 в открытом положении выполнены в 2...n2... и более раз (далее в n2 раз) больше суммарной проходной площади ПЧСП2 и СУ2, проходная площадь УК1 изменяется под действием пружины дифференциального баромеханического преобразователя (БМП1) поршневого, мембранного или сильфонного типа, у которого управляющие полости (БМП1) соединены с полостями на входе и на выходе СДР.

Параллельно ПЧСП2 установлен дополнительный управляемый клапан (УК2), суммарная проходная площадь ПЧСП2, СУ2 и УК2 в открытом положении в 2...n3... и более раз (далее в n3 раза) больше суммарной проходной площади параллельно установленных ПЧСП1 и УК1, проходная площадь УК2 изменяется под действием пружины дифференциального баромеханического преобразователя (БМП2) поршневого, мембранного или сильфонного типа, у которого управляющие полости соединены с полостями на входе и на выходе СДР, причем суммарная проходная площадь ПЧСП2, СУ2 и УК2 в открытом положении в 2…n4… и более раз (далее в n4 раза) больше проходной суммарной площади ПЧПС1 и СУ1.

Отличительные признаки заявленного СДР, а именно то, что последовательно с ПЧСП1 установлен дополнительный, идентичный ПЧСП1, первичный частотный струйный преобразователь (ПЧСП2), вход которого соединен с выходом ПЧСП1, а выход с выходной полостью СДР, и параллельно ПЧСП2 установлено сужающее устройство СУ2, суммарная проходная площадь ПЧСП2 и СУ2 в n1 раз больше проходной площади ПЧСП1, проходные сечения УК1 в открытом положении выполнены в n2 раз больше суммарной проходной площади ПЧСП2 и СУ2, проходная площадь УК1 изменяется под действием пружины дифференциального баромеханического преобразователя (БМП1) поршневого, мембранного или сильфонного типа, у которого управляющие полости (БМП1) соединены с полостями на входе и на выходе СДР, параллельно ПЧСП2 установлен дополнительный управляемый клапан (УК2), суммарная проходная площадь ПЧСП2, СУ2 и УК2 в открытом положении в n3 раз больше суммарной проходной площади параллельно установленных ПЧСП1 и УК1, проходная площадь УК2 изменяется под действием пружины дифференциального баромеханического преобразователя (БМП2) поршневого, мембранного или сильфонного типа, у которого управляющие полости соединены с полостями на входе и на выходе СДР, причем суммарная проходная площадь ПЧСП2, СУ2 и УК2 в открытом положении в n4 раз больше проходной суммарной площади ПЧПС1 и СУ1 позволяют получить относительно простой по конструкции СРД с более широким диапазоном измерения расходов, с небольшим перепадом рабочих давлений, не имеющий скачков давления при подключении-отключении СУ, обладающий высокой экономичностью - не требует затрат электроэнергии на переключение электромагнитного клапана.

Предлагаемое устройство представлено на фиг.1 и 2.

На фиг.1 представлен СДР, состоящий из двух идентичных последовательно установленных первичных частотных струйных преобразователей 1 и 2, вход первичного частотного струйного преобразователя 1 соединен с входной полостью СДР, выход первичного частотного струйного преобразователя 2 соединен с выходной полостью СДР, параллельно первичному частотному струйному преобразователю 1 установлен управляемый клапан 3, проходная площадь которого регулируется через пружину 5 дифференциальным баромеханическим преобразователем 4, управляющие полости баромеханического преобразователя 4 соединены с полостями на входе и на выходе СДР, и параллельно первичному частотному струйному преобразователю 2 установлено сужающее устройство 6.

На фиг.2 представлен СДР, который как и СДР на фиг.1 состоит из двух идентичных последовательно установленных первичных частотных струйных преобразователей 1 и 2, вход первичного частотного струйного преобразователя 1 соединен с входной полостью СДР, выход первичного частотного струйного преобразователя 2 соединен с выходной полостью СДР, параллельно первичному частотному струйному преобразователю 1 установлен управляемый клапан 3, проходная площадь которого регулируется через пружину 5 дифференциальным баромеханическим преобразователем 4, управляющие полости которого соединены с полостями на входе и на выходе СДР, при этом параллельно первичному частотному струйному преобразователю 2 установлено сужающее устройство 6 и управляемый клапан 7, проходная площадь которого регулируется пружиной 9 дифференциального баромеханического преобразователя 8, управляющие полости которого так же соединены с полостями на входе и на выходе СДР.

Устройство на фиг. 1 работает следующим образом:

При отсутствии расхода через устройство, перепад давлений на СДР (и на управлении дифференциального баромеханического преобразователя 4) равен нулю, управляемый клапан 3 под действием пружины 5 дифференциального баромеханического преобразователя 4 закрыт.

На первом этапе подается расход через СДР, состоящий из двух идентичных последовательно установленных первичных частотных струйных преобразователей 1 и 2 - преобразователей расхода имеющих переходные характеристики Q_ПЧСП = q*f,

где:

Q_ПЧСП - величина расхода через первичный частотный струйный преобразователь;

f - частота выходного сигнала первичного частотного струйного преобразователя;

q - величина градуировочного коэффициента первичного частотного струйного преобразователя.

Параллельно к первичному частотному струйному преобразователю 1 подключен управляемый клапан 3, который на первом этапе закрыт, параллельно к первичному частотному струйному преобразователю 2 подключено сужающее устройство 6, причем суммарная проходная площадь F₂ = F_ПЧСП2 + F_СУ2 в n раз больше суммарной проходной площади F₁ (при закрытом управляемом клапане 3, то есть при F_УК1 = 0). Здесь принимаем, что n1=n2=n3=n4=n, так как это не меняет сути процесса, но существенно упрощает описание работы устройства. Рассматривая первичный частотный струйный преобразователь 1, управляемый клапан 3, первичный частотный струйный преобразователь 1 с подсоединенным параллельно управляемым клапаном 3, первичный частотный струйный преобразователь 2, сужающее устройство 6, первичный частотный струйный преобразователь 2 с подсоединенным параллельно сужающим устройством 6 как местные сопротивления, перепад давлений на которых пропорционален среднерасходной скорости равной расходу деленному на проходную площадь ΔР = (ρ * w²)/2 = (ρ * (Q / F)²)/2. Для площадей F₁ и F₂ имеем F₂ = n * F₁ = n * F_ПЧСП1 и для перепадов ΔР₁ и ΔР₂ имеем ΔР₁ = n* ΔР₂. При увеличении расхода через СДР до Q_СДР = Q_MIN, первичный частотный струйный преобразователь 1 образует перепад ΔР₁ = ΔР_ПЧСП1 = ΔР_MIN при котором унифицированный первичный частотный струйный преобразователь расхода в условиях применения СДР (при выбранной рабочей среде, при допустимых уровнях колебаний давления (пульсаций давления, шумов) рабочей и окружающей среды) начинает стабильно работать. При этом перепад ΔР₂ = ΔР₁ / n² = ΔР_MIN /n и перепад на СДР:

ΔР_СДРMIN1 = ΔР₁ + ΔР₂ = (1 + 1/ n²) * ΔР_MIN. Назовем ΔР_СДРMIN1 первым определяющим перепадом на СДР.

При дальнейшем увеличении расхода через СДР, перепады на первичном частотном струйном преобразователе 1 и первичном частотном струйном преобразователе 2 будут увеличиваться. При увеличении расхода через СДР до Q_СДРMAX1 = Q_MAX = n * Q_MIN, при котором расход через первичный частотный струйный преобразователь 2 достигнет Q_MIN (расхода, при котором первичный частотный струйный преобразователь 2 устойчиво работает), а расход через первичный частотный струйный преобразователь 1 достигнет Q_MAX. Соответственно, образовавшиеся перепады на первичном частотном струйном преобразователе 1 и первичном частотном струйном преобразователе 2 дадут максимальный перепад на первом этапе работы СДР:

ΔР_СДРMAX1 = ΔР₁ + ΔР₂ = (n² + 1) * ΔР_MIN. Назовем ΔР_СДРMAXN1 вторым определяющим перепадом на СДР.

Видно, что на первом этапе работы СДР первичный частотный струйный преобразователь 1 имеет достаточный перепад для работы, поэтому выходной частотный сигнал f₁ с первичного частотного струйного преобразователя 1 берется в качестве сигнала СДР, по которому определяется расход через СРД по формуле:

Q_СДР = Q_ПЧСП1 = q₁*f₁,

где:

Q_СДР - величина расхода через СДР;

Q_ПЧСП1 - величина расхода через первичный частотный струйный преобразователь 1;

q₁ - величина градуировочного коэффициента первичного частотного струйного преобразователя 1;

f₁ - частота выходного сигнала первичного частотного струйного преобразователя 1.

Второй этап работы СДР. При достижении второго определяющего перепада на СДР, на первичном частотном струйном преобразователе 2 перепад давлений равен ΔР_MIN и при дальнейшем увеличении расхода через СДР перепад на первичном частотном струйном преобразователе 2 будет увеличиваться, будет достаточным для устойчивой работы СДР, так что его можно использовать для определения расхода через СДР. Так как параллельно первичному частотному струйному преобразователю 2 установлено сужающее устройство 6, увеличивающее проходную площадь местного сопротивления, состоящего из первичного частотного струйного преобразователя 2 и сужающего устройства 6, относительно проходной площади первичного частотного струйного преобразователя 2 в n раз, то для расхода через СДР равного расходу через первичный частотный струйный преобразователь 2 имеем зависимость:

Q_СДР = Q_ПЧСП2 = q₂*f₂ =n* q*f₂,

где:

Q_СДР - величина расхода через СДР;

Q_ПЧСП2 - величина расхода через первичный частотный струйный преобразователь 2;

q₂ - величина градуировочного коэффициента первичного частотного струйного преобразователя 2 на втором этапе его работы;

q - величина градуировочного коэффициента первичного частотного струйного преобразователя;

f₂ - частота выходного сигнала первичного частотного струйного преобразователя 2;

n - коэффициент, учитывающий увеличение величины измеряемого расхода за счет параллельного подсоединения к первичному частотному струйному преобразователю 2 сужающего устройства 6, увеличивающего проходную площадь первичного частотного струйного преобразователя 2 с сужающим устройством 6 в n раз, относительно первичного частотного струйного преобразователя 2. Выбор выходного сигнала f₁ или f₂, по которому определяется Q_СДР, осуществляется в селекторе, который на фиг.1 и фиг.2 не показан. Например, согласно зависимости Q_СДР = _MAX (Q_ПЧСП1 или Q_ПЧСП2). Так как на этом этапе сигнал с первичного частотного струйного преобразователя 1 не используется, то для снижения потерь давления на СДР целесообразно снизить перепад на первичном частотном струйном преобразователе 1 путем открытия управляемого клапана 3 от F_УК1 = 0 до F_УК1 = (n²-1) * F_ПЧСП (до F₁=n*F₂). Открытием управляемого клапана 3 управляет дифференциальный баромеханический преобразователь 4, работающий по перепаду на СДР, который настроен так, что открытие управляемого клапана 3 начинает после превышения первого определяющего перепада ΔР_СДР на СДР:

ΔР_СДРMAX1 = ΔР₁ + ΔР₂ = (n² + 1) * ΔР_MIN = ΔР_MAX + ΔР_MIN

и управляемый клапан 3 полностью открывается при подходе ко второму определяющему перепаду на СДР ΔР_СДР: ΔР_СДРMAX2 = 2* n² * ΔР_MIN. Это обеспечивается подбором пружины 5 в дифференциальном баромеханическом преобразователе 4 (см. фиг.1).

Таким образом, СДР выполненный по схеме на фиг.1, имеет диапазон измерения расходов 2^0,5*n², работает при перепадах менее ΔР_СДРMAX2 = 2 * n² * ΔР_MIN, при этом перепад на первичном частотном струйном преобразователе 1 менее 2 * n² / (1 + n²) * ΔР_MIN. Расходомер выполненный на одном первичном частотном струйном преобразователе, при динамическом диапазоне (Q_MIN … n* Q_MIN … 2^0,5 * n² * Q_MIN) измерения расхода имеет мах перепад более ΔР_СДРMAX = (2^0,5 * n²)² * ΔР_MIN = 2 *n⁴ * ΔР_MIN. Следовательно, применяя предложенный на фиг.1 СДР, имеем снижение максимального перепада на СДР в ΔР_СДРMAX / ΔР_СДРMAX2 = 2*n⁴ * ΔР_MIN / 2*n² * ΔР_MIN = n² раз.

Устройство на фиг. 2 работает следующим образом:

При отсутствии расхода через устройство, перепад давлений на СДР (и на управлении дифференциального баромеханического преобразователя 4) равен нулю, управляемый клапан 3 под действием дифференциального баромеханического преобразователя 4 закрыт.

Устройство на фиг.2 содержит два идентичных последовательно установленных первичных частотных струйных преобразователя 1 и 2, вход первичного частотного струйного преобразователя 1 соединен с входной полостью СДР, выход первичного частотного струйного преобразователя 2 соединен с выходной полостью СДР, параллельно первичному частотному струйному преобразователю 2 установлено сужающее устройство 6 с проходной площадью, обеспечивающей на первом режиме F₂=n*F₁ (F_СУ2 = (n-1)*F_ПЧСП), параллельно первичному частотному струйному преобразователю 1 установлен управляемый клапан 3 с проходной площадью, обеспечивающей на втором режиме, при полностью открытом управляемом клапане 3, F₁=n*F₂ (F_УК1 = (n²-1)*F_ПЧСП).

Настройки дифференциального баромеханического преобразователя 4 при работе устройств, схемы которых представлены на фиг. 1 и на фиг.2, примем одинаковыми. Тогда работа этих устройств на этапах один и два будет одинаковой, поэтому при рассмотрении работы устройства, схема которого представлена на фиг.2, сразу перейдем к этапу 3, в начале работы на котором параметры (расходы и давления) те же, что и в конце второго этапа (согласно представленным выше зависимостям работы СДР на втором этапе):

- расход через СДР: Q_СДР2 = 2^0,5* n² * Q_MIN;

- перепад на СДР: ΔР_СДРMAX2=2*n²*ΔР_MIN;

- перепад на ПЧСП1: ΔР_ПЧСП1=2*n²/(1+n²)*ΔР_MIN.

Видно, что в начале третьего этапа перепад давлений на первичном частотном струйном преобразователе 1 примерно в 2 раза превышает ΔР_MIN, этот перепад мал, но его достаточно для устойчивой работы СДР. Управляемый клапан 3 полностью открыт. Переходим на третьем этапе на фиксацию расхода по первичному частотному струйному преобразователю 1, при этом, как и на ранее рассмотренных этапах, для снижения перепада на СДР, будем открывать управляемый клапан 3 по сигналу от дифференциального баромеханического преобразователя 4 (по перепаду на СДР). Открытие управляемого клапана 3 начнем при третьем определяющем перепаде, превышающем второй определяющий перепад, а именно при ΔР_СДР превышающих 2*n²*ΔР_MIN, и полностью открывая управляемый клапан 7 при четвертом определяющем перепаде ΔР_СДР достигающем 3*n²*ΔР_MIN. В конце третьего этапа (при полностью открытом управляемом клапане 7) обеспечивая, например, площадь полностью открытого управляемого клапана 7

F_УК2 + F_СУ2 + F_ПЧСП = n*(F_УК1 + F_ПЧСП)) F_УК2 = (n³ - n)* F_ПЧСП,

получим:

- расход через СДР достигнет: Q_СДР3 = 3^0,5* n³ * Q_MIN;

- перепад на СДР достигнет: ΔР_СДРMAX3 = 3* n² * ΔР_MIN;

- перепад на первичном частотном струйном преобразователе 1 в конце третьего этапа:

ΔР_ПЧСП1 = 3* n² / (1 + n²)* ΔР_MIN.

Если использовать один первичный частотный струйный преобразователь, то при увеличении через него расхода до Q_СДР3, перепад на этом первичном частотном струйном преобразователе увеличится до (3^0,5* n³)²* ΔР_MIN = 3* n⁶* ΔР_MIN, т. е. будет больше, чем у СДР, схема которого представлена на фиг.2 в n⁴ раз.

Для повышения точности работы СДР возможно выполнение управляемого клапана в виде сужающего устройства с проходной площадью как у исходного управляемого клапана, последовательно установленного с дополнительным управляемым клапаном 7 с проходной площадью в 3 и более раз больше, чем у соответствующего сужающего устройства. Первичный частотный струйный преобразователь 2 и сужающее устройство 6 могут быть выполнены в виде одного первичного частотного струйного преобразователя 2, с проходной площадью равной суммарной проходной площади исходного первичного частотного струйного преобразователя 2 и сужающего устройства 6. В качестве БЭП могут использоваться преобразователи как пьезоэлектирического типа, так и электродинамического типа (например, типа ДМИ).

Таким образом, предложенный СДР без существенного усложнения системы подключения-отключения УК, не ухудшая энергетические показатели (без затрат электроэнергии на подключение-отключение УК), позволяет измерять расходы в более широком диапазоне и при меньших перепадах давления. Так же в данном СДР нет релейного изменения перепада при релейных срабатываниях УК по командам электропреобразователей, что улучшает эксплуатационные качества системы. Относительно простая конструкция СДР позволяет создать расходомер с достаточно широким (практически неограниченным) диапазоном измерения расходов, с ограниченным перепадом давлений.

Изобретение относится к измерительным устройствам и может быть использовано для измерения расходов газа или жидкости в производственных процессах, в системах автоматического регулирования, например, ГТД, также в узлах учета энергоресурсов (для коммерческого учета). Предлагаемый струйный датчик расхода (СДР) содержит первичный частотный струйный преобразователь (ПЧСП1), выполненный в виде струйного переключателя (СП1), замкнутого отрицательными обратными связями, вход ПЧСП1 соединен с входной полостью СРД. Выходные каналы СП1 соединены с бароэлектропреобразователем, преобразующим пульсации давления в выходной электрический сигнал, частота которого пропорциональна объемному расходу. Параллельно ПЧСП1 установлен управляемый клапан (УК1), последовательно с ПЧСП1 установлен дополнительный ПЧСП2, вход которого соединен с выходом ПЧСП1, а выход с выходной полостью СДР, и параллельно ПЧСП2 установлено сужающее устройство СУ2. Проходная площадь УК1 изменяется под действием дифференциального баромеханического преобразователя (БМП1), управляющие полости которого соединены с полостями на входе и на выходе СДР, так, что возникающий при работе на СДР перепад давлений при определенном первом перепаде давлений начинает открывать УК1, открывая его полностью при втором определенном перепаде давлений. При закрытом УК1 о расходе через СДР судят по частоте колебаний СП1 ПЧСП1 (расход пропорционален частоте). После начала открытия УК1 расход определяют по частоте колебаний ПЧСП2. Установка параллельно ПЧСП2 дополнительного УК2 позволяет при больших расходах определять расход по сигналу ПЧСП1 (после начала открытия УК2). Технический результат - создание относительно простого датчика расхода с ограниченным (небольшим) рабочим перепадом давлений, без резких изменений перепада давлений во время его работы. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Струйный датчик расхода (СДР), содержащий первичный частотный струйный преобразователь (ПЧСП1), выполненный в виде струйного переключателя (СП1), вход которого соединен с входной полостью СДР, замкнутого отрицательными обратными связями, бароэлектропреобразователь (БЭП1), преобразующий пульсации давления в выходных каналах СП1 в выходной электрический сигнал, причем параллельно ПЧСП1 установлен управляемый клапан (УК1), отличающийся тем, что последовательно с ПЧСП1 установлен дополнительный, идентичный ПЧСП1, первичный частотный струйный преобразователь (ПЧСП2), вход которого соединен с выходом ПЧСП1, а выход с выходной полостью СДР, и параллельно ПЧСП2 установлено сужающее устройство СУ2, суммарная проходная площадь ПЧСП2 и СУ2 в 2, ..., n1, … и более раз (далее в n1 раз) больше проходной площади ПЧСП1, проходные сечения УК1 в открытом положении выполнены в 2, ..., n2, … и более раз (далее в n2 раз) больше суммарной проходной площади ПЧСП2 и СУ2, проходная площадь УК1 изменяется под действием пружины дифференциального баромеханического преобразователя (БМП1) поршневого, мембранного или сильфонного типа, у которого управляющие полости (БМП1) соединены с полостями на входе и на выходе СДР.

2. СДР по п.1, отличающийся тем, что параллельно ПЧСП2 установлен дополнительный управляемый клапан (УК2), суммарная проходная площадь ПЧСП2, СУ2 и УК2 в открытом положении в 2, ..., n3, … и более раз (далее в n3 раза) больше суммарной проходной площади параллельно установленных ПЧСП1 и УК1, проходная площадь УК2 изменяется под действием пружины дифференциального баромеханического преобразователя (БМП2) поршневого, мембранного или сильфонного типа, у которого управляющие полости соединены с полостями на входе и на выходе СДР, причем суммарная проходная площадь ПЧСП2, СУ2 и УК2 в открытом положении в 2, ..., n4, … и более раз (далее в n4 раза) больше проходной суммарной площади ПЧПС1 и СУ1.