Вихревой расходомер Советский патент 1993 года по МПК G01F1/32 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля расхода жидкостей и газов, преимущественно химически активных и агрессивных.

Целью изобретения является повышение точности и чувствительности измерений путем вынесения преобразователя из контролируемого потока и снижение чувствительности к вибрациям трубопровода.

Поставленная цель достигается тем, что в вихревом расходомере, содержащем вихреобразующий элемент, установленный а

измерительном участке трубопровода и обтекаемое тело, связанное с узлом съема сигнала через герметизатор и размещенное в плоскости, проходящей через оси измерительного участка и вихреобразующего эле- ментаГузел съема сигнала выполнен в виде корпуса, в котором размещены передающий элемент, связанный с обтекаемым телом в точке его соединения с герметизатором, два преобразователя, установленные на передающем элементе и электрически связанные с измерителем по дифференциальной схеме, и два жестких

СЛ 03

ю

со

упора, соединяющие преобразователи с внутренними стенками корпуса, а обтекаемое тело установлено консольно, причем отношение ширины обтекаемого тела к диаметру измерительного участка трубоп- роводз лежит в диапазоне от 0,2 до 0,6,

Снабжение узла съема сигнала передающим элементом, соединение передающего элемента с обтекаемым телом в точке его соединения с герметизатором, соединение герметизатора по периметру с корпусом, при котором передающий элемент находит- ся внутри корпуса, позволяют вынести преобразователь из измеряемого потока за стенку измерительного участка трубопрово- да, избавляют от необходимости установки герметичных электроизолированных выводов е посадочном гнезде и подвижного герметичного контакта для съема сигнала преобразователя,

Установка корпуса снаружи трубопровода позволяет сделать чувствительный элемент легкосменяемым, что упрощает его калибровку и эксплуатацию.

Консольное расположение обтекаемого тела внутри измерител ьного трубопровода вдоль его диаметра позволяет получать амплитуду сигнала большую, чем при использовании расходомера, изготовленного по прототипу. Закрепление обтекаемого тела за одну из узких сторон повышает чувствительность, поскольку при прочих равных условиях прохождение вихря создаст для обтекаемого тела больший крутящий момент, чем в устройстве по прототипу, следо- вательно, большее усилие будет приложено через передающий элемент к преобразователю. ; ;:

Ориентация профиля обтекаемого тела соответствующая минимальному гидрав ли- ческому сопротивлению для продольной составляющей потока и максимального - для поперечной составляющей, создаваемыми обтекаемым телом набегающему потоку, обеспечивает максимум сигнала, возбужда- ёмого вихрями, и снижение чувствительности к пульсациям продольной составляющей потока,

Снабжение узла съема сигнала двумя преобразователями, установка преобразо- вателёй с противоположных сторон передающего элемента по линии его смещения, происходящего под воздействием вихрей на обтекатель, и их электрическая связь с измерителем по дифференциальной схеме позволит снизить уровень фоновых шумов, вызванных вибрациями трубопровода и пульсациями давления в потоке, следовательно, повысить отношение сигнал/шум.

Выбор отношения ширины обтекаемого тела к диаметру измерительного участка трубопровода в пределах от 0,2 до 0,6 позволяет получить максимальную амплитуду колебаний обтекаемого тела, возбуждаемых проходящими вихрями. Оптимальной шириной обтекаемого тела является величина, равная половине отношения средней скорости потока в измерительном участке трубопровода к частоте образования вихрей на вихреобразующем элементе, последовательно, сравнимая с характерным размером вихреобразующего элемента, который всегда меньше диаметра трубопровода. Действительно, при ширине обтекаемого тела, выбранной больше-указанного отношения, на противоположные стороны обтекаемого Тела действуют Две соседних вихря с результирующей отклоняющей силой, которая по абсолютной величине меньше отклоняющей силы одного из вихрей. В противном случае, при ширине обтекаемого тела, меньшей указанного отношения, площадь, ограниченная контуром обтекаемого тела, видимым в направлении возбуждаемых колебаний, будет меньше, поскольку только часть проходящего вихря будет воздействовать на обтекаемое тело.

Наличие двух жестких упоров, каждый из которых расположен внутри корпуса на линии смещения передающего элемента, вызванного воздействием вихрей на обтекаемое Тело, Между одним из преобразователей и стенкой корпуса и соединен с ними, и выполнение каждого преобразователя жестким позволяют зафиксировать передающий элемент, снять часть нагрузки с гибкого герметизатора, увеличив тем самым ресурс работы расходомера. При этом амплитуда сигнала будет пропорциональна деформации преобразователя, а не его перемещению, как это происходит в прототипе.

Указанная цель достигается также тем, что размещение обтекаемого тела на расстояниях от вихреобразующего элемента не меньше ширины обтекаемого тела, но не больших утроенного диаметра измерительного участка трубопровода, дает возможность получать максимальный сигнал при прочих равных условиях. Действительно, сближение обтекаемого тела и вихреобразующего элемента на меньшие расстояния, т.е. в зону формирования вихрей, приведет к биениям амплитуды сигнала и случайным изменениям частоты вихреобразования из- за искажений формы образующегося вихря и возникновения более мелких вихрей и Снизит точность измерений. Разнесение обтекаемого тела и вихреобразующего элемента на расстояния более трех диаметров

измерительного участка трубопровода приводит к снижению амплитуды сигнала расходомера, вызванному постепенным разрушением вихря, сравнимому по величине с влиянием изменений других парамет- ров на амплитуду этого сигнала.

Обеспечение равенства моментов инерции обтекаемого тела и передающего элемента с присоединенными к нему преобразователями относительно образую- щей измерительного участка трубопровода, проходящей через точку соединения герметизатора с обтекаемым телом и передающим элементом, приводит к снижению чувствительности вихревого расходомера к вибрациям трубопровода. Нарушение равенства указанных моментов инерции приводит к модуляции полезного сигнала вибрационными составляющими.

На фиг. 1 и 2 изображены продольный и поперечный разрезы вихревого расходомера. ;

Пример 1. Вихревой расходомер содержит вихреобразующий элемент 1, установленный по диаметру измерительного участка трубопровода 2, посадочное гнездо 3, выполненное в стенке измерительного участка трубопровода 2 в виде сквозного отверстия, узел съема сигнала 4, установленный в посадочное гнездо 3 по диаметру измерительного участка трубопровода 2 параллельно вихреобразующему элементу 1. Внутренний и наружный диаметры измерительного участка трубопровода 2 равны 40 и 45 мм. Узел съема сигнала 4 содержит кор- пус 5, обтекаемое тело 6, герметизатор, выполненный гибким в виде кольцеобразной мембраны 7, первый и второй механоэлект- рические преобразователи 8 и 9, передающий элемент 10, установленный внутри корпуса 5 и соединенный с одним концом обтекаемого тела 6 через центр кольцеобразной мембраны 7, внутренняя кромка которой охватывает место соединения передающего элемента 10 и обтекаемого тела 6 и соединена с ними, а наружная - соединена с нижним краем корпуса 5. Толщина кольцеобразной мембраны 7 (1 мм) меньше толщины стенки измерительного участка трубопровода 2. Второй конец обте- каемого тела б не соединен с противоположной стенкой измерительного участка трубопровода 2 и может свободно колебаться в плоскости поперечного сечения этого участка, проходящего через диаметр, парал- лельный продольной оси вихреобразующе- го элемента 1, в направлении, перпендикулярном указанному диаметру. Кольцеобразная мембрана 7 размещена заподлицо с внутренней стороной стенки измерительного участка трубопровода 2. Такая конструкция узла съема сигнала 4 позволяет соединить его с измерительным участком трубопровода 2 с помощью сварки.

Обтекаемое тело 6 выполнено в форме пластины с заостренными боковыми кромками (ширина 15 мм, длина 35 мм) и размещено в плоскости осевого сечения измерительного участка трубопровода 2, проходящей через продольную ось вихреоб- разующего элемента 1. Обтекаемое тело 6 и передающий элемент 10 представляет собой два физических маятника, расположен- ных супротивно и жестко связанных между собой в точке соединения с кольцеобразной мембраной 7. Плоскость, в которой движутся маятники, совпадает с плоскостью поперечного сечения измерительного участка трубопровода 2. а ось вращения относительно которой движутся маятники, совпадает с образующей этого участка, проходящей через центр кольцеобразной мембраны 7.

Первый и второй преобразователи 8 и 9 расположены на противоположных сторонах передающего элемента 1.0 по линии его смещения, происходящего под воздействием вихрей Кармана на обтекаемое тело 6, и соединены проводниками 1-3 и 14 через электрический разъем 15с измерителем по дифференциальной схеме.

Жесткие упоры 11 и 12 расположены внутри корпуса 5 на обращённых наружу поверхностях преобразователей 8 и 9 по указанной линии смещения передающего элемента 10 и оперты на противоположные стенки корпуса 5. Преобразователи 8 и 9 будучи выполнены жесткими, преобразователи 8 и 9 ограничивают амплитуду колебаний передающего элемента 10 и обеспечивают его фиксированное положение в корпусе 5 через упоры 11 и 12, уменьшая тем самым возникающие в гибком герметизаторе 7 механические напряжения и его износ, что приводит к увеличению ресурса работы расходомера., ,

Вихревой расходомер работает следующим образом. Вихри, возникающие в потоке после вйхреобразующего элемента 1, переносятся этим потоком по измерительному участку трубопровода 2 к узлу съема сигнала 4 и воздействуют на обтекаемое тел о 6, вызывая его колебания, синхронные с прохождением этих вихрей, которые через передающий элемент 10 передаются на преобразователи 8 и 9, возбуждая в них равные по амплитуде электрические колебания противоположной полярности. При дифференциальном соединении преобразователей 8 и 9 с измерителем составляющие

сигналов, обусловленные колебаниями обтекаемого тела 6 под действием вихрей, складываются, в то время, как аддитивные составляющие этих сигналов, обусловленные продольными пульсациями потока, вычитаются.

Описанное выше расположение узла съема сигнала 4 позволяет в значительной мере снизить чувствительность вихревого расходомера к вибрациям трубопровода. Вибрации всех направлений кроме совпадающих с направлением воздействия вихрей на обтекаемое тело 6, возбуждают в преобразователях 8и 9 синфазные сигналы, которые компенсируются при дифференциальном включении измерителя.

Оптимальная ширина обтекаемого тела б в направлении оси измерительного участка трубопровода 2 равна половине отношения средней скорости потока в измерительном участке трубопровода 2 к частоте образования вихрей на вихреобра- зующем элементе 1. Для трубопровода с условным диаметром Dy 40 мм при расходе 20 м3/ч средняя скорость потока равна 4,4м/с, частота вихреобрэзов а ния от eWxpe-й образующего элемента 1 составила 100 Г% а оптимальная ширина обтекаемого тела 22 мм. Силы воздействия на обтекаемо Мо двух последовательных вихрей направлены в противоположные стороны, поэтому рбН зультирующая их одновремён ного йозДей ствия меньше любой из них. Отклонения 4t указанной выше ширины обтекаемого тёяй: 6 приводят к снижению амплитуды полезного сигнала расходомера, которое означает снижение чувствительности и отношения сигнал/шум ;

Амплитуда полезной составляющей сигнала растет с увеличением площади проекции обтекаемого тела 6 на плоскость, перпендикулярную направления его колебаний, до тех пор, пока линейный размер этой проекции вдоль пдтока не превысит расстояния между центрами соседних вих- рей- ., ;.. - ; . .- . ; .:. . . Пример 2. 8 вихревом расходомере, изготовленном по примеру 1, обтекаемое теяв 6 удалено от вихреобразующего элемента 1 на расстояние, не меньше ширины обтекаемого тела 6, но не больше, чем утро- ейнуй диаметр измерительного участка трубопровода 2, что обеспечивает (при прочих равных условиях) наибольшие значения отношения сигнал/шум. Для расстояний, превышающих указанный диапазон, амплитуда полезного Сигнала стремится к амплитуде турбулентного шума.

А р и м е р 3, В вихревом расходомере, изготовленном по примерам 1, 2, момент

инерции передающего элемента 10 с размещенными на нем преобразователями 8 и 9 равен моменту инерции обтекателя относительно оси вращения, совпадающей с образующей измерительного участка трубопровода 2, проходящей через центр кольцеобразной мембраны 7, а резонансная частота соединенных кольцеобразной мембраны 7, обтекаемого тела 6 и передающего элемента с размещенными на нем преобразователямисоставляетприблизительно 200 Гц, что превосходит максимальную частоту следования вихрей, равную 100 Гц. :

.:-...;. -.:. ;

При вибрациях направления которых совпадают с направлением колебаний обте- каемого тела 6 под действием проходящих вихрей, преобразователи 8 и 9 работают как

акселерометры из-за равенства указанных моментов инерции. В противном случае, при неравенстве этих моментов инерции, преобразователи 8 и 9 работают как датчики давления и имеют более высокую чувствительность к указанным вибрациям, чем ак;сёлёрометры.-.. :; v..:-;/ .;..-;.... :.. .; ф о р My л а из 6 6 ре те ни я

1. Вихревой расходомер, содержащий вихреобразующий элемент, установленный

в измерительном участке трубопровода, и

обтекаемое телр. связанное с узлом сьема

6Й1Гнвла через герметизатор, о тли ч а ю - i и и с я тем, что, с целью повышения

:fОтнести и чувствительности, узел съема

сигнала выполнен в виде корпуса, в котором размещены передающий элемент, связан- йый с обтекаемым телом в точке его соединений с герметизатором, два преобразователя, установленных на передающем элементе и электрически связанных с измерителем по дифференциальной

схеме, и два жейткйх упора, соединяющих преобразователи с внутренними продольными стенками корпуса, а обтекаемое тело

установлено в отвесной плоскости, проходящей через ось измерительного участка трубопровода, причем отношение ширины обтекаемого тела к диаметру измерительного участка трубопровода от 0,2 до 0,6.

2. Расходомер по п. 1, о т л и ч а ю щи й- с я тем, что обтекаемое тело удалено от вихреобразующего элемента на расстояние, не меньшее ширины обтекаемого тела, но не большее утроенного диаметра трубопровода.

3. Расходомер по пп, 1 и 2, о т л и ч a tout и и с я тем, что, с целью снижения чувствительности к вибрациям трубопровода, передающий элемент с размещенными на нем преобразователями и обтекаемое тело иМеют одинаковый момент инерции относительно образующей трубопровода, проходящей через точку соединения герметизатора с обтекателем и передающим элементом.

Использование: для контр оля расхода жидкости и газов, преимущественно хими- . чески активных и агрессивных. Сущность изобретения: в вихревом расходомере, содержащем вихреобразующмй элемент, установленный в измерительном участке трубопровода, и обтекаемое тело, связанное с узлом съема сигнала через герметизатор, узел съема сигнала выполнен в виде корпуса, в котором размещены передающий элемент, связанный с обтекаемым телом в точке его соединения с герметизатором, два преобразователя, установленные на передающем элементе и электрически связанные с измерителем по дифференциальной схеме, и два жестких упора, соединяющие преобразователи с внутренними продольными стенками корпуса, а обтекаемое тело установлено в отвесной плоскости, проходящей через ось измерительного участка трубопровода, причем отношение ширины обтекаемого тела к диаметру измерительного участка трубопровода от 0,2 до 0,6, кроме того, обтекаемое тело удалено от вихреобразующего элемента на расстояние не меньше ширины обтекаемого тела, но не больше, чем утроенный диаметр трубопровода, а передающий элемент с размещенными на нем преобразователями и обтекаемое тело имеют одинаковый момент инерции относительно образующей трубопровода, проходящей через точку соединения герметизатора с обтекателем и передающим элементом. 2 з.п.ф-лы, 2 ил. (Л со

Фиг.Т