Устройство для измерения массового расхода жидкости Советский патент 1993 года по МПК G01F1/86 

Изобретение относится к области измерительной техники, занимающейся измерением массового расхода потоков вещества. Простота, надежность и помехозащищенность расходомера в сочетании с высокой точностью, которую обеспечивают фазовые датчики массового расхода, позволяют эффективно использовать предлагаемый прибор в химической, пищевой, топливно- энергетической промышленности, в авиаци- онно-ракетной технике и т.д.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков, повышение точности измерения величины массового расхода нестационарных потоков, увеличение помехозащищенности и упрощение конструкции расходомера.

Цель достигается тем, что вибратор- трубка изготовляется прямоточной, сведя к минимуму динамические потери в среде, концы трубки жестко закреплены, образуя входной и выходной патрубки, а возбуждение вибратора осуществляется на его резонансной частоте в двух взаимно перпендикулярных плоскостях со смещением по фазе на 90 градусов. По сравнению с известным расходомером вводится необходимое количество каналов считывания информации о массовом расходе, что делает

возможным сколь угодно часто за период колебания вибратора снимать эту информацию.

На фиг.1 изображен общий вид предложенного прямоточного кориолисового массового расходомера; на фиг.2 а, Ь, с - схематично проекция круговых колебаний на вертикальную плоскость. На фиг.2: а) расход отсутствует, оптронные пары вертикальной плоскости срабатывают одновременно: Ь) - расход есть, 1 - и полупериод колебания: с) - расход есть, 2-й полупериод колебания. Аналогично работают оптронные пары, расположенные в других плоскостях.

Прямоточный кориолиеовый массовый расходомер содержит вибратор 1. выполненный из тонкостенной титановой трубки, жестко закрепленной в опорах 2. Выступающие из опор концы трубки являются входным 3 и выходным 4 патрубками расходомера. Поскольку материал трубки немагнитный, на нее надето и зафиксировано посередине ферромагнитное кольцо 5, а с некоторым зазором к нему установлены три катушки электромагнитных датчиков 6, 7.8 под углом 90 градусов друг к другу. На длине, равной 1/4 длины трубки от ее концов, к ней прикреплены металлические дисковые шторки 9.для прерывания потока света в разнесенсл С

со

ел

ных оптронных парах светодиод - фотодиод, В расходометре для целей иллюстрации показаны только три оптронные пары 10 на каждую шторку, хотя их количество может быть и больше. Датчики , вибратор, усилитель и фазовращатель (на рисунках не показаны) образуют электромеханический автогенератор, самовозбуждающийся на собственной частоте трубки.

Прямоточный кориолисовый массовый расходомер работает следующим образом. Расположенные оппозитно катушки электромагнитных датчиков - чувствительная и силовая 6 и 7 через вибратор замыкают положительную обратную связь усилителя, вызывая поперечные колебания трубки в одной плоскости, На вторую силовую катушку 8, расположенную под углом 90 градусов к первой, подается сигнал с усилителя, сдвинутый по фазе на 90 градусов по отношению к сигналу первой силовой катушки. В результате суперпозиции воздействия усилий силовых электромагнитных датчиков на трубу, она совершает круговые колебания, т.е. колеблется одновременно во всех плоскостях, проходящих через нее в нейтральном положении.

Если нет потока через расходомер, то оптронные датчики, одинаково расположенные у первой и второй шторок, сработают одновременно. При наличии движущейся среды, проходя положение нейтрали, трубка подвергается деформации за счет кориоли- совых сил, в результате чего начало трубки, т.е. первая шторка, раньше (позже) пересечет нейтраль, чем конец трубки, т.е. вторая шторка. Во второй полупериод колебания трубки это запаздывание повторится. Поскольку трубка совершает круговые колебания, то всегда можно найти плоскость, для которой в данный момент трубка пёресека- ет нейтраль, т.е. максимально деформирована. В нашемслучае выбраны три плоскосто: две взаимно перпендикулярны и одна под углом 45 градусов к ним (в этих плоскостях и расположены оптронные пары 10).

Технико-экономическая эффективность предлагаемого расходомера обусловлена его высокой надежностью как следствие простоты конструкции, а также возможностью практически непрерывно фазовым датчиком контролировать массовый расход особенно нестационарных потоков. Силовые инерционные помехи, действующие на вибратор, исключаются благодаря его круговому движению, а следовательно, множественности плоскостей колебания и измерения деформации вибратора из-за наличия потока среды. Данная конструкция

удобна в эксплуатации, не нуждается в профилактике.

Прилагаемые теоретические выкладки обосновывают работоспособность прямо- точного корилисового массового расходомера.

Если предположить синусоидальную форму колебаний трубки в одной плоскости, то для наших граничных условий и первой гармоники имеем подобно струне следующее решение:

15

у A -sin -cos (-р) -(t - п) ,

где Ti можно положить нулкх;

у - мгновенная амплитуда колебания;

А - амплитуда колебания;

I - длина трубки;

х - текущая координата по длине трубки;

а - параметр.

Мгновенная линейная скорость элементов трубки:

y-.)

Колебания трубки из верхнего амплитудного положения в нижнее в момент прохождения нейтрали можно рассматривать как вращение одной половины трубки по часовой стрелке вокруг своей опоры, а другой - против часовой стрелки также вокруг своей опоры. Мгновенная угловая скорость этого вращения элементов одной половины трубки:

Qk -A

, jnx атг sirvT c;n{&t t

. .- --sjnl.t

i A

45

.

Элементарная сила Кормолиса, действующая на элемент среды в координате х трубки, равна:

50 d Fk 2 ,

55

где v - скорость течения элемента среды dm. Таким образом, в момент прохождения нейтрали получаем:

;ПЛ:;Х

2-A-3-jr-vdm

Г х

.

Произведение vdm дает массовый расход. Анализ полученной формулы показывает, что сила Кориолиса максимальна у начала и конца трубки (у оснований) и уменьшается до 2In, т.е. около 2/3 этого значения на середине трубки, причем до середины она действует в одну сторону, а от середины и до конца - в противоположную, что и вызы- вает деформацию трубки при прохождении ею с максимальной скоростью положения равновесия (нейтрали).

В качестве базового объекта можно указать кориолисовый массовый расходомер ВМР-1.

Недостатки подобной конструкции - нереверсивность, увеличение погрешности измерения при нестационарных потоках, поскольку информация о расходе формиру- ется в течение нескольких колебаний вибратора, ошибки измерений из-за действия сил

инерции в плоскости колебания вибратора.

Формула изобретения Устройство для измерения массового расхода жидкости, содержащее измерительный трубопровод, имеющий на концах жесткие заделки, первый привод колебательного движения измерительного трубопровода в первой плоскости, два блока датчиков, перемещения, установленных симметрично относительно середины трубопровода, выходы которых соединены с индикатором, отличающееся тем. что, с целью снижения потерь динамического напора жидкости, в него введен второй привод колебательного движения трубопровода, во второй плоскости, при этом измерительный трубопровод выполнен прямолинейным, а первая и вторая плоскости колебания измерительного трубопровода расположены взаимно перпендикулярно.

Использование: в химической, пищевой промышленности и энергетике. Сущность изобретения: измерительный трубопровод с жесткими заделками содержит первый и второй приводы колебательного движения. Плоскости колебаний, возбуждаемых каждым приводом, взаимно перпендикулярны. Два блока датчиков перемещения соединены с индикатором массового расхода. 2 ил.