Индикатор расхода жидкости Советский патент 1975 года по МПК G01T1/00 

Изобретение относится к области приборостроения, предназначено для измерения расхода и количества жидкостей и может применяться в химической, нефтяной и других отраслях промышленности. Известно устройство для индикации расхода жидкости, содержащее входной и выходной каналы, между которыми расположена наклонная расширяющаяся камера, снабженная с одной стороны прозрачной крышкой. При движении жидкости шар покидает расширение (седло) и, попадая под прозрачную крыщку, теряет устойчивость, начиная играть, это можно наблюдать через прозрачную крышку. При прекращении потока или его реверсировании шар попадает в седло и исполняет роль обратного клапана. Однако отмечается отсутствие возможности измерять расход с нормированной погрешностью в широком диапазоне расходов. Для точного измерения расхода и количества жидкостей в широком диапазоне в предлагаемом индикаторе камера выполнена калиброванной и расположена вертикально, а геометрические размеры камеры, входного канала и шара выбраны в соответствии с соотношением (1,25-1,07) ufax.K -(0,98-0,92) /„,, где йвх.к; ufm - соответственно диаметры камеры, входного канала и шара. Камера на участке присоединения отводящего канала снабжена крышкой с ограничителем хода шара. При этих геометрических соотношениях обеспечивается самопроизвольное закручивание и вращение шара вокруг оси камеры с частотой, прямо пропорциональной объемному расходу с высокой точностью. На фиг. 1 схематически изображен предлагаемый индикатор; на фиг. 2 - зависимость поперечной (подъемной) силы R, вращающей щар вокруг оси камеры, от геометрических размеров, т( V к У Индикатор состоит из корпуса 1, входного канала 2, калиброванной камеры (расщирения) 3, образующей вследствие разности диаметров с входным каналом уступ (седло) 4, помещенного в камеру шара 5, крышки с ограничителем 6, выходного канала 7, тахометрического датчика 8 и преобразователя 9 с аналоговым и цифровым выходами соответственно мгновенному расходу и количеству. Индикатор работает следующим образом. При сообщении жидкости некоторой скорости шар 5 отрывается от уступа 4 (седла) и начинает вращаться (ниже описаны причины и условия, при которых возникает враш,ение) в плоскости, перпендикулярной оси симметрии камеры 3. При незначительном увеличении скорости потока шар, находясь во взвешенном в потоке состоянии, переместится до ограничителя 6. Дальнейшее увеличение расхода обуславливает непрерывное враш,ение шара с частотой, прямо пропорциональной объемному расходу в широком диапазоне с высокой точностью. Врашение шара воспринимается датчиком 8, иапример индуктивным, и преобразуется в аналоговый и цифровой выходы. Самопроизвольное закручивание шара в области уступа вертикально расположенной камеры при сообш;ении потоку некоторой скорости происходит благодаря реализации при определенных геометрических соотношениях шара, камеры и входного канала, одной из оригинальных форм потери устойчивости тела обтекания (шара), удерживаемого силами гидродинамического напора во взвешенном состоянии. Устойчивость теряется ч результате нарушения симметрии обтекаиия. Нарушение симметрии обтекания влечет за собой образование постоянно действуюш,ей поперечной силы и момеита этой силы относительно оси симметрии камеры. Момент равен M -R-l-siu(,(1) где I - поперечная (подъемная) сила, равная произведению плотности жидкости, скорости жидкости в камере и циркуляции; / - эксцентриситет, расстояиие между центром сферы и осью камеры. Главная действуюш,ая сила R после решения уравнения (1) с учетом граничных усло.вий скорости жидкости в точке касания стенки камеры и сферы равна нулю - это подтверждается экспериментально, так как сфера врашается вокруг оси камеры безотрывно от стенок камеры, при этом можно пренебречь толшниой пограничного слоя. Течение в диаметральном сечении сферы отвечает симметрии камеры и сферы, т. е. направления равнодействующих подъемных сил от поступательного и вращательного движения жидкости совпадают, это подтверждается экспериментально и описывается формулой р - . р т/ па /л -РЖ тЧ. dl (1 - т) где РЖ - плотность жидкости; УШ - объем шара; Q - расход; - диаметр камеры; т(- j (аналогично модулю в сужаV к / ющих устройствах). Уравнение (2) позволяет проанализировать границы реализации эффекта закручивания сферы и установить оптимальные геометрические соотношения для камеры и шара. На фиг. 2 приведена зависимость (m}, построеииая по уравпению (2). 1)При уравнение (2) теряет смысл. 2)Прн ак ш- 00. Однако на практике реализовать это иезвозможно по двум причинам: во-первых, при , , а для рассматриваемой конструкции перепад стремится к бесконечности, и, во-вторых, не выполняется условие (Re-число Рейнольдса и fг - число Фруда)кр, при котором возникает спонтанное закручивание шара в области уступа 3. Эксперименты, проведенные с различными шарами, камерами и входными каналами показывают, что существует некоторое постоянное значение ,7с/ш (т 0,96), меньше которого эффект не реализуем. 3)При (ш эффект и рассматриваемая коиструкция не реализуемы, так как в этом случае иодъемная сила убывает обратно пропорционально йк - или т реализуются в пределах 1,02 s;: 1,70 (3). Таким образом, предельные границы, при которых существует синхронное с потоком вращение шара, вырал аются пределом (3). Для реализации индикатора на этом принципе иа этот предел пакладывается еше целый ряд оптимизируюших условий, таких как наибольший линейный диапазон измерения расхода при минимуме потери давления в широком диапазоне вязкости жидкости. При - - 1,7 резко падает один из показателей точности индикатора - число оборотов, совершаемое при прохождении единицы объема, понижается чувствительность расходомера, но достигается наименьшая потеря давления. При 1,02 растет потеря давления, но улучшаются все другие показатели. В результате всестороннего экспериментального исследования макета индикатора со сменными камерами и шарами установлено, что наилучшим диапазоном геометрических соотношений является /к (l,25-f-l,07)dm, причем для достижения гидродинамического подобия условий работы индикатора в широком диапазоне вязкости необходимо для малых вязкостей выбирать соотношения - в сторону уменьшения, а для больших вязкостей - в сторону величения. Следует отд етить, что отношение не полностью характеризует геометричекие свойства индикатора, так как при всех рочих условиях минимальное значение расода, при котором происходит закручивание феры, зависит от условия входа потока в камеру в области уступа, т. е. отношение

«fm

Оптимальным диапазоном отношения

с точки зрения минимального расхода (чувствительности), при котором начинается враш,епие сферы, является .к. {0,,92) d,,,.

Предлагаемый индикатор измеряет очепь малые расходы с высокой точностью преобразования, так как металлический шар диаметлем сигнала: это позволяет создавать индикаторы с условным проходом ,5 мм и менее.

Предмет изобретения

1. Индикатор расхода жидкости, содержашнй подводящий и отводяш,ий каналы, соедипенные расширяющейся по сравнению с каналами пилиндрической камерой, в которой расположен шар, отличающийся тем, что, с целью возможности одновременного измере шния расхода и количества жидкости, цилиндрическая камера выполнена калиброванной и расположена вертикально, а геометрические размеры цилиндрической камеры, входного канала и шара выбраны в соответствии с соотношением

d, (1,25-1,Q7)

.K (0,98-0,92) .

где rf,,; (BX.K ш - соответственно диаметры камеры, входного канала и шара.

2. Индикатор расхода жидкости по п. 1, отличающийся тем, что цилиндрическая камера па участке присоединения отводящего канала снабжена крышкой с ограничителем хода поршня.

Риг. 1

g1 ,2 OJ 0,4 0,S 9,6 8.7 S,S

т Фиг.2X