Устройство для измерения малых объемных расходов газов и паров Советский патент 1981 года по МПК G01F1/64 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАЛЫХ ОБЪЕМНЫХ РАСХОДОВ ГАЗОВ И ПАРОВ

I

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения малых объемных расходов газов и паров.

Известны преобразователи расхода с гидравлическим сопротивлением, потеря давления в которых зависит от расхода l j.

Наиболее близким является устройство для измерения малых объемных расходов газов и паров, содержащее многопластинчатые плоские конденсаторы, установленные в двух измерительных участках и включенные в мостовую измерительную схему 2 .

Известное устройство имеет невысокую точность измерения за счет наличия потерь давления на входе и выходе плоских каналов проточного датчика, а также достаточно сложную конструкцию.

Цель изобретения - повышение точности измерения.

Это достигается тем, что в устройстве для измерения малых объемных расходов, содержащем многопластинчатые плоские конденсаторы, установленные в двух измерительных участках и вклк)ченные в мостовую измерительную схему, многопластинчатые конденсаторы установлены в двух последовательно расположенных измерительных участках, причем одни пластины конденсаторов (через одну проходят через оба измерительных участка, а другие вьтолнены раздельно для каждого измерительного участка, последовательно с раздельными пластинами на входе первого измерительного участка и выходе второго установлены охранные электроды, а величина зазора проточных щелевых каналов между пластинами конденсаторов oпpeделяется по формуле

ье„

В где С - вакуумная емкость идентичных конденсаторов; НСР величина среднего зазора (толщина, канала); длина укороченных пластину Ъ ширина канала между пластинами конденсаторов; C.Q - диэлектрическая проницаемость вакуума, На фиг, 1 представлен датчик расходомера, вид сбоку; на фиг.2 - то же, вид сверху на фиг.З - сечение проточного канала датчика по А-А на фиг.1; на фиг.4 - разрез Б-Б на фиг.2; на фиг.З - сечение по В-В на фиг.4; на фиг.6 - схема измерительного трансформаторного моста; на фиг.7 - схема одиночного щелеврро проточного канала и график изменения давления среды по его длине. Датчик расходомера фиг.1 состои из плоских пластин 1-6, размещенных в прямоугольных вырезах фланцев 7, приваренных к цилиндрическому корпусу 8. Пластины 1-5 со всех сторон покрыты электроизоляционным слоем с весьма малыми проводимостью и смачиваемостью, например фторопластом. Пластины 6 выполнены из нержавеющей стали. Все пластинь 1-6 размещены так, что образуют длинные плоские щели, в которых-устанавливается ламинарный режим течения контролируем среды, подводимой (и отводимой) к д чику по трубопроводу через сопрягаемые с ним фланцы 9 и конусные насад ки 10. Эти насадки приварены к флан цам 9 и флазщам 1 1 , которыми насадки 10 плотно прикрегшяются к фланцам 7корпуса 8 с помощью фторопластовых прокладок 12, болтов 3 и гаек 14 8прямоугольных вырезах фланцев 7 (фиг.2) размещены несущие пластины 15, имеющие с внутренней, обращенной к потоку, стороне продольные пазы 16, в которые плотно вставлены пластины 1-5, покрытые фторопластом и тем самым электрически изолирован ные от .заземленных несущих пластин 15. На узких гранях гшастин 15 вьшо нены пазы 17, в которые уложены металлические пластины 6, плотно прикрепленные к пластинам 15. Пластины 1-5, 6-и 15 удерживаются в фланцах 7 от продольного смещения фторо пластовыми прокладками 12 и фланцам 11 (фиг.1), имеющими таюке прямо- угольные вырезы, но меньших размеро чем прямоугольные вырезы в фпашдах 34 Пластины 2 (фиг.1) имеют длину достаточную для стабилизации ламинарного режима потока, и заземлены. Аналогично пластины 5 имеют длину, достаточную дпя исключения потерь давления на выходе, и также заземлены. Пластины 3 и 4 имеют одинаковую длину. На них имеет место линейное падение давления контролируемой среды за счет вязкостного трения. Пластины 1,3 и 1,4 образуют два последовательно размещенные в потоке конденсатора. Пластины 1 для них являются общими. Пластины 3 и 4, а таюке 2 и 5 размещены в поперечном сечении датчика попеременно с пластинами 1 (фиг.1,3 и 4). Все пластины 2 и 5 электрически соединены между собой и корпусом 8. Аналогично все пластины 1,3 и 4 электрически -соответственно соединены между собой. Дпя такого соединения в несущих пластинах 15 имеются поперечные пазы 18 (фиг.4 и 5). Концы пластин, выходящие из пазов 16 в пазы 18, освобождены от фторопластовой пленки и к ним присоединены электропроводники 19,20 и 21 соответственно к параллельным пластинам 1,3 и 4. Эти проводники подключены к трем электропроводам (фиг.5), состоящим из резьбовых гаек 22, фторопластовых уплотнений 23, коаксиальных стержней 24 и нажимных гаек 25. Резьбовые гайки 22 приварены к корпусу 8 и через отверстия ,в нем к стержням 24 присоединены электропроводники 19,20 и 21. Снаружи от электровводов отходят три коаксиальных радиочастотных кабеля к вторичному прибору. Датчик покрыт тепловой изоляцией и имеет температуру трубопровода. Для точных измерений он термостатируетсй, Вторичный прибор является автоматическим квазиуравновешенным трансформаторным мостом с аналоговым или цифровым выходом (и при необходимости с регулирующим устройством), предназначенным для точного измерения разности емкостей конденсаторов, составленных из пластин 1-3 и 1-4. Мост (фиг,6) состоит из плечевого трансформатора напряжения 26, на первичнзгю обмотку 27 которого подается питающее напряжение. Со вторичной, синфазно включенной, обмотки 28 одинаковые напряжения подаются по коаксиальным каб,елям через соответствующие

электровводы на параллельно включенные пластины 3 и 4. Пластины 1, являющиеся общими для конденсаторов с пласяинами 3 и 4, через соответствующие элактроввод и кабель подключены в диагонали моста к блоку 29, состоящеьту из фазочувствительного селективного усилителя, схемы управления уравновешивающим конденсатором 30 и схемы индикации результата измерения. В пластинах 6 вьитолнены отверстия 31 для заполнения пространства между корпусом 8 и пластинами 6 и 15 контролируемой средой.

Устройство работает следующим образом.

При постоянной температуре датчик и отсутствии потока емкости конденсаторов, составленных из пластин 1-3 и 1-4, одинаковы. Вторичный прибор при равновесии трансформаторного моста индицирует нулевые показания.

Поток среды провода через конусную насадку входит в длинные щели между пластинами 1-4,5 а также между ттастинами 6 и 2,3,4,5. В этих уз ких щелях устанавливается ламинарный режим течения с вязкостным трением. Максимальная величина расхода контролируемого потока должна соответствовать предельному критерию Рейнольдса для ламинарного потока в этих целях. .

На начальном участке между пластинами 1 и 2, а также 6 и 2 происходит нелинейное изменение давления за счет имеющихся потерь давления на входе (фиг.,7). Здесь режим движет ния стабилизируется и по толщине зазора устанавливается параболическое распределение скорости контролируемого потока. Длина пластин 2 выбрана по предельной величине критерия Рейнольдса для соответствующих верхнего предела измерения устройства и коэффициента динамической вязкости контролируемого потока. Стабилизированный ламинарный поток поступает на участки щелей между пластинами 1-3 и 1-4 и соответственно, 6-3, 6-4. Здесь имеет место линейное изменение давления текущей среды, описываемое законом Пуазей- ля. Суммарный перепад давлений, возникающий на длине пластин 3 и 4, пропорционален объемному расходу протекающего потока. Эта же величина объемного расхода пропорциональна перепадам давлений, возникающим

на длине каждой пластины 3 и 4, если их длины одинаковы. За счет наличия перепадов давлений на пластинах 3 и 4, в щелях между пластинами 1,3 и 1,4 устанавливаются неодинаковые средние давления. Причем среднее давление на пластине 3 больше, чем среднее давление на пластине 4. Этим средним давлениям соответствутот нео0динаковые средние плотности и ди- . электрические проницаемости в конденсаторах, составленных из пластин 1,3 и 1,4. Средняя диэлектрическая проницаемость в конденсаторе из пластин 1,3больше, чем в конденса5торе из пластин 1,4. Соответственно увеличивается емкость конденсатора (из пластин 1,3)расположенного первым по направлению движения ламинарного потока, по сравнению с емкостью

0 конденсатора (из пластин 1,4), размещенного вторым в потоке.

Вследствие возникшей разности емкостей этих конденсаторов нару5шается баланс трансформаторного моста (фиг.6) на трансформаторе напряжения 26, в плечи которого включены эти емкости. Разность емкостей конденсаторов из пластин 1,3 и 1,4 ком0пенсируется увеличением емкости уравновешивающего конденсатора 30, управляемого блоком 29, который после завершения балансировки моста индицирует результат измерений.

5

На концевом участке щелей между пластинами 1,5 и 6,5 имеет место нелинейное изменение давления протекающей среды за счет выходных потерь. Поток контролируемой среды посла

0 плоских щелей направляется в конусную насадку 10 и затем в трубопровод, сочлененный с датчиком фланцем 9. Пространство между корпусом датчика 8 и пластинами 6 и 15 заполняется

5 контролируемой средой через отверстия 31 в пластинах 6.

При движении между пластинами Г;би 2-5 сжимаемой среды за сче« возникающего перепада давлений имеется дросселирование и соответствующее увеличение объемного расхода, которое учитывается введением поправки к расчетной формуле расхода.

Расход зависит от разности ди электрических проницаемостей измеряемой среды в конденсаторах, составленных из пластин 1,3 и 1,4 или разности емкостей этих конденсаторов. Эта зависимость объемного расхода от изменения диэлектрической проницаемости измеряемого газа при постоя ной его температуре описьшаеУся соотношением . Н. сР К.1 А & 4v 4-11 бо РСР С С&ср- П W 4П где R, Т, | газовая постоянная, температура и вязкость контролируемого потока соответственно} . Ь, Lширина и длина пластин 3 и 4; Н средняя величина зазо Р ра между пластинами 1 и 3 С4)5 р с удельная поляризация СрЧ и диэлектрическая про ницаемость газа при среднем давлении в ка нал.ах; К - поправочный коэффицие на расширение контролируемого потока; И - число параллельно вкл ченных каналов; разность средних дизл рических проницаемосте в конденсаторах из пла тин 1 J 3 и 1,4. Описьгоаемая конструкция датчика позволяет величину зазора пла тинами 1 и 3,4 измерять электрическ спосрбом, что повьш1ает точность измерения расхода. Для этого датчик перед установкой в трубопровод ва- куумируется и измеряются последовательно емкости кон,ценсаторов, соста ленных из пластин 1,3 и 1,5. Заземленные пластины 2 и 5 являются охранными электродами. При измерениях каждой вакуумной емкости остальные пластины заземляются. В таком случае блок индикации 29 вторичного прибора градуируется согласно соотношению RT Y ЯК.С Virv срС ЧесрН) пф/мм - диэлектгде ,85419-10 рическая проницаемость вакуу ма; CL,&C- средняя вакуумная емкость и изменение емкости соответств но конденсаторов с пластинам 1,3 и 1,4. Для технических измерений поправочный коэффициент на расширение змеряемой среды определяется по соотношению ЗКТлС PcpC C tcp-l) где 6 среднеег давление измеряемой среды в проточных каналах. Причем коэффициент К. с увеличением давления потока уменьшается. Наличие в конструкции датчика заземленных пластин 2,5,6 и 15, выполняющих роль охранных электродов, позволяет значительно уменьшить краевые эффекты при измерении емкости измерительных конденсаторов. А это, в свою очередь, исключает механические измерения малой величины среднего зазора, которые не могут быть выполнены точно. Определение зазора производится электрическими измерениями вакуумной емкости идентичных конденсаторов С и с согласно соотношениюи .. ьео Описываемое устройство позволяет точно измерять малые и пульсирующие расходы за счет малых перепадов давления на датчике и получения пульсирующего изменения емкости на трансформаторном мосте, точно повторяющего временное изменение расхода. Кроме того, обеспечивается линейная шкала устройства и измерение расхода в пределах всей шкалы. Формула изобретения Устройство для измерения малых объемных расходов газов и паров, содержащее многопластинчатые плоские конденсаторы, установленные в двух измерительных участках и включенные в мостовую измерительную схему, отличающееся тем, что, с целью повьш1ения точности измерения, многопластинчатые конденсаторы установлены в двух последовательно расположенных измерительных участках. Причем одни спластины конденсаторов (через одну) проходят через оба измерительных участка, а другие пластины выполнены раздельно для каждого измерительного участка последовательно с раздельными пластинами на входе первого измерительного участка и.выходе второго установлены охранные электрода, а величина зазора проточных щелевых каналов между пластинами|конденсатор6в определяется по формуле

ье.

е С« - вакуумная емкость идентичных конденсаторов} величина среднего зазора

(толщина канала)| KO - дпина укорочённых пластин; - ширина канала между пластинами конденсаторов;

Р

одиэлектрическая проницаемость вакуума.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

кл. в 01 F 1/64, 17.01.79 (прототип).

Фиг. 2

В

В

ФигЛ

фиг. ff

N