Массовый расходомер Советский патент 1981 года по МПК G01F1/64 

1

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерений мгновенного и (или) суммарного массового расхода газов или перегретых паров и автоматического поддержания заданного значения расхода.

Известен массовий расходомер, содержащий датчик объемного расхода и датчик плотности, выполненный в виде конденсатора, образованного двумя полукруглыми неподвижными (секторными) пластинами, размещенными на поверхности полого дизлектрического барабана, вращающегося между неподвижными пластинами, и периодически изменяюишми емкость.

Величина емкости конденсатора измеряется емкостным мостом, в измерительной диагонали которого возникает напряжение, модулированное с частотой вращения барабана, а амплитуды (максимальная и минимальная) этого напряжения определяются величиной диэлектрической проницаемости вещества в потоке, т.е. его плотностью П.

Наиболее близким к предлагаемому является расходомер, состоящий из четырех идентичных емкостных преобразователей, злектрически соединенг ных попарно для измерений объемного расхода и плотности газа. Преобразователи выполнены в виде многопластннчатых плоских конденсаторов, включен10ных в рабочие, и компенсационные плечи двух измерительных автоматических квазиуравновешенных трансформаторных мостов, измеряющих соответственно объемный расход протекающего потока ;

15 и его плотность. Реверсивные электродвигатели этих трансформаторных мостов соединены с ;резистивными преобразователями, которые включены в прог тивоположные плечи автоматического

20 мостового резистквного аналогового умножителя 2 .

Известный расходомер имеет недостаточную точность измерения за счет влияния потерь давления на входе и выходе плоских каналов проточного конденсатора, а также достаточно сложную конструкцию. Цель изобретения - повышение точности измерений при упрощении конструкции. Поставленная цель достигается тем что в массовом расходомере, содержащем датчики объемного расхода и плот ности, состоящие из многопластинчатых .плоских конденсаторов, включенны в плечи измерительных трансформатор мостов, и мостовой аналоговый умножитель, причем конденсаторы датчика объемного расхода расположены последовательно в проточном канале, а его укороченные пластины установлены последовательно с охранными электродами, конденсатор датчика плотности установлен в проточном канале, причем часть его пластин выполнена укороченными и последовательно с ними на входе и выходе конденсатора установлены охранные электроды, при этом величина зазора между пластинами конденсатора плотности определена по формуле asobEo §0 - диэлектрическая про ницаемость вакуума; емкость конденсатора датчика плотности в вакуумеJ Ь и ЕО зазор между пластинами, ширина и длина укороченных плас тин кЪнденсатора датчика плотности; а зазоры между пластинами конденсаторов датчиков плотности и объемного расхода выбраны из соотношения Н2/н,Иар/ау, где H.,:gj., -. - .зазор меаду пласти1б нами конденсатора датчика объемного рас ход а J Qn и (1 - расходы газа через конденсаторы датчиков плотности и объемного расходаJ - емкость конденсатор датчика объемного расхода в вакууме. При этом в смежном плече трансформаторного моста, измеряющего плотность 1 установлен конденсатор переменной емкости. На фиг. 1 представлен датчик расходомера, продольный разрез; на фиг. 2 - вид А на фиг. 1; на фиг.З сечение В-Б на фиг. I на фиг. 4 сечение В-В на фиг. 1; на фиг. 5 разрез Г-Г на фиг. 2j на фиг. 6 схема измерительных трансформаторных мостов и мостового умножителя; на фиг. 7 - схемы одиночных щелевых проточных каналов измерительных ; онденсаторов объемного расхода и плотности, а также графики изменения давления потока в них (ct и 5 соответственно) . Датчик расходомера (фиг.1) состоит из набора плоских прямоугольных пластин 1-П, размещенных в прямоугольных вырезах фланцев 12. Последние приварены к цилиндрическому корпусу 13.Пластины 1-5 и 7-1.0 покрыты со всех сторон электроизоляционным слоем материала с весьма малыми проводимостью и смачиваемостью (например фторопластом . Пластины 6 и 11 выполнены из нержавеющей стали. Пластины 2-5, а также 9, 7, 10 расположены последовательно по длине одна за другой. Пластины и 8 имеют одинаковую длину, равную длине этих групп пластин 2-5 и 9, 7, 10. Группы пластин 9, 7, 10 и пластины и 8 размещены так, что зазоры между ними и пластинами 6 и II в несколько раз меньше, чем зазоры между группами пластин 2-5 и пластинами I и 6. Все группы пластин 2-5, а также 9, 7, 10 совместно с пластинами I, 8, 6, II образуют плоские длинные щели, в которых устанавливается ламинарный режим течения измеряемой среды, подводимой (и отводимой к датчику через фланцы 14 и конусные насадки 15. Фланцы 14 приведены к конусным насадкам 15 и к фланцам 16,. . которые с помощью .болтов 17, гаек 18 через фторопластовую прокладку 19 плотно прикрепляются к фланцам 12 корпуса 13. Датчик фланцами t4 соединен с трубопроводом (не показан, по которому транспортируется измеряемый газ (перегретый пар). Поток измеряемого газа в датчике течет в направлении А. В прямоугольных вырезах фланцев 12 (фиг.2 размещены несущие пластиы 20, имеющие со внутренней, обращенной к потоку стороны, продольные пазы 21 и 22, в которые плотно вставляются соответствуюише пластины 1-5 и 7-10, покрытые фторопластом и тем самым электрически изолированные от заземленных несущих пластин 20. В последних, кроме того, вьтолнены пазы 23, в; которые вставлены металлические пластины 6, разделяющие поперечное сечение проточной части датчика на три проточных канала. В центральном канале размещены пластины 1-5, а в периферийных - пластины 7-10. На гранях пластин 20 также выполнены пазы 2А, в которые уложены металлические пластины 11, плотно прикрепленные (например пайкой) к пластинам 20.

Пластины 1-5, 7-10, 6 и 11 и 20 зафиксированы во фланцах 12 от продольного смещения фторопластовьии прокладками 19 (фиг.1) и фланцами 16 имеющими также прямоугольные вырезы, но внутренние их размеры меньше, чем размеры прямоугольных вырезов во фланцах 12 на толщину пластин 11 и 20. Длина пластин 2 и 9 обусловлена предельным значением критерия Рейнольдса так, чтобы на ней стабилизировался ламинарный режим течения потока с образованием в узких щелях межау пластинами эпюры скоростей параболической формы. Эти пластины заземлены. Аналогично пластины 5 и 10 имеют такую длину, чтобы на ней проходило нелинейное падение давления за счет выходных потерь. Эт пластины также заземлены.

Пластины 3 и 4 имеют одинаковую длину и расположены одна за другой. Пластины I и 8 имеют длину, равную суммарной длине пластин 2-5, пластина 7 - длину, равную удвоенной длине пластины 3 (или 4). В щелях между пластинами 1 и 3 и 1 и 4, а также 7 и 8 имеет место линейное падние давления измеряемой среды за счет вязкостного трения.

Пластины I и 3 и 1 и 4 образуют два, последовательно размещенные в потоке, конденсатора для измерения объемного расхода. Пластины 1 для них являются общими. Пластины 3 и А (а также 2 и 5) размещены в центральной части поперечного сечения проточной части датчика попеременно с пластинами 1 (фиг.1, 3 и 4). Все пластины 2 и 5, расположенные в пазах 21 (фиг.2) перед и за пластинами 3 и 4,

злектрически соединены между собой и с корпусом 13 (т.е. заземлены). Аналогично все пластины 1, 3 и 4 электрически соответственно соединены между собой, образуя три многопластинчатых электрода двух измерительных конденсаторов.

Пластины 7 и 8 образуют один многопластинчатый конденсатор, размещенный в двух периферийных частях

(фиг.1, 3 и 4) поперечного сечения проточной части датчика. Этот конденсатор предназначен для измерения плотности протекающего потока. Все

пластины 9 и 1 О, расположенные в пазах 22 (фиг.2) перед и за пластинами, электрически соединены между собой и с корпусом 13 (т.е. заземлены). Аналогично все пластины 7 и 8 электрически соответственно соединены между собой.

Для такого электрического соединения пластин 1-10 в несущих пластинах 20 (фиг.2) выполнены поперечные

пазы 25 (фиг..4 и 5). Концы пластин, выходящие из пазов 21 и 22 в пазы 25, освобождены от фторопластового покрытия и к ним присоединены (например пайкой) электропроводники 26-28 (соответственно к пластинам 1, 3 и 4) и 29 и 30 (соответственно

к пластинам 7 и 8) (фиг.4). Эти электропроводники подключены к пяти элсктровводам (фиг.5), состоящим из резьбовых гаек 31, фторопластовых уплотнений 32, коаксиальных стержней 33 и нажимных резьбовых втулок 34. Резьбовые гайки 31 приварены к корпусу 13. Через отверстия в нем к стержням 33 присоединены электропроводники 26-30 (фиг.5). Снаружи от электровводов отходят пять коаксиальных радиочастотных кабелей (не показаны) к вторичным приборам.

Корпус 13 датчика с фланцами 12 и 16 и конусной насадкой 15 (фиг.1) теплоизолируются и имеют температуру трубопровода и измеряемой среды. Для точных измерений датчик термостатируется.

Для измерений разности емкостей проточных конденсаторов объемного расхода, составленных из пластин I и 3 и I и 4( фиг.1, 4 и 5) приме-, нен автоматический квазиуравновешеиный трансформаторный мост (измеритель объемного расхода). Мост 35 (фиг.6) содержит генератор 36 синусоидального напряжения, трансформатор 37 напряжения, имеющий две мультифилярные обмотки 38, селективный усилитель с фазовым дискриминатором 39, имеющим биполярный выход, усилитель 40 постоянного тока, который управляет реверсивным электродвигателем 41. В плечи моста 35 включены проточные конденсаторы 42 и 43, составленные соответственно из пластин 1 и 3 и I и 4. Компенсация увеличенной (при расходе потока) емкости измерительного конденсатора 42 осуществляется линейньм переменны конденсатором 44, связанным с валом электродвигателя 41, который также связан со стрелкой 45, указывающей на шкале объемный расход, и точным резистивным преобразователем 46. Для измерения емкости проточного конденсатора плотности, составленног из пластин 7 и 8 (фиг.1, 3 и 4) применен трансформаторный мост 47 (фиг аналогичный мосту 35. Этот мост содержит генератор 48 напряжения, трансформатор 49 напряжения с обмотками 50, селективный усилитель 51, усилитель 52 постоянного тока, элект родвигатель 53. В плечи моста 47 включен проточный конденсатор (Б4, составленный из пластин 7 и 8 и высокоточный стабильный и настраиваемый конденсатор 55. Компенсация уве личения емкости проточного конденсатора 54, зависящая от плотности измеряемого газа, осуществляется линей ным конденсатором 56 переменной емкости, связанным с валом электродви .гателя 53. К нему также присоединены стрелка 57, указывающая на шкале плотность измеряемого потока, и точный резистивный преобразователь 58. Резистивные преобразователи 46 и 58 включены в противоположные плечи резистивного моста 59, содержащего также постоянный резистор 60 и реохорд 61, управляемый валом электродвигателя 62, подключенного к выходу усилителя 63. Вал электродвигателя 62 связан также со стрелкой 64, указывающей на шкале массовый расход. В пластинах 11 выполнены отверстия 65 (фиг.1) для заполнения пространст ва между корпусом 13 и пластинами Л 1 и 20 измеряемой средой. Расходомер работает следующим образом . При постоянной температуре датчика (и пластин 1-11) (фиг.1) и при отсутствии расхода и давления, т.е. в вакууме, диэлектрическая проницаемость среды в датчике равна единице и емкости конденсаторов 42 и 43 (фиг.6), составленных из пластин 1 и 3 и 1 и 4 (фиг.1), одинаковы. Трансформаторный мост 35 (фиг.6), находясь в равновесии, показьшает нулевое значение объемного расхода. Емкость конденсатора 54, cocтaвл.ннoго из пластин 7 и 8, равна емкости настраиваемого конденсатора 55. Трансформаторный мост 47 при равновесии, показьгоает нулевое значение плотности. Резистивный мост 59 при этом балансируется на нулевом показании расхода. При заполнении трубопровода и датчика измеряемым газом с давлением и постоянной температурой, соответствующим требуемому режиму, но при отсутствии потока газа (при нулевом расходе), диэлектрическая проницаемость газа между всеми пластинами датчика одинакова и больше единицы. Емкость конденсаторов 42 и 43 (фиг.6) при этом также одинакова и мост 35 дает нулевые показания объемного расхода. Емкость же конденсатора 54 становится больше емкости конденсатора 55 и трансформаторный мост 47 автоматически балансируется за счет увеличения емкости линейного конденсатора 56. Стрелка 57 моста 47 при этом, отклоняется по шкале пропорционально плотности измеряемого газа и изменяет величину резистивного преобразователя 58. Вследствие этого резистив- ный мост 58 балансируется при ненулевом показании стрелки 64 на шкале. Чтобы подготовить расходомер к измерениям, настраиваемым конденсатором 55 (фиг.6) трансформаторный мост 47 балансируется на нулевом по-, казании стрелки 57 по шкапе этого моста. В результате этого резистивный мост 59 дает нулевые показания. При наличии потока газов в трубопроводе они поступают в датчик, сочлененный фланцами 14 (фиг.1) с ответными фланцами трубопровода. Поток газов через конусную насадку 15 входит в узкие длинные щели между пластинами 1 и 2-5, 6 и 2-5, а также между пластинами 9, 7, 10 и 8; б и 9, 7, 10; И и 9, 7, 10. В этих узких делях устанавливается ламинарный режим течения с вязкостным трением. Максимальная величина расхода газов (или перегретого пара) должна соответствовать предельному значению критерия Рейнольдса (т.е. 2300) для ламинарного режима в щелях между пластинами измерительных конденсаторов объемного расхода, т.е. 1 и 2-5. На начальном участке между пласти нами 1 и 2, 2 и 6, 8 и 9, 6 и 9, 9 и 11 происходит нелинейное изменение давления за счет имеющихся потерь на входе (фиг.7). Затем здесь режим движения начинает стабилизироваться и по толщине зазора начинает устанавливаться параболическое распределение скорости потока. Ламинарный поток поступает на участки щелей (фиг.1) между пластинами 1-3, 1-4, 6-3, 6-4 и, соответственно, 7-8, 6-7, 7-11. Здесь имеют место линейное изменение давления текущей среды, описываемое законом Пуазейля, и часть нелинейных потерь давления, затрачиваемых на образование параболического профиля скорости Суммарный перепад давлений, возникающий В зазорах на длине пластины 3 и 4, пропорционален объемному расходу протекающего потока с учетом поправок на потери давления. Эта же величина объемного расхода пропор циональна соответственно меньшим перепадам давлений, возникающим на меньшей длине каждой пластины 3 и 4. За счет наличия перепадов давления на этих пластинах 3 и 4, в щелях между пластинами 1 и 3 и 1 и 4 устанавливаются неодинаковые средние дав ления. Причем среднее давление на пластине 3 больше, чем среднее давление на пластине 4. Этим средним давлениям соответствуют неодинаковые средние плотности и диэлектричес кие проницаемости в конденсаторах, составленных из пластин 1 и 3 и 1 и 4. Средняя диэлектрическая проницае мость в конденсаторе из пластин 1 и 3 больше, чем в конденсатор из пластин 1 и 4. Соответственно увели чивается емкость конденсатора 42 (фиг.6) из пластин 1 и 3, расположе ного первым по направлению движения ламинарного потока, по сравнению с емкостью конденсатора 43 из пластин 1 и 4) размещенного вторьм в потоке Вследствие возникающей разности ем110костей этих конденсаторов 42 и 43 нарушается баланс трансформаторного моста 35 с трансформатором- 37 напряжения, в плечи которого включены эти емкости. Разность емкостей конденсаторов 42 и 43 компенсируется увеличением емкости уравновешивающего конденсатора 44, управляемого электродвигателем 41. После автоматической балансировки моста 35 стрелка 45 указьшает на шкале результат измерений объемного расхода. В щелях между пластинами 8 и 9, 7 и 10, а также 6н9, 7и 10, 11 и 9, 7 и 10 конденсатора плотномера устанавливается перепад давлений, равный перепаду на пластинах 1 и 2-5. Даннь1й перепад вызьшает расход газа через щели этого конденсатора пропорционально третьей степени отношения зазоров между пластинами конденсатора плотномера и конденсатора объемного расхода. Если зазор между пластинами конденсатора плотномера уменьшен на порядок по сравнению с зазором между пластинами кф денсатора объемного расхода, то расход газа через щели конденсатора плотномера становится меньше на три порядка, т.е. пренебрежимо мал и учитьшается поправкой в расчетном соотношении расходомера. За счет малого расхода в конденсаторе плотномера длша участка гидродинамической стабилизации потока с нелинейными потерями давления также мала и сосредоточена на длине пластин 9. Практически распределение давлений по длине пластины 8 является линейным (фиг.7). Причем, давление в среднем сечении пластины 7 оказывается больше, чем на стыке пластин 3 и 4 конденсатора объемного расхода. За счет перепада давлений на пластине 7 среднее давление текущей среды по длиие пластин 7 и 8 становится больше начального давления, которому соответствовала начальная (нулевая) установка баланса трансформаторного моста (фиг.6). При возрастании среД него давления на пластииах 7 и 8 увеличиваются средние плотность и диэлектрическая проницаемость газа между пластинами 7 и 8 и емкость конденсатора 54 возрастает. Трансформаторный мост автоматически балансируется путем увеличения емкости лииейиого уравиовешивающего конденсатора 56 на необходимую величину.

11

При этом стрелка 57 указьшает на шкале величину плотности измеряемого газа при среднем давлении в конденсаторе 54 и соответственно изменяется величина сопротивления резистивного преобразователя 58.

При увеличении сопротивлений резистивных преобразователей 46 и 58, резистивный мост 59 автоматически балансируется при измененном сопротивлении реохорда 61. Этот мост стрелкой 64 на шкале указьшает величину массового расхода, равную произведению объемного расхода и плотности. Расход газа через конденсатор плотномера 54 (фиг.6) из пластин 7 и 8 учитывается введением поправки в расчетную формулу.

На концевом участке щелей, между пластинами 1-5, 8-10, а также 5 и 6, 6-10, 10 и 11 имеет место нелинейное изменение давления протекающей среды за счет выходных потерь. Поток газа (пара) после этих плоских щелей направляется в конусную насадку 15 и затем в трубопровод, сочлененный с датчиком фланцем 14. Пространство между корпусом датчика 13 и пластинами I1 и 20 заполняется измеряемой средой через отверстия 65 (фиг.1) и находится при давлении измеряемой среды.

При движении между пластинами сжимаемой жидкости (газа или перегретого пара) за счет изотермического дросселирования возникает увеличение объемного расхода, которое учитывается введением соответствующей поправки в расчетной формуле объемного расхода.

Шкала трансформаторного моста 35 (фиг.6) градуируется в соответствии с зависимостью объемного расхода от изменения диэлектрической проницаемости измеряемого газа, которое описывается следующим соотношением,

RI taH°

ПД

7T,Ml П) to

PO CUH€I-I)

R, Т и | - газовая постоянная,

температура и вязко.сть измеряемого газа соответственно;

b - ЕО - ширина и длина пластин 3 и 4;

77331 .12

Н - средняя величина зазора между пластинами 1 и 3 (4);

Рл Hg - удельная поляризация 5 . и диэлектрическая проницаемость газа при среднем давлении в каналах на стыке пластин 3 и 4;

10 К - поправочный коэффициент на расширение измеряемого газа; п число параллельно

включенных каналов . конденсатора объемного расхода,

Кл - поправочньй коэффициент на расход газа через конденсатор плотномера.

Шкала трансформаторного моста 47 (фиг.6) Градуируется в соответствии с зависимостью от величины диэлектрической проницаемости измеряемого 25 газа, описываемой следующим соотношением,

li-1.

кз , (1}

fr

. .. ,

где К , gj - удельная поляризация

и диэлектрическая проницаемость газа при среднем давлении на пластинах 7 и 8,

Ка - поправочный коэффициент, учитьшающий увеличение давления в конденсаторе из пластин 7 и 8. Шкала аналогового умножителя 55 градуируется в единицах массового расхода по соотношению, кг/с:

nA(i--i;

ьн

у п

.к,-Ч-кз

4t

ТГ

о - ,.-ч)

(3)

Предлагаемая конструкция датчика массового расходомера позволяет определять величину зазоров между пластинами I и 3, 4, а также 7 и 8 (фиг.1)

конденсаторов, соответственно, 42 и

43 объемного расхода и 54 плотности

(фиг.6) электрическими измерениями,.

что существенно повьшает точность

градуировки шкалы расходомера. Для этого датчик перед установкой в трубопровод вакуумируется и измеряются последовательно вакуумные емкости конденсаторов 42 и 43 и 54 (фиг.6), составленных из пластин 1-3, 1-4, 7 Заземленные пластины 2, 5, 9 и 10 и 20 являются охранными электродами. В этом случае шкала расходомера градуируется согласно следующему соотношению, м /с: Q §1 ЯТ (b4ji л гЧ-Кз Viol Т f где о 8,85419-10 Пф/мм - диэлек рическая проницаемость вакуума; С.п и вакуумные емкости проточных конденсаторов 41 (42) и 54 соответственно; ЛСуи С л - изменения емкости конденсаторов объемного расхода 42 и 43 и конденсаторов плотности 54 и 55 соответ ственно при измерении рас хода . Для технических измерений поправочные коэффициенты на расширение измеряемой среды, на расход газа через конденсатор плотномера и на увеличение давления в нем определяю ся по соотношениям: v,n.. 15) 1 йСр Рп 2) y;. 4H.o,oe«f,,«.e pвторой вириальный коэффициент уравнения состояния измеряемого газа) коэффициент потерь давления на входе щелевых кана лов-, число параллельно включен ных каналов конденсатора плотномера; зазор меяоду пластинами ко денсатора плотномера. Предлагаемое устройство позволяе обеспечить точные измерения массово го расхода газов и перегретых паров как при высоких избыточных давления так и в вакууме (1-750 мбар), (предельная относительная погрешность может составлять tO,5% и менее) , 114 точные измерения как малспс, так и больших расходов. Величина расходов определяется числом параллельно включенных щелевых каналов датчика объемнего расхода и зазором между ними; обеспечиваются линейная шкала расходомера и измерения расхода в пределах всей шкалы, а также имеется возможность точного измерения пульсирующих расходов за счет малых потерь давления на датчике, весьма малого времени установления емкости проточных конденсаторов и балансировки мостовых измерителей. При измерении-периодически пульсирующих расходов с периодом, большим чем время установления показаний расходомера, погрешность измерений может достигать ±1,5% и менее, т.е. предлагаемое устройство обеспечивает возможность точных измерений расхода газов и перегретых паров в широкой области изменений из параметров, что непосредственно определяет режим работы технологического оборудования в промышленности органического С1 теза, химической и нефтехимической, энергетической, авиационной и др., а также в исследовательских работах. Формула изобретения Массовый расходомер, содержащий датчики объемного расхода и плотности, состоящие из многопластинчатых плоских конденсаторов, включенных в плечи измерительных трансформаторных мостов, и мостовой аналоговый умножитель, причем конденсаторы датчика объемного расхода расположены последовательно в проточном канале, а его укороченные пластины установлены последовательно с охранными электродами, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений при упрощении конструкции, конденсатор датчика плотности установлен в проточном канале причем часть его пластин вьтолнена укороченными и последовательно с ними на входе и выходе конденсатора установлены охранные электроды, при этом величина зазора между пластинами конденсатора плотности определяется по формуле 1 оЬСо 16 - диэлектрическая про ницаемость вакуума; С 2 - емкость конденсатора датчика плотности в вакууме-, b и ЕО зазор между пластинами, ширина и длин укороченных пластин конденсатора датчикам плотности; а зазоры между пластинами конденсато ров датчиков плотности и объемного расхода выбраны из соотношения Hi/H 7Qif/avi где X - зазор между пластинами В 1 пнгтРНГЯгпп; конденсатора датчика объемного расхода-, 1 Qy - расходы газа через конденсаторы датчиков плотности и объемного расходаI С/)g - емкость конденсатора датчика объемного расхода в вакууме. При этом в плече трансформаторного моста, измеряющего плотность,установлен конденсатор переменной емкости. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство. СССР №504088, кл. G 01 F 1/00, 1974. 2.Авторское свидетельство СССР по заявке № 2747406/18-10, кл. G 01 F 1/64, 02.04.79.

It

20

n

B-S

Л

7

3

6

7 8

(Pa. 8-5

fefr

ii гб

г

Q Gi

и.Ц

т wml9

(риг. S

ffli/Lff

х

х

х