АВТОНОМНЫЙ СЧЕТЧИК-РАСХОДОМЕР ГАЗОВЫЙ

Полезная модель относится к области измерительных устройств и может быть использована для определения расхода газа в системах струйной техники (пневмонике) и коммерческого учета потока газа в бытовом секторе ЖКХ.
Известны счетчики-расходомеры газа мембранные для коммунально-бытового применения типа CTB-G1,6, G-2,5, G-4, G-6, G-10 с независимым энергопитанием, выпускаемые промышленностью. Выпускают подобные счетчики такие фирмы, как ЗАО «Сигнал-Прибор», Газдевайс, ЭЛЬСТЕР РусГазПрибор, ООО Krom Schroder и др. (1. Совершенствование учета природного газа и собираемости средств за его реализацию. Ж. территория нефтегаз, 5/04). Известные счетчики-расходомеры имеют большие габариты, вес, металлоемкость, требуют строгой ориентации в пространстве.
Известны счетчики-расходомеры газа и жидкости (2. С.Л. Трескунов и др. Струйные автогенераторные расходомеры - новый тип измерителей расходов. Ж.П и СУ, №11, 1990), принцип действия которых основан на зависимости частоты колебаний струи измеряемой среды в чувствительном элементе, через который проходит весь измеряемый расход газа. Основным недостатком таких устройств является недостаточный динамический диапазон измеряемого расхода, сравнительно большой нижний уровень расхода, с которого начинается измерение.
Известны струйные счетчики-расходомеры, конструкция которых содержит помимо струйного генератора дополнительный канал, по которому пропускают больший расход, а по линии генератора малый, например (3. Золотаревский С.А. К вопросу о расширении диапазона измерения расхода применительно к приборам коммерческого учета природного газа. Сборник научно-технических статей. Под общ. Ред. В.А. Левандовского. г. Арзамас. ООО «Эльстер Газэлектроника». 2013. с. 37-43). Использование струйного счетчика-расходомера, содержащего только байпас, при измерении также неудовлетворительно, т.к. этот прием не увеличивает динамический диапазон измерения, а лишь приводит к смещению характеристики в сторону одновременного увеличения минимального и максимального расходов измерения. Стандартные сужающие устройства, располагаемые в байпасе, также имеют ограничения по диапазону расхода. Кроме того, стандартные сужающие устройства требуют спрямляющие участки на подключаемых трубопроводах.
Основной недостаток струйных счетчиков-расходомеров, в которых пропускается расход только через струйный генератор, состоит в нелинейной зависимости между расходом и выходной частотой. При этом для уменьшения нелинейности возникает требование ограничения по создаваемому перепаду давления при измерении максимального расхода в выбранном диапазоне. Кроме того, необходимо обеспечить устойчивые колебания струйного течения при измерении минимального расхода диапазона, при котором перепад давления на счетчике, составляет десятые доли Па. Для обеспечения таких условий работы необходим подбор и согласование характеристик параметров струйных элементов для счетчиков-расходомеров и можно приблизиться к оптимальному соотношению размеров канала управления и сопла питания для начала устойчивых колебаний струи измеряемого расхода.
Известный счетчик газа Гранд 16ТК производства НПО «Турбулентность-Дон» является наиболее близким по технической сущности к предложенному изобретению и принятому за прототип. Известное решение, принятое за прототип, содержит струйный счетчик -расходомер с соплом питания струйного элемента, привод клапана с затвором, связывающий канал струйного счетчика с каналом байпаса.
Привод клапана выполнен электромагнитным, затвор которого перекрывает отверстие, связывающее канал струйного генератора с каналом байпаса не является нормированным, и не обеспечивает подобие течений через него и сопло струйного генератора. Этот недостаток порождает большую погрешность измерения расхода при включении клапана и заставляет снижать динамический диапазон измерения. Кроме того, измерение больших расходов достигается с большими потерями давления (более 1000 Па).
3
Техническим результатом является повышение измерительных свойств счетчика в виде уменьшения погрешности (выбрана конфигурация сечения протока подобного соплу питания), расширение динамического диапазона (при снижении потери давления), простоты конструкции затвора (с упругим элементом), получение клапаном возможности прикрывать затвором относительно большие проходные сечения с помощью малых позиционных перемещений (пьезопластина) для управления большими потоками газа до 10 м/ч при низком давлении (0,1-100 кПа) с уменьшенным энергопотреблением привода при движении затвора на закрытие и возможностью изготовления клапана из легких неметаллических материалов.
Технический результат достигается тем, что автономный счетчик-расходомер газовый, содержащий струйный счетчик-расходомер с соплом питания струйного элемента, расположенный в камере малого расхода, канал байпаса с камерой больших расходов, и привод клапана с затвором, соединяющий протоком камеры малого и больших расходов, по полезной модели, привод выполнен в виде пьезопластины с укрепленным штоком, по которому перемещается затвор с упругим элементом, расположенный в камере малого расхода, проток расположен в перегородке разделяющей камеры малого и большого расходов и выполнен в виде отверстий, сечение вдоль оси которых геометрически подобно соплу питания струйного элемента счетчика-расходомера.
Сущность предложенного клапана поясняется фигурой, на которой показана конструктивная схема предложенного автономного счетчика-расходомера газа.
вх
вх
1
2
1
2
вых
вх
вх
вых
2
Газ с объемным расходом Q, попадая в корпус 1 счетчика, проходит по кольцевым каналам, ограниченными колпаком 2 и перегородкой 3, и в соответствии Q=Q+Q разделяется на два потока Q и Q и далее объединяясь проходит на выход величиной Q=Q. Канал входа газа Q и канал выхода газа Q разделены конструктивно между собой. Перегородка 3 образует камеру 12, в которой расположены струйный генератор 4, пьезодатчик 5, измеряющий частоту f колебаний давления, вырабатываемых струйным генератором 4, и пьезопластина с укрепленным на ней штоком 8, представляющей собой пьезопривод 6. Перегородка 3 состоит из цилиндрической части с плоским дном, в котором расположены отверстия 10 протока для расхода Q. К плоской внутренней части дна плотно прилегает затвор 7 в закрытом положении клапана, закрывая проход газа по байпасу через проток отверстий 10.
1
2
вх
вых
Поток Q проходит из камеры 12 через струйный генератор 4 и далее на выход из корпуса 1. Поток газа Q независимо проходит при открытом затворе 7 в камеру 13 (канал байпаса) через проток, организованный профилированными отверстиями 10, которые, в сечении вдоль своей оси, по геометрии подобны геометрии сопла питания струйного генератора 4 и далее на выход из корпуса 1. Затвор 7 имеет упругий элемент 9, который обжимает шток 13 для обеспечения герметичности между камерами 12 и 13 и служит опорой за счет трения покоя между штоком 8 и затвором 7 при перемещении затвора. Корпус 1 накрыт крышкой 11 с расположенным в ней блоком электроники для измерения количества проходящего объемного газа Q=Q.
1
1
1
2
1
При работе счетчика измерение газа в диапазоне малого расхода Q, например 40-1600 л/ч пьезодатчик показывает частоту f колебаний давления, созданную струйным генератором 4, имеет величины 10-400 Гц при перепаде давления 1000-1200 Па. При ограничении потери давления на счетчике до 200 Па величина расхода будет, например Q=800 л/ч и частота f~200 Гц. При этом затвор 7 клапана перекрывает отверстия 10 протока. Для измерения большого расхода Q2 необходимо открыть отверстия 10 протока для прохода большого количества газа. Это происходит при частоте, например f=200 Гц, сигнал из блока электроники 11 приводит в движение пьезопластину со штоком 8 пьезопривода 6 с частотой, например F=100 Гц. При этом сигнал от блока электроники имеет пилообразную форму. Шток 8 двигается и тянет за собой затвор 7 в сторону открытия клапана электросигналом постепенно набирающим максимальную амплитуду и далее почти ступенчато сбрасывающего набранную амплитуду. В силу инерционности своей массы затвор остается на месте, продвинутом за предыдущее движение, шток перемещается относительно затвора на микроход и далее цикл движения повторяется до полного открытия отверстий 10 протока для сообщения между собой камер 12 и 13. В этот момент для струйного генератора остается расход Q=80 л/ч близкий к минимальному, резко падает частота f, например, до величины 20 Гц, поскольку почти весь расход Q=KQ проходит через камеру 13. В электронном блоке в этот момент вводится коэффициент - множитель К для подсчета общего расхода
вых
1
2
1
Q=Q+Q=Q (1+K).
Линейность множителя K обеспечивается геометрическим подобием сопла питания струйного генератора 4 и отверстий 10 протока. Далее при увеличении потребляемого расхода частота f струйного генератора 4 достигает опять, например того же крайнего значения 200 Гц измеряемая величина расхода достигает величины
вых
1
2
Q=Q+Q=800(1+10)=≈9000 л/ч при потери давления 200 Па.
При уменьшении расхода до величины менее 800 л/ч (частота f<20 Гц) по команде вычислителя электронного блока 11 поступает команда на пьезопривод 6, который закрывает затвор 7 по инверсным пилообразным сигналам блока 11 относительно режима открытия затвора. При этом частота струйного генератора от 20 Гц повышается до ~200 Гц и далее при уменьшении расхода до 40 л/ч счетчик частота струйного генератора уменьшается.
Потребитель газа в быту чаще пользуется малыми объемами (расходами) и клапан по времени все больше находится в закрытом состоянии под перепадом давления в малой камере. Поэтому достигается минимальное энергопотребление независимого источника питания.
Сочетание струйного генератора с функцией счетчика газа с автономным пьезоприводом придает всему устройству дополнительные качества - уменьшенные габариты и расширенный диапазон в сочетании с минимальными потерями давления.